Analysis and Discussion on Safety and Durability of Highway Bridge Design

1 引言

自20世紀(jì)末開始，我國(guó)公路橋梁工程進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，各類路橋工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著公路橋梁工程的運(yùn)營(yíng)，使用過程中需要面對(duì)各類復(fù)雜情況，橋梁耐久性會(huì)逐漸降低。而且，隨著各類車輛的增加，橋梁承載能力面臨越來越大的考驗(yàn)，各部構(gòu)件的老化速度也在加快。為提升公路橋梁的安全性、耐久性，需要在設(shè)計(jì)過程中加以重視，采取有效措施解決可能面臨的問題，從而保證公路橋梁工程建設(shè)質(zhì)量。

2 造成公路橋梁設(shè)計(jì)過程中存在的安全性、耐久性問題的主要原因

2.1 設(shè)計(jì)理論體系存在缺陷

當(dāng)前，公路橋梁工程設(shè)計(jì)理論更多的是針對(duì)橋梁靜態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各類設(shè)計(jì)理論體系對(duì)路橋工程完工后的性能參數(shù)關(guān)注比較多。然而，對(duì)于橋梁工程材料、結(jié)構(gòu)的物理性能、力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)隨結(jié)構(gòu)使用發(fā)生的變化缺乏分析，對(duì)公路橋梁靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造成本關(guān)注比較多，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的成本問題重視不夠【1】。

2.2 設(shè)計(jì)理念更新不及時(shí)

我國(guó)公路橋梁工程建設(shè)水平不斷提升，設(shè)計(jì)流程、技術(shù)也在逐步完善，但由于受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念影響，各類新型設(shè)計(jì)理念的接受程度不足，設(shè)計(jì)流程還需要不斷完善，造成公路橋梁的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)仍存在較大缺陷。實(shí)際開展橋梁工程設(shè)計(jì)工作中，更多的設(shè)計(jì)人員只考慮橋梁的安全性，將安全系數(shù)調(diào)整到較大層級(jí)，但對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的整體耐久性考慮不足，對(duì)于設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化意識(shí)不足，沒有合理控制橋梁構(gòu)造體系及應(yīng)力體系的合理轉(zhuǎn)變。

2.3 設(shè)計(jì)方案缺乏科學(xué)性

在進(jìn)行橋梁工程設(shè)計(jì)時(shí)，先要確定一種在經(jīng)濟(jì)方面、技術(shù)方面都可行的設(shè)計(jì)方案，并選擇相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求的安全系數(shù)來保障橋梁工程的安全性。但是，我國(guó)在橋梁工程的設(shè)計(jì)方案選擇方面仍存在需要改進(jìn)的地方。在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，橋梁工程師一般僅考慮橋梁結(jié)構(gòu)保證安全所需要的強(qiáng)度大小，而對(duì)橋梁工程的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)耐久性以及橋梁工程運(yùn)營(yíng)使用期間可能發(fā)生的人為因素和不可抗力因素對(duì)公路橋梁安全性、耐久性的影響重視程度不夠。比如，在設(shè)計(jì)橋梁工程施工方案時(shí)，橋梁工程師未對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)表面混凝土材料的厚度做統(tǒng)一規(guī)定，可能導(dǎo)致橋梁工程在施工完成后，橋梁結(jié)構(gòu)表面的混凝土出現(xiàn)厚度差異性較大的現(xiàn)象，在橋梁投入運(yùn)營(yíng)后可能會(huì)因壓力過大而出現(xiàn)混凝土板斷裂或橋梁坍塌等病害，這樣就會(huì)在很大程度上降低公路橋梁安全性和耐久性【2】。

2.4 設(shè)計(jì)規(guī)范性不充分

當(dāng)前，我國(guó)對(duì)于公路橋梁工程設(shè)計(jì)的方案、標(biāo)準(zhǔn)中不僅有過去成功的經(jīng)驗(yàn)，也有新制定的各類要求，這些項(xiàng)目更多的是對(duì)過去工作的總結(jié)，而我國(guó)橋梁工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜多變，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)工程實(shí)際情況進(jìn)行分析，改善標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)中的不合理問題才能更好地提升橋梁工程的安全性、耐久性。但實(shí)際操作過程中卻不能有效開展工作，導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范性較差，部分設(shè)計(jì)人員主觀性較強(qiáng)，不能嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范開展工作，導(dǎo)致公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范性差的問題。

3 改善公路橋梁設(shè)計(jì)安全性、耐久性的方法

公路橋梁工程建設(shè)期間，建設(shè)單位應(yīng)從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開始就要關(guān)注橋梁工程的安全性、耐久性，向各設(shè)計(jì)人員提出設(shè)計(jì)橋梁安全性、耐久性的工作要求，針對(duì)已有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面的優(yōu)化，促進(jìn)公路橋梁設(shè)計(jì)方案能夠更好地適應(yīng)和滿足建設(shè)單位需求。一般情況下，改善公路橋梁設(shè)計(jì)安全性、耐久性的方法主要包括以下4方面。

