对公路桥梁设计安全的探讨

罗昌维，杨福基

（1. 深圳高速工程顾问有限公司，广东 深圳 518000；2. 重庆市渝达公路桥梁有限责任公司，重庆 402160）

1 前言

近些年来，我国公路工程的建设规模不断发展壮大，各种公路工程施工任务逐渐增多，而公路桥梁工程的建设也随之占据越来越多的分量。桥梁工程的质量好坏评判标准是：是否具有其应有的结构强度、刚度、稳定性和耐久性。而公路桥梁在建设和运用过程中，除了受环境、有害化学物质的破坏以外，还要承受过往车辆、风、疲劳、超载或人为等因素的影响，同时桥梁本身采用的材料也在不断发生退化现象，其内部结构也产生不同程度的损坏和劣化。因此桥梁的设计是决定桥梁的安全性和耐久性的重要因素。

2 桥梁设计安全的构成

桥梁的安全性和耐久性是桥梁设计者永远追求不变的宗旨。所谓安全性是指结构防止破坏倒塌的能力，主要体现在结构构件承载能力和结构的整体牢固性上。耐久性是指结构抵抗外界环境、有害化学物质侵蚀的能力。

2.1 桥梁结构的安全性

桥梁结构的安全性主要体现在结构的整体牢固性和构建的承载能力两个方面：

（1）桥梁结构的整体牢固性是指结构不应出现与其原因不相称的破坏后果，即在桥梁结构出现局部破坏的情况下，避免发生大范围连续破坏倒塌的能力。结构安全性良好的桥梁，依靠结构具有的优良的延性和必要的冗余度，在对付地震、爆炸等灾害或因人为差错导致的灾难方面，能够发挥较大作用，有效减轻灾害损失。

（2）桥梁结构构件承载能力是指桥梁结构具有的承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用的能力。负荷超载，是对桥梁结构构件承载能力的最大威胁，主要体现在以下两方面：①时间的超负荷或超载，会使桥梁应力幅度加大、损伤加剧，甚至会导致结构破坏事故；②由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性。

2.2 桥梁结构的耐久性

在桥梁结构的设计与施工规范中，人们往往把重点放在各种荷载作用下的结构强度要求，而对环境因素作用下的耐久性要求则相对考虑较少，实际上这样做存在很大的弊端。因为桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀及人为因素等外来作用，加之桥梁所采用材料的自身性能不断退化，各种因素的综合作用最终导致结构部分不同程度的损伤和劣化，从而影响了桥梁各结构的耐久性。因此切实改善桥梁耐久性是十分必要的，必须要对其给予高度的重视。

3 桥梁安全性、耐久性差的原因

3.1 设计理论和结构构造体系不够完善

桥梁结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并采用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。但是，在实际工作中，在桥梁设计领域特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题上我们还有许多可以改进的地方，主要体现在以下两方面：

（1）设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视对结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性的关注。

（2）在桥梁设计、施工到使用的全部过程中经常出现的人为错误，比较普遍的有：对结构整体性和延性不足；计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄等，这些都削弱了结构耐久性，严重影响了结构的安全性。

3.2 施工和管理水平未达标

通过对国内外多座出现安全性和耐久性问题，最终发生恶性事故的桥梁进行认真研究，可以发现导致事故的最主要原因是野蛮施工和管理腐败，施工和管理水平未达到规范和设计要求，从而对桥梁安全造成致命的损害。施工方面的问题体现在材料强度不足和施工工艺不合格；而管理方面存在偷工减料、以次充好等问题，性质更为严重，产生的危害也更大。

4 提高安全性、耐久性的措施

4.1 合理选择结构设计方案

合理的结构设计方案，可以有效提高桥梁的安全性和耐久性。桥梁的结构设计形式主要分为大跨度桥梁和标准跨径桥。大跨径桥梁由于控制因素不同，方案也各不相同，具有较强的个性特征，而标准跨径桥则更多的是具有共性特征。在实际工作当中，很少采用大跨径桥梁的设计方案，标准跨径桥因为具有施工方便、造价经济的标准化、预制装配等诸多优点，应用最为广泛。

4.2 在设计过程中，科学使用材料

钢筋混凝土的质量和合理使用对桥梁的安全性具有极其重要的作用。钢筋混凝土的质量直接影响到结构的适用性、安全性和耐久性。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。桥规JTGD62明确规定了不同使用环境下，结构混凝土的基本要求、对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定，这是桥规JTGD62对公路桥涵结构耐久性设计的基本要求，设计时必须严格遵照执行。提高混凝土结构耐久性最关键的是以下两方面：①加大钢筋的混凝土保护层厚，保护钢筋免于锈蚀；②防止和控制混凝土的裂缝。

除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外，更重要的是要采取构造措施，从根本上控制混凝土施工及使用过程非工作裂缝的大量出现。桥规JTGD62突出强调了加强水平防缩钢筋和箍筋在控制裂缝中的作用，提高水平防收缩钢筋的配筋率和箍筋间距的规定，是防止和控制收缩裂缝的重要构造措施。

4.3 提高对桥梁结构耐久性设计的重视程度

由于桥梁在建造和使用过程中，必然会受到环境、有害化学物质的侵蚀，承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，这些因素最终将导致桥梁结构各部分发生不同程度的损伤和劣化。特别是在大跨径桥梁领域，目前我国已有多座大跨径斜拉桥因为拉索的耐久性问题而提前换索，不仅影响了桥梁的正常使用更造成了不小的经济损失。发生这类现象，存在设计上的缺陷，特别是没有进行合理的耐久性设计是重要因素。我们只有切实提高对桥梁耐久性设计的重视，才能有效避免此类现象的发生，有效提高桥梁的使用寿命。

4.4 杜绝桥梁超载

桥梁超载主要有3种情况：一是早期修建的老桥超龄负载运营；二是桥梁通行的车流量超过原设计；三是车辆违规超载。从超载的原因来看，老桥超龄负载和车流量超载主要是设计荷载的变化和交通量的增加；车辆违规超载主要是车辆使用者违法超载营运。在实际生活当中，车流量超载、车辆违规超载现象在我国公路运输中较为普遍。桥梁超载危害性极大：一是引发桥梁疲劳，超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至导致结构破坏事故；二是由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，促使桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，最终危害桥梁的安全性和耐久性。

5 结束语

综上所述，桥梁安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题，不能忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性进行设计。应积极借鉴国外成功的经验和做法，目前国内的设计除考虑了建造成本，注重设计建成时具有的工作能力和性能外，也应重视营运期的维护成本与使用寿命相对应的成本效益，并且加强从桥梁设计理念、结构体系和构造的角度做好耐久性的设计。