刍议公路桥梁设计关键技术及优化方法

2020-07-22李维

运输经理世界 2020年5期

文/李维

1 前言

在工程建设领域飞速发展的环境背景下，公路桥梁等基础设施的项目建设得到社会大众的广泛关注，设计工作与关键技术的应用面临着更高要求。对于道桥工程的施工作业来说，准确的数据资料与科学的设计图纸是最重要的技术支撑，因此在投入大量财力资源与人力资源的同时，应提高对工程设计的重视，采取一套完整有效的优化措施。

2 公路桥梁设计中的关键技术问题

2.1 耐久性问题

在完成公路桥梁建设工程的所有施工内容后，其普遍需要投入到长期的使用过程中，少则十几年，多达几十年，因此耐久性是道桥项目设计中的一项重点问题。设计人员需要对公路桥梁面临的实际使用情况、外部环境内存在的诸多因素进行全方位地细致考量，并针对竣工后期与使用阶段中的定期维修与养护工作规划科学的作业方案，将设计方案逐步完善，最大程度上防止公路桥梁在投入使用后出现各类故障问题，或引发严重的安全事故，对建筑自身的使用寿命造成影响。

从现阶段大部分道路工程项目施工设计的实际情况来看，在耐久性方面的规划与考虑均存在一些不足，导致桥梁在投入在正式的运营后，质量问题层出不穷，未能达到工程建设耐久性的标准要求。相比于方案设计中的使用年限，其实际使用期更短，两者之间出入较大。除此以外，前期准备阶段实地勘察作业落实不到位也是影响桥梁设计工作科学性的主要因素，设计人员忽视了对项目施工场地自然因素的充分考量。例如，当处于汛期阶段时，河流内的水流速度会大幅增加，带来猛增的过水量，若没能对此类问题予以严肃衡量，一旦当地有特大汛情出现，大规模的水流很可能会猛烈冲击桥梁，导致道桥受损[1]。

2.2 桥梁超载问题

通过观察并分析当前大部分公路桥梁的实际使用情况可以发现，超载问题的存在较为普遍。在高峰期等特殊时段内，桥梁上通行的车流量会迅速增加，并远远超过公路承载性能的设计标准，变化的交通运输量增加了道桥的荷载负担。与此同时，公路上还存在明显的车辆违规超载问题，即车辆的使用人员没有按照车辆的核定运载量标准，进行违法的超载运营。超载问题不仅会影响桥梁路面的使用效果，在经过长时间的使用过程后很可能会改变其内部主体结构的性能特点，与建筑材料的质量性状，严重时甚至会引发质量事故等安全问题。若公路桥梁主体结构由于负荷超载的问题遭到损伤，则无法自行恢复，这时以便处于正常的荷载压力下，桥梁的实际使用状态也会发生较大变化，久而久之导致自身的耐久性与安全性受到损害，整体使用寿命在超载问题的影响下快速缩短[2]。

2.3 安全性问题

对于公路桥梁建筑来说，安全性是设计、施工与使用的重点要求。因此在工程建设的设计阶段，必须在方案规划与图纸设计中充分体现出安全性的要素，并从多方面丰富项目施工的安全元素。但由于现阶段我国桥梁设计水平较为有限，在安全设计方面仍然存在着较多疏漏之处，一定程度上影响了公路桥梁的使用安全。例如，在设计并规划建筑的抗震结构时，没有严格参照所在地对桥梁抗震等级的具体要求标准，抗震设计不规范。当道桥建成并投入正式使用后，必然存在一定的安全隐患。除此以外，尽管部分设计单位对桥梁建筑的安全性进行了充分考量，但依然仅限于将强化结构强度性能放在核心位置，以满足主体部分的强度要求，难以保证设计方案的整体性，这对于桥梁安全性设计的优化具有不利影响。

2.4 美观性问题

在公路桥梁设计作业中，除了满足适用性的设计要求，还应提高对建筑外观美观性的重视，提高道桥工程建设的艺术层次。在选择与比较各种不同的设计方案时，美观性也是重点的决定性因素之一，要切实提升桥梁设计水平，应将艺术性到实用性的过程充分展现出来。但当前大部分公路桥梁设计普遍忽视了艺术性问题，缺乏对美观性的全方位考量，当完成桥梁的建设作业后，给人感觉美感不足。放眼于其周边环境与自然景观，两者风格迥异，难以达到融为一体的视觉效果，达不到工程设计的艺术性标准。

3 优化公路桥梁设计关键技术的有效策略

3.1 做好调查研究准备工作

公路桥梁工程项目建设涉及的施工内容较多，作业步骤较为繁琐。因此，要保证建造质量，施工单位应预先做好实地调查与研究分析等准备工作，获取相关的批准指标后，组织专业的勘察队伍与相关的设计人员，深入到桥梁建设的施工场地，全面了解并掌握当地的自然条件、地质情况与人文环境等，第一时间收集并整理准确有效的数据信息与考察资料，在根据拟建公路桥梁的建设要求，结合现有的技术工艺等施工条件，以满足工程建设需求为基准，设计科学可行的施工方案与规划图纸。尤其是在道路工程建设工期较短、路线较长的情况下，应提高对建筑耐久性的重视，积极采用现代化、实用性的设计手段，将桥梁设计方案不断完善[3]。

