市政橋梁設計中的安全性及耐久性探討

文／張圃維 常德市規劃建筑設計院有限責任公司 湖南常德 415000

引言：

市政橋梁工程建設，對于推動城市發展、促進社會穩定具有重要作用。現今市政橋梁工程的建設水平呈上升趨勢，但在設計方面仍存在一些問題，即對橋梁的耐久性設計研究不足，從而間接導致橋梁使用壽命縮短，嚴重的甚至出現結構損壞、橋梁跨塌等安全事故。2018年《公路鋼筋混凝及預應力混凝土橋涵設計規范》修訂后，將耐久性設計內容單獨列出，突出耐久性設計重要性。由此可見，提升市政橋梁安全性與耐久性硬性要求，設計中必須得到重視，使橋梁在設計期內較好完成其功能，避免造成不必要的損失或事故。

1、市政橋梁的設計特點

1.1 設計規范存在差異性

市政橋梁與公路橋梁規范相近又存在差別。現行《城市橋梁設計規范》以《公路橋涵設計通用規范》為參照而編制，強調城市交通環境的獨特性，例如，在城市中車輛密度高且通行緩慢，高峰期交通擁堵幾率大，人群荷載密度大，人行道及市政管線鋪設等，這些差異體現在規范參數取值上。因此在市政橋梁設計中選取與城市交通環境實際相符合的參數值，是保證安全性和可靠性的重要關鍵點。

1.2 設計高程影響因素眾多

市政橋梁高程控制存在一定復雜性，其高程受市政道路的設計時速、坡度、坡長等因素的影響比較顯著，對于有航要求或跨線的市政橋梁，同時還須考慮通航凈空、道路凈空、橋下游道凈空等因素，這就要求橋面高程與梁底高程二者共同控制，從而確定市政橋梁的整體高程。

1.3 結構選型影響因素廣泛

在市政橋梁設計中，結構選型居于首要地位。市政橋梁設計既要考慮交通環境、施工工藝及技術經濟指標，還需要結合周邊環境與建筑風格，力求在外觀美學上與環境的和諧。以城市中小橋為例，一般多采用線條簡單輕巧的橋型，如預制板梁或小箱梁，二者梁高較矮能節省空間，而預制梁可快速安裝，減小施工對城市的交通阻礙。現澆梁整體性好且跨越能力強，更適合城市立交橋和高架橋，同時具有良好的景觀性。對于跨河橋梁，結構自身的景觀要求相對更高，通長采用造型圓潤古樸的拱橋、優美大氣的斜拉橋，但二者經濟成本高且施工難度較大。因此，市政橋梁選型需兼顧多重因素，做到實用性與美觀性的統一。

1.4 排水系統設計的必要性

市政橋梁的排水系統設計至關重要，雨水不可隨意排泄。由于城市交通環境的特殊性，暴雨、洪澇及冰凍等自然環境因素對市政橋梁影響顯著，排水設計是否考慮充分，不僅直接關系到車輛交通、行人出行的安全與便利，而且影響著橋梁自身的使用壽命。對于跨線橋、高架橋，因橋梁總長較長，排水設計應盡量利用橫、縱坡度，將雨水匯集至市政管網，對于跨越水系或溝渠的橋梁，雨水可通過泄水管收集后直接排放。通過合理的排水設計，消除橋梁在使用過程中的安全隱患，避免對周圍基礎設施和建筑結構造成不良影響。

2、市政橋梁設計中安全性與耐久性不足的原因

從近年來發生的橋梁垮塌事故或者橋梁病害案例來看，在橋梁設計方面尚有一些亟待完善之處。市政橋梁工程建設中，往往重視結構安全，忽視橋梁耐久性。安全性與耐久性問題的出現，主要有以下幾個方面原因。

2.1 設計理論的局限性

結構設計理論系建立在符合諸多基本假定的理想狀態下，但在實際應用過程中會受到眾多復雜因素影響，包括自身因素與外界因素，以致結構計算效應值與理論值存在偏差，這種偏差是影響結構耐久性的重要原因之一。耐久性是一個設計概念，一般通過設計規范中給出的具有安全儲備的經驗值來保證結構耐久性，但在不同環境、不同受力狀態下無法以組合系數、計算公式等形式予以量化，所以耐久性無法精確計算。這種由設計理論帶來的局限性是無法避免的，因此在設計時需要從材料、結構體系等自身因素與運營環境、施工條件等外界因素出發，準確掌握各項影響參數，細化分析得到與實際相近的計算值以消除誤差，必要時在滿足規范要求且經濟合理的前提取保守值。

