公路橋梁設計中的安全性及耐久性研究

胡志剛

（江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330052）

0 引言

橋梁的安全性和耐久性是公路橋梁結(jié)構(gòu)設計的重要組成部分，對城市基礎設施現(xiàn)代化建設具有至關(guān)重要的作用。對此，設計單位和相關(guān)人員需要給予高度重視，通過科學的設計方案提高橋梁的安全性和耐久性，推動公路橋梁建設的高質(zhì)量發(fā)展。

1 公路橋梁的安全性及耐久性概述

橋梁的安全性是指橋梁在正常施工和正常使用條件下，承受可能出現(xiàn)的各種作用的能力，以及在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，仍保持必要的整體穩(wěn)定性的能力。在公路橋梁建設中，設計過程尤為關(guān)鍵且重要，公路橋梁設計是對橋梁工程所需要的技術(shù)、資金、資源、環(huán)境、設備、材料等條件因素進行綜合分析論證，并在此基礎上編制橋梁設計文件，從而為公路橋梁實際施工提供指導和規(guī)范的一項工作。公路橋梁的實際設計水平將會在很大程度上給車輛行駛的安全性、耐久性、舒適性、環(huán)保性、經(jīng)濟性以及美觀性帶來非常直接的現(xiàn)實影響。因此，相關(guān)設計人員要充分重視公路橋梁設計工作的開展，并以安全性與耐久性為重點進行設計，確保公路橋梁能夠發(fā)揮其最基本的功能作用。橋梁耐久性是指橋梁在正常使用和維護條件下，隨著時間的延續(xù)仍能滿足橋梁既定功能的能力，通俗地講也就是橋梁的使用周期。雖然公路橋梁的安全性和耐久性屬于兩個不同范疇，但都會給人們的出行安全構(gòu)成直接的威脅。同時，公路橋梁具有投資巨大、施工建設周期長等特點，在建設施工前并未做好全面系統(tǒng)的規(guī)劃與設計，就容易在施工中出現(xiàn)現(xiàn)場秩序混亂、交叉施工、施工進度不達標等問題，嚴重情況下還會影響到公路橋梁的經(jīng)濟效益與社會效益。因此，在公路橋梁設計時，必須對安全性與耐久性進行重點分析研究，確保公路橋梁設計的科學性與合理性，保證其能夠滿足實際使用需求。例如，城市高架橋投資大、工期長，如果不對工程進行全面的規(guī)劃和設計，很可能出現(xiàn)交叉施工組織困難，施工場面混亂等問題。因此，在公路橋梁的規(guī)劃時，相關(guān)部門和人員應綜合借鑒相關(guān)資料，并做好實際的調(diào)研和考察，尋找當前公路橋梁的設計缺陷，改變傳統(tǒng)設計理念和提高認知能力，做好相應調(diào)節(jié)工作，確保公路橋梁的設計科學[1]。

2 公路橋梁設計關(guān)于安全性及耐久性的現(xiàn)狀

在公路橋梁設計中，大部分公路橋梁的設計思想和規(guī)劃設計僅注重橋身結(jié)構(gòu)和靜載狀態(tài)，部分設計人員和技術(shù)人員在安全性和耐久性兩個方面缺乏考量，而側(cè)重公路橋梁設計方案技術(shù)參數(shù)，缺少對環(huán)境因素、特定工況、橋梁工程施工的具體分析，致使公路橋梁的安全性和耐久性不能得到改善，在公路橋梁的規(guī)劃和施工中，還存在著安全性和耐久性不足的問題。在公路橋梁設計中，設計理念因素會直接影響到公路橋梁的安全性與耐久性。雖然近些年我國公路橋梁施工技術(shù)與工藝水平得到顯著的提高，但從整體角度進行分析，公路橋梁設計理念并未實現(xiàn)創(chuàng)新，也并未與施工技術(shù)與施工工藝實現(xiàn)同步發(fā)展，我國當前在公路橋梁設計中所體現(xiàn)的設計理念與國際先進水平相比仍存在較大差距。設計理念滯后會直接影響到公路橋梁設計工作人員開展設計工作，當公路橋梁在設計過程中采取過大的安全系數(shù)，就會導致公路橋梁在材料用量、材料標號以及構(gòu)件尺寸方面存在較大誤差，不僅會增加公路橋梁施工建設的經(jīng)濟成本，還會降低公路橋梁的耐久性能。公路橋梁對于管理養(yǎng)護與運維有著非常高的要求，要求設計人員在設計時既要重視細節(jié)方面的設計，又要重視整體結(jié)構(gòu)的設計。需要設計人員樹立相應的檢測意識，充分調(diào)查一切可能對公路橋梁安全性與耐久性產(chǎn)生影響的因素，如路橋超載、路橋疲勞損傷等，才能降低設計方案不合理導致的公路橋梁工程質(zhì)量問題。除此之外，公路橋梁在設計的過程中有著諸多規(guī)定，其既要保障設計的美觀性與經(jīng)濟性，要保證設計的技術(shù)性與適用性，還要保障設計的可靠性、安全性與耐久性。設計人員在公路橋梁設計時，經(jīng)常會出現(xiàn)設計美觀但使用壽命短、設計方案雷同等問題。這對設計人員的綜合素質(zhì)有著較高的要求，如果設計人員的綜合素質(zhì)達不到相應標準，就無法勝任公路橋梁的設計工作，同樣也會降低公路橋梁的安全性與耐久性[2]。

