公路橋梁設計的安全性和耐久性分析

張浩、張坤

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230000）

0 引言

隨著建設規模的不斷擴大，公路橋梁的安全性問題日益突出，而許多事故的發生都是由于安全性設計不足導致的，造成了巨大的經濟財產損失。現有的絕大多數耐久性試驗側重于單一因素影響，在結構構造設計上存在缺陷。因此，公路橋梁設計要充分結合施工、運營、管理等后期工作，從全壽命周期的角度出發，提高橋梁結構的安全性和耐久性。

1 公路橋梁安全性和耐久性問題及影響因素

1.1 公路橋梁安全性和耐久性問題分析

橋梁的安全性指在正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下，橋梁仍然能夠保證通行要求的性能，通常用結構抗力和外部作用效應來衡量，不但要計算永久作用、偶然作用、可變作用，而且要將環境作用融入其中，如侵蝕作用、溫度作用等。橋梁的耐久性指結構在使用一定年限，并與環境發生各種物理化學反應后仍然能夠保持各項功能的能力，主要是考慮橋梁結構抗力函數隨時間的變化，關系到橋梁結構的使用壽命。關于具體病害的表現形式，公路橋梁安全性問題主要包括結構裂縫、失穩、沉陷等；而耐久性問題則更為復雜，不同結構形式耐久性退化表現不同。在我國，鋼筋混凝土結構橋梁占絕大多數，常見的耐久性病害表現為橋面鋪裝破壞、橋頭跳車、混凝土開裂、鋼筋銹蝕以及附屬設施病害，嚴重影響駕車體驗和交通通行，甚至成為交通事故發生的主要誘因[1]。

1.2 公路橋梁安全性和耐久性影響因素

影響公路橋梁安全性和耐久性的因素有很多，包括勘察、設計、施工、使用、養護等各個環節，而且因橋梁的結構形式、使用環境等方面的不同而不同。在勘察方面，勘察成果文件不全面、不準確，影響了后期設計效果。在設計方面，隨著公路交通通行壓力的不斷增大，原有的荷載標準已經不能滿足當前汽車荷載要求，同時由于技術水平和經濟效益的限制，公路橋梁在結構和構造細節設計方面要求較低。在進行方案比選時，主要由地質條件、經濟指標、技術能力、施工方法等方面確定，對耐久性評價不夠，缺乏全面有效的評價指標。在設計計算過程中，沒有充分考慮非荷載因素的影響，如溫度應力，混凝土收縮、徐變等，而且對施工方法、施工荷載、施工順序等的影響分析不全面。在特殊部位，由于局部應力分布和傳遞作用可能出現應力突變，如果計算方法不當，很容易出現構造配筋不合理的問題。除此之外，施工和運營管理方面的影響也比較大。在公路橋梁設計時，應該充分考慮這些問題，通過有效的設計手段減少質量缺陷和隱患的發生，提高橋梁結構整體的安全性和耐久性。

2 公路橋梁安全性和耐久性的優化設計策略

2.1 科學計算車輛荷載

公路橋梁安全性指標主要通過結構能夠承受荷載的能力來衡量，著重考慮由荷載變化引起的結構內力變化，所以在進行安全性設計時，必須全面準確計算橋梁結構可能承受的荷載大小。車輛荷載是主要的可變荷載，其取值大小直接關系到橋梁的安全性。雖然相關設計規范明確了車輛荷載標準值，但是隨著交通運輸模式和特點的不斷變化，交通量增長迅猛，車輛重型化趨勢越來越明顯，許多橋梁垮塌事故都是由于車輛超載導致的，除了加大管理力度外，還應該提高車輛荷載計算的可靠度，完善橋梁安全性設計方法。基于可靠度設計方法，建立符合實際交通狀況的不同車道類型車輛荷載概率模型，針對不同跨徑公路橋梁的車輛荷載敏感性，采用考慮跨徑影響的車輛荷載分項系數計算公式，針對公路橋梁車輛橫向和縱向隨機分布的特點，確定多車道荷載橫向折減系數，使多車道橋梁構件的可靠指標基本一致，從而提高公路橋梁車輛荷載計算的可靠性，保證橋梁結構的安全性[2]。

2.2 充分重視抗震設計

抗震設計也是影響公路橋梁安全性的重要因素，考驗著橋梁結構在地震作用力下的安全性和穩定性。首先，明確橋梁工程抗震設防等級、設防分類、設防目標；其次，根據抗震設計要求，構建完善的抗震設計體系，包括抗震結構設計、減隔震結構設計以及其他結構控制設計；最后，根據不同部位產生的震害，進行針對性的構造設計和細節處理。