2.2 設計理念的偏差

設計人員普遍的主觀認知也對橋梁安全性與耐久性有著重要影響。在市政橋梁設計過程中，設計人員往往著重于橋梁結構強度剛度驗算，對結構材料與細部構造分析、耐久性與抗疲勞性設計、結構維護與保養等方面予以忽視，如材料配比不佳、混凝土強度與抗滲性不夠、保護層厚度偏小、鋼筋直徑或間距偏小等。認知與設計理念上的偏差是安全隱患的源頭，導致橋梁運營后因耐久性不夠，引發橋梁病害，最終影響結構安全。因此結構安全性與耐久性問題在設計中應當充分重視，保證橋梁結構計算安全性的同時，重點關注橋梁后期的耐久性問題。

2.3 結構選材的不嚴謹

在不少運營多年的市政橋梁中，尤其是跨水系橋梁，下部結構被腐蝕現象嚴重，有害物質如氯離子以水為載體破壞結構防水，經由碳化的混凝土保護層再進入結構內部，使鋼筋銹蝕膨脹，加劇結構開裂，形成惡性循環，從而降低橋梁整體質量與耐久性。而材料自身的指標性能是影響結構耐久性的內在因素，水泥品種及用量、混凝土配制質量、防水層質量及外加劑種類、參量等共同決定著混凝土結構碳化與裂縫發展，因此在上承雨水下跨河流的市政橋梁設計中應重視結構材料的選取與質量標準的把握。

2.4 遠期交通量預測不足

近年來隨著城市經濟發展，汽車數量快速增長，城市交通環境呈現車輛密集度高、車行緩慢、交通擁堵概率大的態勢，重載、超載現象時有發生，而運營多年的老舊橋梁在當初設計時，未能及時預測未來交通量，即設計標準不能滿足當前汽車荷載要求，超載或滿載、車輛沖擊力等均加大了橋梁的應力幅度，若橋梁本身存在病害如細小裂縫，在擁堵交通狀況下，將繼續發展擴大，對結構長期使用性能和耐久性產生極不利影響，這也是上世紀八九十年代建造的橋梁，于近幾年大批量維修加固的原因之一。

3、市政橋梁設計中安全性與耐久性的提升策略

3.1 優化橋型結構

橋型選擇是市政橋梁設計的重點，總體上決定了結構安全耐久性方向。選擇合理的橋型結構，使各構件應力均勻，使材料的性能充分發揮。2018年《公路鋼筋混凝及預應力混凝土橋涵設計規范》修訂后，補充了相關規定，對結構選型提出了要求，以有效保證橋涵結構的安全耐久性。

以城市中小橋為例，受彎的橋跨結構如簡支梁、連續梁等在荷載作用下應力不均勻，梁橋材料強度不能充分發揮，跨越能力低，一般單跨不超過40 米，若要加大結構跨徑，需要通過優化截面來調整應力狀態，其中結構振動、荷載的橫向分部是設計重點。受壓的橋跨結構如拱橋，則應力均勻，混凝土抗壓性能發揮較好，適用于跨徑不大且有橋下凈空要求中小橋，若需增大拱橋跨徑，寬跨比減小，則存在失穩問題，其中合理拱軸線、基礎水平推力平衡是設計的重點。對于預應力結構，盡量采用全預應力或A 類預應力結構，保證不出現拉應力或者限制拉應力，以防止裂縫出現，截面轉角節點處采用圓弧過渡，避免應力集中。

橋型結構不同，設計側重點也不一樣，尤其是如加強截面變化處配筋、加強泄水管或伸縮縫處防水設計、橋頭路基處理等，處理好振動、線形平順、橋頭跳車等細節問題，應充分考慮，以完善細節設計來提高結構整體質量及耐久性。