設計方案的科學性能夠直接影響公路橋梁設計的安全性和耐久性。一般而言，在公路橋梁的實際設計過程中，設計師要能夠針對該橋梁工程的可行性、施工建設成本控制、施工設備材料選擇等多個方面進行綜合分析考量，并根據(jù)國家與行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)與標準規(guī)范確定安全系數(shù)。但就目前而言，在我國偏遠地區(qū)或自然環(huán)境條件較為惡劣地區(qū)，低等級公路橋梁設計方案的選擇較為單一，并未根據(jù)多方面實際情況對設計方案進行優(yōu)化調(diào)整。公路橋梁設計方案存在著過于側(cè)重安全性設計，忽視了公路橋梁施工建設成本、后續(xù)升級、后期養(yǎng)護等方面情況，導致公路橋梁在使用期間容易受多方面影響，使得公路橋梁安全性與耐久性無法達到設計預期目標[3]。

3 強化公路橋梁設計中的安全性及耐久性的有效策略

3.1 優(yōu)化設計理念

在公路橋梁設計過程中，設計人員不但需要對橋梁恒荷載計算考量，還應該對最大活荷載合理估計，在公路橋梁工程使用壽命與安全系數(shù)上合理設計，嚴格按照設計規(guī)范的要求。在公路橋梁設計中，相關(guān)人員需要結(jié)合橋梁建造環(huán)境和實際建造條件，對構(gòu)建適應性、限制條件作出深入研究，從而選擇更加科學適合的橋梁結(jié)構(gòu)類型、材料和工藝技術(shù)，優(yōu)化橋梁安全性、耐久性方案和措施設計，確保滿足設計規(guī)范要求，為橋梁施工質(zhì)量提供有力保障。只有保證設計的科學化，才能保證橋梁的質(zhì)量和穩(wěn)定性[4]。橋梁設計過程如圖1 所示。

3.2 完善設計方案

在對公路橋梁進行設計前，相關(guān)工作人員需要提前針對公路橋梁的結(jié)構(gòu)、選材以及承載力等方面展開全面的調(diào)查研究。在結(jié)構(gòu)選材方面，設計人員需要依照公路橋梁施工現(xiàn)場的地形地質(zhì)條件與自然氣候等因素，科學選擇公路橋梁結(jié)構(gòu)與施工材料，確保結(jié)構(gòu)性能能夠滿足使用要求，材料符合施工建設標準與需求。在實際施工過程中，設計人員應在必要時對施工現(xiàn)場進行指導，從而保障公路橋梁施工建設質(zhì)量水平[5]。對公路橋梁而言，其在長期通車運營的情況下，必然會出現(xiàn)裂縫、傾斜等結(jié)構(gòu)性問題，從而會直接威脅到橋梁自身的穩(wěn)定和安全。在這樣的現(xiàn)實情況面前，設計人員一定要能夠使用一些較為先進的技術(shù)對實際的設計方案進行模擬試驗，從而直觀分析公路橋梁在長期使用情況下的疲勞損傷情況，有針對性地優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設計，提高橋梁設計圖定的耐久性和安全性參數(shù)指標，力爭實現(xiàn)成本效益的最大化。除此之外，公路橋梁在設計過程中還需要關(guān)注和重視未來交通運營需求，設計人員應依照和根據(jù)公路橋梁所在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、人口規(guī)模、交通情況、城市分布等多方面因素對潛在的交通量展開精確的測算，科學地確定橋梁的整體結(jié)構(gòu)尺寸等比較細節(jié)的參數(shù)信息[6]。

3.3 在設計過程中科學地使用材料

在公路橋梁設計中，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及橋梁耐久性方面，混凝土的使用尤為重要。混凝土分為很多種，每一種都有不同的特點，能夠起到不同作用。對大橋來說，更多的是使用高性能的水泥。在公路橋梁設計中，環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的科學應用，能夠最大限度地減小周圍環(huán)境給公路橋梁帶來的腐蝕性，使其使用年限得到合理延長，提升耐久性。同時，錨頭區(qū)也很容易出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象，重者還可能引發(fā)橋梁坍塌等事故。針對防腐材料的科學選用應給予足夠重視，以此盡可能地減少周圍環(huán)境對橋梁的腐蝕。傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)過程繁雜，并且對資源的消耗極大，而且伴隨噪聲。假如適當采用綠色高性能混凝土替代傳統(tǒng)的水泥混凝土，能夠在促進減少能耗的同時，降低工程造價。構(gòu)件保護層厚度的控制一定要科學合理，要基于對地區(qū)、環(huán)境、構(gòu)件實際需求的綜合分析來合理控制保護層厚度。此外，為提升構(gòu)件耐久性，混凝土強度設計也是至關(guān)重要的，若施工中選用的水泥是低強度的，但配置的混凝土卻是高強度的，就會導致水泥用量的顯著增加，這樣不僅浪費資源，也極易引發(fā)裂縫，相反也會出現(xiàn)諸多問題。所以，混凝土強度設計是否科學合理也是不容忽視的[7]。