橋梁上部結構移位比較常見，移位嚴重時會出現落梁，如果撞擊到下部結構，就會造成二次傷害，所以必須加強防落梁設計。可以適當增大墩臺支撐面寬度，將上部結構位移限制在防落梁范圍內，也可以安裝相應的約束裝置，如混凝土擋塊，同時協調相鄰橋墩高度差，避免出現相鄰跨動力特性相差較大的情況，增加落梁和碰撞的風險。對于下部結構的抗震設計，主要體現在墩臺和基礎方面。以墩臺抗震設計為例，主要破壞形式有彎曲破壞和剪切破壞，情況嚴重的會引起橋梁倒塌。彎曲破壞是一種延性破壞形式，剪切破壞是一種脆性破壞形式。相對而言，剪切破壞的后果更嚴重，不僅難以耗散地震能量，而且震后修復困難，因此要盡可能加強橋梁結構延性設計。根據以往經驗，許多橋梁墩柱震害都是由于鋼筋構造不合理導致的，需要根據橋墩截面和受力變化，合理設置箍筋，保證縱向主筋的連接強度、分布數量以及鋼筋錨固長度能夠滿足抗震要求，提高橋墩抗震能力。另外，充分利用減隔震技術，根據技術應用原則選擇合適的減隔震裝置，能夠有效發揮隔震、耗能雙重作用，提升橋梁整體抗震性能[3]。

2.3 合理選擇結構形式

在準確計算外部荷載的基礎上，如何選擇合適的結構形式成為橋梁安全性設計的重要內容。根據地質條件、地形地貌、水文條件、氣候變化、施工技術、工程造價等綜合因素，合理進行結構設計。按照承載結構劃分，公路橋梁可以分為梁式橋、拱式橋、鋼架橋、懸索橋、組合式橋等。梁式橋又包括簡支梁式橋、連續梁式橋、懸臂梁式橋。明確不同類型橋梁的應用范圍，簡支梁式橋主要適用于小跨度橋梁；連續梁式橋是大跨度橋梁廣泛采用的結構體系之一，一般采用預應力混凝土結構；懸臂梁式橋通常為奇數跨布置，掛孔跨與懸臂跨相交替。在豎向荷載作用下，拱式橋兩拱腳處不但會產生豎向反力，而且會產生水平推力，所以采用拱式橋結構設計時，需要嚴格勘察現場地質條件，必須保證地質和地基條件良好。鋼架橋是由梁式橋跨結構與墩臺整體相連而形成的結構體系，其梁柱節點為鋼結構。現代懸索橋主要包括橋塔、主纜索、吊索、錨碇、索鞍、加勁梁等組成部分，通過橋面標高和主纜索垂跨比，科學計算橋塔高度，作為主要的承重構件，必須保證主纜索的承載能力能夠符合設計要求。大跨度吊橋通常選擇平行絲束鋼纜，加勁梁是承受風荷載及其他橫向水平力的主要構件。大跨度懸索橋的加勁梁都是鋼結構，預應力混凝土加勁梁只能用于跨徑在500m 以下的懸索橋，而且大多采用箱型梁。除此之外，橋墩、橋臺、基礎形式的選擇也至關重要，需要綜合各項影響因素進行合理化設計，保證橋梁下部結構的穩固性，能夠為上部結構提供有力支撐，保證橋梁整體安全。圖1 為某懸索橋效果圖。

圖1 某懸索橋效果圖

2.4 明確結構設計壽命

設計壽命是設計人員用來作為結構耐久性設計的主要依據，指橋梁在使用過程中僅需一般維護不需大修的期限。在實際工程設計中，橋梁結構的設計使用年限往往是根據相關規范和經驗確定的，主要針對的是橋梁主體結構。由于橋梁組成構件眾多，各組成構件的功能和材料不同，退化模式、維護管理存在差異，不能僅僅使用一個整體設計使用壽命來要求所有構件，可以對不同橋梁構件分別制定設計使用壽命，在橋梁主體設計使用年限內，對部分構件進行更換或大修，并盡可能減少更換或大修的次數，所以既要確定橋梁設計使用壽命，又要確定橋梁構件設計使用壽命，以作為橋梁及橋梁構件耐久性設計的依據。在考慮設計壽命時，需要著重從技術、經濟、功能三個方面出發，確定壽命終結標準。我國的橋梁大部分是結構構件形狀不定的混凝土橋梁，應該按照結構體系劃分構件，明確不同構件的耐久性類別、耐久性要求以及維修維護方式，然后使用壽命簡化公式計算設計使用年限，充分結合環境、養護管理、重要等級、更換難度等，獲得相對準確的構件設計使用壽命取值[4]。