3.2 轉變設計理念

橋梁耐久性不足導致后期維護成本高、安全隱患大的案例不在少數，實踐證明，橋梁耐久性設計與結構承載力設計同等重要。設計人員需要轉變“重結構輕使用”的固定理念，統一考慮結構設計與耐久性設計，對營運期間橋梁性能有預見性認識，使結構便于檢修與維護，降低橋梁建設綜合成本。

鑒于設計理論建立背景與實際工程環境存在差異，在橋梁設計時，因掌握影響結構耐久性的主導因素，如雨雪冰凍氣候條件、地表水侵蝕性介質含量及對下部結構影響程度等，全面考慮影響耐久性的各項條件。

耐久性設計雖然是抽象的設計概念，但體現在橋梁設計的全過程中，只有對橋梁耐久性有了正確認識，才能將其貫徹在設計過程中，這便要求設計人員統籌考慮，把握細節。

3.3 確定合理保護層厚度

混凝土保護層厚度，是體現混凝土結構抗拒外部環境侵蝕的重要指標，其取值對結構的承載力及耐久性有直接影響。保護層厚度取值小，則增加了截面有效高度，對提高承載力有利，但易碳化使鋼筋銹蝕；保護層厚度取值過大，則能減慢碳化速度，保護鋼筋免遭銹蝕，但降低了截面有效高度，對承載力有不利影響。因此，保護層厚應合理取值，當結構位于侵蝕性環境中時，保護層厚度取值可在規范給出的最小厚度基礎上適當增大10%-20%，這樣能延緩混凝土碳化過程時間與氯離子侵入至鋼筋時間，使結構免于侵蝕時間則增加，有助于提高混凝土結構耐久性。

此外，鑒于鋼筋混凝土結構因施工質量因素存在偏差，導致保護層厚度不夠，設計時還應考慮施工誤差對結構耐久性的影響。保護層厚度取值可在規范給出的最小厚度基礎上，增加一個1.1-1.2 的誤差修正系數，對于重要構件或處于侵蝕性環境的結構取較大值1.2，一般構件可取1.1，以此來消除施工誤差，保證結構耐久性。

3.4 合理選擇原材料

鋼筋混凝土結構長期暴露在空氣中，受外界有害物質腐蝕存在材料劣化現象，主要表現為混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿集料反應以及凍融破壞等。而在城市環境中，高濃度二氧化碳、有害氣體排放、熱島效應等人為因素加速了材料的劣化，因此在橋梁耐久性設計時，應針對性分析，從抗滲、抗凍、抗侵蝕、堿集料反應等幾方面著手。

水泥品種，選用純硅酸鹽水泥與自選的礦物摻和料作為膠凝材料，減小水泥水化熱，降低混凝土構件內外溫差，從而減少溫度裂縫。配比時適當增加水泥用量，可改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實度，增加混凝土的堿性儲備，從而增強了抗碳化能力。在水泥用量不變的條件下，選擇合理的水灰比，減小水灰比可減小混凝土空隙率，增加密實度，提高了抗碳化能力。設計時應嚴格控制水泥中含堿量、氯離子含量，尤其是下部結構選用抗滲性能好的水下抗滲砼。實踐表明，混凝土中摻入適量粉煤灰可提高混凝土抗滲性與耐久性。配比時適當合理的外加劑，能較好與混凝土結合，增加其牢固性，通長選用優質的加氣劑和緩凝劑，可加強混凝土質量，降低碳化效率。骨料選用熱膨脹系數小、含泥量低、連續級配的骨料，可減結構孔隙，增加混凝土密實度，從而增加抗碳化能力。

對于暴露于侵蝕性介質環境中的構件，可采用高性能材料，如伸縮縫用鋼纖維混凝土澆筑固定，其預埋筋采用耐腐蝕鋼筋。在高腐蝕性環境如高氯離子濃度水中，可適當使用環氧涂層鋼絞線和鋼筋，研究表明，環氧涂層鋼筋配合高性能混凝土，結構使用壽命可提高40%。

3.5 加強防水層設計

橋面防水是橋梁耐久性的一個重要方面，對于延長橋梁壽命起到關鍵性的作用，橋面防水必須和橋面排水配合，做到防排結合。

橋面排水，主要利用橋梁橫縱坡度協助排水，在橫、縱坡符合規范要求前提下，可適當加大橋梁縱坡來提高橋面排水效率。與市政道路對接的橋梁，在確定道路縱坡時，應統籌考慮橋梁縱坡，在橋梁設計范圍內合理避開凹型曲線，以免橋面積水。