3.4 加強橋梁施工管理

在公路橋梁設計中，提高橋梁工程建設的管理水平就是要組建一支技術(shù)精湛、管理嚴密的隊伍。在建設工程中，相關(guān)部門應設立一個類似工程項目管理小組形式的組織機構(gòu)，由具有較強技術(shù)素質(zhì)的人才擔任負責人，對整個工程的各個環(huán)節(jié)實施監(jiān)控，必要時組織專家進行檢查，以保證大橋的質(zhì)量。在高速公路橋梁的設計中，由于其承受的荷載和受力都很大，很容易引起內(nèi)層的循環(huán)地應力，從而引起疲勞破壞，隨著疲勞破壞的持續(xù)積累和擴展，會引起高速公路橋面的開裂。在這樣的情況下，若未采用科學對策對裂縫進行補救，會導致公路橋梁發(fā)生裂縫、塌陷等現(xiàn)象。對此，相關(guān)部門應全面分析橋梁損傷特性從而進行設計工作，并且以公路橋梁疲勞損傷的實際特性為切入點，對公路橋梁的總體特性進行分析，采取相應的技術(shù)措施予以預防?，F(xiàn)階段，管養(yǎng)單位高度重視公路橋梁疲勞損傷問題，并且已主動采用多種方法對該現(xiàn)象開展有效管控，有益于避免公路橋梁發(fā)生各類安全事件。

3.5 注重路橋的超載問題

在公路橋梁設計中，需要重視車輛超載對路橋的影響。車輛超載會導致路橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷嚴重，維修也存在較大困難。如果超載現(xiàn)象比較嚴重，橋梁的部分結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)破壞情況，這就容易引發(fā)安全問題。另外，橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷不容易被及時發(fā)現(xiàn)，“帶病工作”會對其他部位造成影響，橋梁應用期間的安全性和耐久性無法得到保證。在設計方案中，要充分考慮到車輛超載，對其進行針對性的控制，提高設計效果。要促進社會層面提高對橋梁超載問題的關(guān)注程度。橋梁過載會造成疲勞加速，結(jié)構(gòu)的疲勞應力急劇增加，從而加劇損傷，甚至破壞。由于過載引起的損傷往往難以解決，會導致橋梁在正常使用條件下的工況發(fā)生變化，從而對橋梁的安全性和壽命產(chǎn)生不利的影響[8]。

3.6 強化后期養(yǎng)護

相關(guān)人員在公路橋梁設計過程中還要考慮材料的選擇對公路橋梁安全性能與耐久性能的影響，科學選擇防腐材料，優(yōu)化保護層設計，能夠顯著提高公路橋梁安全性與耐久性。公路橋梁選擇環(huán)氧樹脂土層鋼筋作為主要材料，能夠提高其抗腐蝕能力，并降低后期養(yǎng)護成本，延長其使用年限。除選擇防腐材料外，設計人員還需要加強保護層設計，提高公路橋梁的抗腐蝕性，保護層能夠防止鋼筋與空氣接觸，減少鋼筋構(gòu)件的碳化與氧化情況。增加保護層厚度，能夠提高其防腐性，但設計人員也需要合理增加保護層厚度，過厚的保護層會影響到公路橋梁其他方面的性能。在公路橋梁建成后，相關(guān)人員應關(guān)注和重視橋梁后期的養(yǎng)護工作，養(yǎng)護工作的有效開展能夠防止有害物質(zhì)進入公路橋梁內(nèi)部，并延緩公路橋梁外部的侵蝕，通過采取公路橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)，有效完善公路橋梁養(yǎng)護工作，從而保障和提高公路橋梁的安全性與耐久性[9]。公路橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)構(gòu)建如圖2 所示。

圖2 公路橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)語

綜上所述，在公路橋梁設計中，保證其安全性及耐久性是工程建設的重要前提和建造結(jié)果的必然要求，相關(guān)人員需要高度重視，“百年大計、質(zhì)量第一”，為的就是安全和耐久。抓工程質(zhì)量要從工程設計這個源頭抓起，通過采取科學的方式分析技術(shù)要點，優(yōu)化公路橋梁安全性設計和耐久性設計，從而促進城市現(xiàn)代化建設愈發(fā)完善。