2.5 結構材料質量要求

橋梁的耐久性與所處工作環境密切相關。在耐久性設計時，必須合理劃分環境類別，準確表達環境作用，充分考慮橋梁實際使用過程中受到的各類環境因素影響。橋梁結構材料需要根據環境類別、設計年限、作用等級等綜合因素合理選擇，能夠同時滿足承載能力和耐久性要求。比如，在環境類別和作用等級為Ⅰ-A 的情況下，如果混凝土結構橋梁設計使用年限為100 年，那么混凝土最低強度等級為C30；如果設計使用年限為50 年，那么混凝土最低強度等級為C25；無論在何種情況下，預應力混凝土構件的混凝土最低強度等級為C40。作為主要結構材料，鋼材的選擇也至關重要。對于6mm 的細直徑熱軋鋼筋，如果作為受力主筋使用，通常只能局限在一般環境條件下，而且對環境作用等級也提出了明確的要求。冷加工鋼筋不宜作為按塑性設計構件的受力主筋，也不宜作為預應力筋使用，如果直徑小于6mm，那么只能在Ⅰ-A、Ⅰ-B 等級的環境作用中作為受力鋼筋使用，而且構件設計使用年限要控制在50 年之內，在同一構件中的受力鋼筋，盡可能選擇同種材質，保證受力穩定、傳力良好。

2.6 結構具體構造設計

傳統的公路橋梁耐久性設計主要是從材料耐久性的角度出發，對于通過結構構造優化設計改善橋梁耐久性的研究相對較少，通過實踐表明，良好的構造設計能夠有效提高橋梁耐久性。鋼材腐蝕是降低結構耐久性的主要因素，而開始銹蝕的時間與混凝土保護層厚度密切相關。不同環境作用下，不同鋼筋的保護層厚度應該滿足鋼筋與混凝土之間黏結力傳遞及鋼筋防銹要求，在符合相關設計規范的情況下，考慮到目前的耐久性需求和施工技術水平，可以適當增加一定值，雖然可能造成表面裂縫寬度加大的問題，但是不會對開裂處鋼筋銹蝕產生明顯影響。做好鋼筋的布置與防護工作，可以采用焊接鋼筋骨架或更大直徑鋼筋，有效減少鋼筋數量，方便混凝土澆筑施工，避免出現鋼筋移位的情況；暴露在結構構件外的金屬部件需要做好防腐處理。公路橋梁結構構件的構造和形狀應該盡可能避免水、汽、有害物質的聚集。可以通過細部構造處理，獲得有效的防護效果。

水是發生鋼筋銹蝕、凍融破壞、堿-骨料反應的重要誘因，所以做好橋梁防水設計是提高橋梁耐久性的有效舉措。充分考慮橋面部分的防水施工，同時加強接縫、伸縮縫等部位的防水效果，保證水流被及時收集和排出。橋梁防水系統應該與周圍其他排水系統協調一致，并且要與其他構件一樣易于更換、維護、管理。

同時，合理設置橋面縱橫坡，橋面的橫坡一般采用1.5%～3%。做好橋面排水設計，排水管道直徑不宜小于15cm，保證設置排水管的截面積能夠滿足排水需求。盡可能不把排水管道澆筑在混凝土內，在合適位置設置滲水管、排水口，橋面鋪裝層下設置防水層，將滲透下來的水及時匯集到排水設施中。排水系統必須能夠抵抗一般化學物質侵蝕。另外，橋梁伸縮縫、支座的構造設計也非常重要，應該從可更換、可維修的角度出發，在設計使用年限內保持適用性，采取抵抗環境破壞的保護措施，并方便后續的更換、檢查、維護[5]。

3 結語

綜上所述，橋梁的安全性設計必須保證在正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下依然能夠滿足通行要求，這就需要加強外部作用荷載分析，提高結構承載能力和抵抗能力。橋梁的耐久性設計與安全性相比更為復雜，需要充分考慮不同階段各項影響因素，明確不同構件設計壽命，強化材料質量要求，做好細部構造處理，保持橋梁各項功能良好運行。