橋面防水設計中，將現澆水泥混凝土鋪裝層添加抗滲劑形成剛性防水層，下設有良好的抗滲、抗剪、抗拉的防水層，即柔性防水和剛性防水相結合。同時，橋面防水混凝土層鋼筋網應設必要的抗裂、抗剪鋼筋，保證橋面鋪裝整體性，在墩頂負彎區的防水混凝土層是防水薄弱環節，該區域宜增設鋼筋網層，提高其抗裂性能，從而阻止裂縫產生。其次，在處理好排水管口、伸縮縫、防撞墻處防水細節，保證防水層的連續性也至關重要。

防水材料的選擇應根據結構受力特性、橋面鋪裝材料性能及施工特點來綜合考慮。例如圬工拱橋，拱上填料施工時的摩擦力或沖擊力，會對拱頂防水層產生不利影響，造成防水層穿破，因此圬工拱橋對于防水材料耐磨、抗拉性能有更高要求，實踐經驗表明，圬工拱橋采用SBS 防水卷材的防水效果明顯好于傳統的油氈。

3.6 重視疲勞損傷分析

橋梁在車輛荷載沖擊力和制動力等長期疲勞荷載作用下，主梁反復振動，橋面反復秏磨，導致結構裂縫出現與橋面鋪裝損耗，即產生疲勞損傷。疲勞損傷能提高混凝土的滲透性，如透水性、透氣性等，加速混凝土碳化及鋼筋銹蝕速度，從而大幅度降低橋梁混凝土耐久性。疲勞荷載和環境腐蝕的共同作用是加劇混凝土橋梁損傷與劣化的根本原因，有研究表明，疲勞荷載和環境共同作用下，混凝土橋梁結構壽命明顯低于單一疲勞作用下的壽命。因此，處于交通密集環境的城市橋梁，應認識到疲勞性能設計的重要性，充分考慮疲勞荷載，進行疲勞驗算、橋面磨損驗算。

3.7 做好交通量分析

區別于公路橋梁，城市橋梁有車輛密度與人群密度大特點，因此在結合規范設計時需考慮荷載的特殊性，如人行道鋪裝、管線鋪設、景觀裝飾荷載等。規范《城市橋梁設計規范2012版》對于車輛荷載及人群荷載的取值規定，高于《公路橋涵設計通用規范》的取值，在規范《城市橋梁設計規范2019 版》中，對車道荷載的集中荷載標準值下限進行了修訂，由180kN 提高至270kN，表明新規范考慮了近年城市交通量變化對橋梁結構的影響。設計規范證的修訂，證明了城市橋梁與公路橋梁的交通環境區別。

在城市交通環境中，應該注意的是高峰期擁堵。研究表明，小型車輛與大客車形成的擁堵，實際車輛荷載效應低于按橋梁規范設計值，即此類擁堵不會對橋梁的安全性與耐久性產生直接不利影響。但是，擁堵車輛中若含如渣土車、水泥攪拌車等重車，其產生的車輛荷載效應可能超過橋梁規范設計值，致使橋梁的安全性與耐久性降低。此外，長期持續性的交通擁堵，對橋梁附屬構件如伸縮縫、支座、橋面結構層等產生累積性損傷，間接影響橋梁的耐久性能與使用壽命。

因此，對于城市橋梁設計，還應結合城市交通規劃，預估遠期交通量，在合理經濟指標允許范圍內，適當加大結構設計中的安全系數，也是提高橋梁安全性與耐久性的方式。

結束語：

市政橋梁占有城市基礎設施建設較大比重，城市橋梁在設計基準期內能否正常發揮其功能，不論從使用功能角度還是經濟成本角度來看，都有著至關重要影響，而橋梁耐久性與使用功能密切相關。當前我國市政橋梁在安全性與耐久性設計方面仍存在較大提升空間，耐久性問亟待解決，為此，我們應該借國內外成功經驗和案例，認識橋梁耐久性設計的重要性，從橋梁結構選型、設計理念轉變、工程環境分析、材料選用、結構細節設計等方面入手，做深入研究、合理優化，確保橋梁達到預期使用壽命。