3.1 做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作

關(guān)注公路橋梁工程前期設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作，選擇具備相應(yīng)資質(zhì)的人員、機(jī)構(gòu)對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行深入、細(xì)致的水文、地質(zhì)勘查工作，充分掌握該區(qū)域的水文、地質(zhì)狀況，了解地下水賦存、區(qū)域環(huán)境氣候變化等規(guī)律。將公路橋梁后續(xù)維修保養(yǎng)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)過程中就深入研究、考慮，針對(duì)各類問題提前準(zhǔn)備解決方案，最大限度地改善橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，保證設(shè)計(jì)安全性、耐久性【3】。

3.2 考慮路橋疲勞損傷問題

公路橋梁運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)遭遇有害物質(zhì)侵蝕、氣候溫度變化的影響，而且還要承載車輛行駛、超載的荷載，地震、風(fēng)、雨、雪以及其他各類人為因素。這些要素都會(huì)造成橋梁內(nèi)部出現(xiàn)循環(huán)應(yīng)力，不僅造成橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振，還會(huì)引起橋梁內(nèi)部出現(xiàn)疲勞損傷問題。疲勞損傷、結(jié)構(gòu)振動(dòng)不斷積累會(huì)破壞橋梁整體，內(nèi)部損傷的宏觀表現(xiàn)為表層的裂縫，若能及時(shí)對(duì)公路橋梁進(jìn)行疲勞、損傷監(jiān)測(cè)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)表面裂縫進(jìn)行合理控制，就能避免橋梁結(jié)構(gòu)、材料出現(xiàn)斷裂問題。在公路橋梁設(shè)計(jì)工作過程中，需要重視橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷問題，關(guān)注整體結(jié)構(gòu)變化，關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)個(gè)別構(gòu)件可能出現(xiàn)失效的問題，對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、鋼筋構(gòu)件腐蝕問題進(jìn)行深入研究，以便在設(shè)計(jì)過程中有針對(duì)性地選擇有效措施，及時(shí)予以規(guī)避。

3.3 關(guān)注橋梁頻繁超載問題

公路橋梁實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要了解該工程中的超載原因，以便選擇最優(yōu)化的處理措施。一般情況下，公路橋梁的超載分為3種情況：公路橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間久、超出設(shè)計(jì)車流量、車輛頻繁違規(guī)超載等。公路橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)由于較為頻繁從超載問題積累出較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性損傷，最終甚至無法進(jìn)行修復(fù)。即使橋梁后續(xù)運(yùn)營(yíng)通車總量滿足設(shè)計(jì)車流量標(biāo)準(zhǔn)，且車輛都能合理控制載重量，不存在超載問題，隨外部因素變化，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布也會(huì)出現(xiàn)各種類型的變化，最終對(duì)公路橋梁的安全性、耐久性產(chǎn)生影響。橋梁結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下，可能出現(xiàn)面層開裂等問題，即使后續(xù)外在荷載卸除，表面的開裂問題已經(jīng)形成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞，無法自行恢復(fù)，橋梁構(gòu)件開裂的彎矩也在減小、強(qiáng)度也在下降，最終出現(xiàn)較大的形變或縫隙，嚴(yán)重影響公路橋梁的安全性、耐久性。因此，必須充分關(guān)注公路橋梁頻繁出現(xiàn)的超載問題，合理控制車流量，做好車輛違規(guī)超載情況的管控【4】。

3.4 研究安全性、耐久性設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

在進(jìn)行公路橋梁設(shè)計(jì)過程中，需要深入研究涉及安全性、耐久性的關(guān)鍵性技術(shù)。嚴(yán)格依照工程標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，確定公路橋梁的安全性、耐久性參數(shù)，明確各類施工技術(shù)工藝的選擇標(biāo)準(zhǔn)；通過對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)整體性進(jìn)行分析，有效控制各類材料的選擇、配制；通過對(duì)公路橋梁安全性、耐久性技術(shù)進(jìn)行深入研究，做好數(shù)據(jù)分析、處理、保存，為實(shí)際設(shè)計(jì)工作提供有力條件。

4 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁建設(shè)單位需要對(duì)安全性、耐久性予以充分重視，從根源上進(jìn)行管控，積極引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，不斷強(qiáng)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的各類安全性、耐久性要素。掌握公路橋梁設(shè)計(jì)過程中安全性、耐久性問題，采取有效措施進(jìn)行處理，提高公路橋梁整體建設(shè)質(zhì)量。