提高公路橋梁安全性和耐久性的設(shè)計方法研究

蘇巧嫻

（廣東大禹水利建設(shè)有限公司，廣東 汕頭 515199）

1 橋梁設(shè)計安全的組成

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)的安全性

橋梁結(jié)構(gòu)整體的牢固性和承受能力決定了橋梁的安全性。具體體現(xiàn)為：

1）橋梁結(jié)構(gòu)的整體牢固性：當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部破壞時，橋梁具有防止破壞擴(kuò)大而導(dǎo)致整體塌陷的能力。

2）橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力是指橋梁結(jié)構(gòu)可以承受各種負(fù)荷，主要包括承受溫度和濕度影響的能力。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性

橋梁的耐久性是指橋梁具有承受各種環(huán)境因素、人為因素等破壞和影響的能力。當(dāng)橋梁建造和使用時，會受到環(huán)境的影響、有害物質(zhì)的侵蝕、人為的破壞等，且隨著時間的推移，材料本身性能也會發(fā)生變化。因此，橋梁結(jié)構(gòu)會受到不同的損傷和劣化，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性[1]。

2 公路橋梁安全性和耐久性的必要性分析

橋梁在交通基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺，其安全性和耐久性均會對橋梁的運(yùn)營水平帶來影響。安全性可通過結(jié)構(gòu)負(fù)載等指標(biāo)衡量；耐久性與施工技術(shù)、材料質(zhì)量及維護(hù)管理等息息相關(guān)[2，3]。

若公路橋梁存在安全性或耐久性方面的問題，將嚴(yán)重影響車輛的正常通行秩序，埋下安全隱患。因此，掌握混凝土材料的耐久性能劣化過程，是混凝土橋梁耐久性研究的基礎(chǔ)；此外，為了確保建成的混凝土橋梁在使用期限內(nèi)有足夠的耐久性，就必須同步提升橋梁的耐久性施工技術(shù)和質(zhì)量控制方法。由此可見，對于公路橋梁的設(shè)計來說，應(yīng)該把安全性和耐久性作為重點(diǎn)考慮，并不斷進(jìn)行研究。

3 公路橋梁安全性和耐久性的設(shè)計方法分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計

橋梁上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮到全橋受力、技術(shù)可行性和成本等方面的需求。對于建設(shè)在平緩地形區(qū)的中小型橋梁，可采取簡支空心板結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠渚哂胁僮鞅憬?、跨度小的特點(diǎn)，所以，在保證橋梁質(zhì)量的同時還可減少成本投入。但是，考慮到簡支空心板橋梁在高海拔山區(qū)建設(shè)環(huán)境中缺乏可行性，且其不僅跨徑難以滿足施工要求，而且深溝高跨比在技術(shù)方面也缺乏合理性。

通常情況下，根據(jù)山區(qū)高速公路的建設(shè)條件，宜選擇預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)。同時，在設(shè)計工作中，還可以適當(dāng)加大跨徑，以發(fā)揮出預(yù)制T 梁結(jié)構(gòu)施工便捷、成本較低的應(yīng)用優(yōu)勢。但需注意的是，若T 梁作為曲線梁，此時該結(jié)構(gòu)的平衡受力能力則會偏弱且不具備足夠的抗扭能力，故產(chǎn)生的彎矩將會對下部結(jié)構(gòu)造成顯著影響，從而導(dǎo)致其形成不平衡力。鑒于此，在小彎矩曲線橋工程中，可采用直梁結(jié)構(gòu)，并在許可范圍內(nèi)適度調(diào)整翼緣板的寬度，以更好地優(yōu)化曲面橋的平面線形，盡可能緩解T 梁橋彎矩作用。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)主要發(fā)揮的是支撐作用。就下部結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，橋墩設(shè)計是較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需考慮到現(xiàn)場地質(zhì)和上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?，F(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的有柱式墩、雙薄壁墩等。

以柱式墩為例。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)勢在于施工便捷且整體觀感較好。在采取柱式墩結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需輔以加強(qiáng)措施，常用的加固方式有鋼管外包、增加橫截面、碳纖維材料加固等。一般來說，可采用橢圓形的鋼管進(jìn)行外包加固。如果采用碳纖維材料加固，則需確認(rèn)施工環(huán)境，并合理地安排施工、控制施工品質(zhì)。此外，還可以通過適當(dāng)加大墩底接觸地面的面積或采取加厚的方法，以提升墩底的支撐力與結(jié)構(gòu)的剛度和性能，避免橋梁整體出現(xiàn)負(fù)彎矩或結(jié)構(gòu)變形；同時，在采用加大橫截面進(jìn)行加固過程中，要保證加固部分能有效約束原有墩柱。值得注意的是，當(dāng)對橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固施工后，應(yīng)及時計算加固后的承載力，以評估加固效果。

3.3 隔震設(shè)計

隔震設(shè)計，需關(guān)注的要點(diǎn)：

1）隔震裝置是指設(shè)置于橋梁各安裝結(jié)構(gòu)間用來增加結(jié)構(gòu)阻尼并降低輸出能量的減震支座。受過往車輛以及地質(zhì)環(huán)境（地震等）的作用，橋梁的平穩(wěn)性將受到影響，因此，做好隔震設(shè)計至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，隔震設(shè)計普遍采用的是彈性反應(yīng)譜設(shè)計法，其存在特定的計算公式，經(jīng)計算后可確定隔震裝置的性能指標(biāo)，包含等效阻尼、等效剛度等。