3.2 完善耐久性设计

耐久性是公路桥梁设计中的一项重要因素，设计人员应站在实际使用的角度审视并判断现有结构设计方案存在的不足与问题，重视耐久性方面的考量，深入研究桥梁建筑与结构方面的安全指标，例如在使用与运营过程中，道桥涵盖的各项安全防护元素、需要满足的安全指标标准以及损耗或破坏建筑结构的外部因素等。确保工程建设施工竣工后，各部分的安全性能符合相关的规定要求。除此以外，风力、雨水等可能会长期腐蚀公路桥梁，锈蚀其外部的钢铁类结构等。因此设计人员应对此类外部环境内的影响因素予以特别注意，结合当地的环境条件等具体情况，分析并研究有效的防护措施，最大化削弱桥梁疲劳与损伤程度。车辆荷载与风荷载是道桥建筑承受的主要荷载，两者产生的应力作用会在内部结构中循环变化，从而不但振动桥梁主体，时间越长，桥梁的损伤与疲劳程度越严重。设计人员应从控制应力的角度着手，避免损伤范围的扩大与累计，防止整体结构出现宏观性裂缝或断裂坍塌等严重问题，保障公路桥梁的正常使用，强化其耐久性。

3.3 提高对桥梁超载的重视

超载问题的普遍存在对公路桥梁设计提出了更高要求，如何将路面结构的承载能力大幅提升是设计人员面临的主要课题。在车辆超载的长期作用下，桥梁的路面部分与内部材料必然受到一定程度的损伤，仅仅依靠后期的简单维护是难以达到良好的修复效果的，除此以外，建筑的整体质量与使用效果也会显著下降。因此在工程建设的设计阶段，应将道桥的强度设计与整体规划予以进一步完善，切实提升道路路面与内部结构的抗弯拉性能。要有效避免路面在实际使用过程中出现断裂问题，或存在拼接裂缝，设计人员需对混凝土工程的施工设计提高重视，合理选择并确定相关的施工材料与混合料配比等，将裂缝产生的概率降到最低，保证公路桥梁工程整体强度与稳定性的大幅提升。

通行车辆与道路路面之间会存在共振现象，要削弱共振问题对桥梁结构带来的不良影响，可将加设减震器等设施，干扰共振波，并阻止其波动作用力的不断增强，有效控制共振现象的持续时间，达到减轻共振效应的目的。除此以外，还可以采用设置截面的方法，借助于相互连接的叠放板，作为道路路面的构成主体，阻碍并延缓共振振动波在桥梁内部的扩散与传播，实现对公路桥梁整体的有效保护。

3.4 选择使用的结构设计方案

借助结构设计方案的选择是设计工作阶段的重点环节，其对于后续的工程施工作业与公路桥梁的正式使用具有直接影响。目前我国桥梁结构设计形式主要分为两种：一是标准跨径桥，二是大跨度桥梁。相比于标准跨径桥的工程施工，大跨度桥梁的一系列建设指标较为不同，涉及的控制因素也存在较大差异，因此结构设计方案的选择也具有一定的独特性。标准跨径桥结构设计的个性特征较弱，但与大跨径桥之间也存在许多共性特征。在选择公路桥梁的设计方案时，需全方位考量技术条件、经济性等多方面因素，若需要拟建标准跨径桥，则其需要使用的技术较为简单，应用方便，经济性更强，显著的优势特点使得此类结构设计得到广泛应用。而大跨径桥梁工程建设环节更为复杂，涉及的技术工艺使用难度高，因此这类设计方案应用较少。设计人员需要以工程建设施工的实际情况为出发点，选择最实用、最优质的经济性设计方案，为公路桥梁的建造质量提供基本保障。

3.5 丰富抗震设计

抗震设计是道桥工程设计中的一项重要内容，设计人员在开展抗震设防相关的规划设计时，需严格依照公路工程抗震设计的标准规范，参照项目所在地的抗震等级要求，从而明确桥梁结构设计需要满足的抗震分级。要进一步提升桥梁整体的抗震性能，应系统研究主体结构的不同形式，对每种构造形式的承载能力与受力特点予以详细分析与综合总结，计算发生地震时桥梁承受的实际荷载与应力作用大小，确保其在满足抗震要求的基础上具有更好的安全性，防止地震破坏公路桥梁的上部结构，导致其出现落梁现象，或是损坏桥墩与支座部分，使得支座脱落。桥梁下部结构也是强化抗震设计的主要目标，避免过大的作用力折断墩台，或致使其出现倾斜、倒塌等现象，从而引发桥基基础发生倾斜与沉降。

3.6 提升结构设计美观性

设计人员应在公路桥梁工程的设计中加强注重丰富结构美感，充分融合设计要点与现代艺术，站在艺术创作的角度完成整个桥梁的设计工作，从而借助于外部线条与结构构造将建筑作品的美观性完全体现出来。在满足实用性要求的基础上，让桥梁设计沾染艺术气息，达到兼具美观性与科学性的完美效果。与此同时，道桥工程设计应与项目建设所在地的自然环境、文化内涵形成深度契合，促使桥梁的人文特色与文化价值进一步提升，提高设计层次与设计质量。