2）遇不規(guī)則橋梁時，可采用時程分析法確定恢復(fù)力模型，加速度時程可以依據(jù)隨機(jī)合成的方式進(jìn)行，參考式（1）計算。考慮到震動的不規(guī)律性，每一組設(shè)計加速度時程要有3 條以上，且要保證兩時程間由式（1）定義的相關(guān)系數(shù)ρ 的值小于0.3，此時需重點(diǎn)考慮彈性裝置的工作能力，使其可維持穩(wěn)定。

式中，ρ 為定義的相關(guān)系數(shù)；N 為時程的加速度幅值總個數(shù)，當(dāng)兩個時程不一樣時，取其中小的時程；a1為計數(shù)點(diǎn)1 位移加速度，m/s；a2為計數(shù)點(diǎn)2 位移加速度，m/s；j 為第j 個頻率分量幅值。

3）附屬結(jié)構(gòu)。橋梁附屬結(jié)構(gòu)的類型豐富，較普遍的有伸縮縫、限位裝置等，經(jīng)時程分析法分析后可知，附屬結(jié)構(gòu)中的細(xì)部構(gòu)造為關(guān)鍵影響因素，此設(shè)計將直接對隔震效果以及動力響應(yīng)情況帶來影響。但部分設(shè)計人員并未充分考慮到結(jié)構(gòu)細(xì)部的優(yōu)化問題，加之附屬結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的發(fā)生機(jī)制較為復(fù)雜，因而難免導(dǎo)致在這方面的工作效果差強(qiáng)人意，影響細(xì)部構(gòu)造的合理性。

3.4 加強(qiáng)對橋梁疲勞損傷的檢查

公路橋梁的運(yùn)營環(huán)境較為苛刻，易受到行車荷載、自然降雨、河水沖刷等因素的影響，且隨時間的延長而出現(xiàn)受侵蝕的情況。另外，由于公路橋梁疲勞損傷的發(fā)生是一個持續(xù)性的過程，同時初期其影響相對微弱且不便于觀察，因此該現(xiàn)象很容易逐步影響到周邊結(jié)構(gòu)。不僅如此，若在后期維護(hù)過程中才發(fā)現(xiàn)問題，此時的疲勞損傷將直接對全橋的使用狀況帶來影響，若缺乏及時的處理措施，則極易發(fā)生結(jié)構(gòu)脆性斷裂等問題，造成不可估量的損失。

為有效規(guī)避橋梁疲勞損傷，必須在橋梁運(yùn)營階段做好定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，同時對該現(xiàn)象要給予高度的重視，分析成因并正確處理，從而將不良影響范圍降到最小，以進(jìn)一步保證橋梁具有足夠的安全性和耐久性。

3.5 以合理的方式使用材料

混凝土是橋梁結(jié)構(gòu)的主要組成元素，其質(zhì)量將對成橋施工效果帶來顯著影響。當(dāng)混凝土工程性能良好時，將十分有助于提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。對于混凝土質(zhì)量來說，配合比是影響的主要因素，因此必須嚴(yán)格控制水泥、水等各類材料的用量，從而更好地形成相互作用的混合材料體系。

為保證混凝土的配合比具有合理性，需在大面積施工前組織工藝性試驗(yàn)，并對比分析實(shí)際施工效果與設(shè)計要求的關(guān)系，同時根據(jù)實(shí)際施工的情況合理優(yōu)化配合比，來確定施工效果最佳狀態(tài)下的配合比控制標(biāo)準(zhǔn)。

確?；炷辆哂凶銐虻哪途眯裕善鸬饺缦滦Ч海?）有效保護(hù)鋼筋，以免其在與外界潮濕空氣等環(huán)境因子接觸后發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，充分發(fā)揮出鋼筋在橋梁結(jié)構(gòu)中的作用；（2）提高混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，以免其出現(xiàn)裂縫、破損等質(zhì)量問題。

3.6 做好橋梁耐久性的設(shè)計工作

橋梁設(shè)計是后續(xù)施工作業(yè)的關(guān)鍵“向?qū)А薄默F(xiàn)階段的橋梁設(shè)計工作狀況來看，設(shè)計人員重視安全性而忽略耐久性的情況依然存在，雖然成橋質(zhì)量達(dá)標(biāo)，但隨著使用時間的延長，將受到各類因素的影響。概言之，即由于橋梁耐久性欠佳，因此易導(dǎo)致其出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量問題。

影響橋梁耐久性的因素較多，自然層面包含雨水的沖刷與腐蝕、其他化學(xué)物質(zhì)的腐蝕、高強(qiáng)風(fēng)力的作用等；人為方面包含橋梁運(yùn)營階段車輛通行所產(chǎn)生的行車荷載，該因素較易影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，且伴有不同程度的損壞。由于各類因素的作用具有持續(xù)性，因此橋梁經(jīng)長時間的使用后會出現(xiàn)大量的質(zhì)量問題，而在此情況下采取防治措施所取得的成效甚微。

針對上述情況，為有效提高橋梁的耐久性，在設(shè)計階段就要充分兼顧各類影響因素，明確其對橋梁的損害程度，以主動的方式在最大限度上規(guī)避不良因素，從而提高橋梁在面對外界不良影響時的抵御水平；此外，還要將結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化、材料質(zhì)量的控制、施工方法的改進(jìn)等方面作為著力點(diǎn)，以切實(shí)提高橋梁的耐久性設(shè)計水平。

4 結(jié)語

社會經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展給公路橋梁建設(shè)事業(yè)創(chuàng)設(shè)了全新的契機(jī)，與此同時也對公路橋梁的質(zhì)量提出更高的要求，安全性和耐久性成為設(shè)計工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。本文以公路橋梁為基本對象，對其安全性和耐久性設(shè)計要點(diǎn)展開探討，希望可作為類似工程的參考。