中小跨径桥梁结构设计问题探析

2020-09-23丁强彭侃

运输经理世界 2020年12期

关键词：跨径耐久性结构设计

文/丁强、彭侃

1 前言

在中小跨径桥梁结构设计环节，对桥梁结构的稳定性与安全性要求非常高。在具体设计时，相关人员需要按照桥梁工程的选址情况设计出技术先进、合理的方案，以保证后期情况建设的质量与经济性达到预期要求。

2 总体设计原则

在目前的大型或者特大的桥梁项目中，桥位应该达到运营的路线要求，并且将其作为主要控制点进行综合考虑分析。从专业性出发，制定切实可行实施方案，同时进行优化与整改处理。

跨径尺寸确定时，需要保证高跨比达到协调性的要求，符合美观性、经济性的标准，实现工程和环境的协调与统一。

结构形式应该达到统一性的要求，并且尽量采取工厂化、标准化、装配化的特点要求，尽量降低工程造价，缩短项目周期，提升经济效益。

根据地势与地质条件的标准，选择合适的桥跨位置，避免因为跨径设置不合理而导致墩台要进行大量开挖施工，进而有效预防严重地质灾害影响的出现[1]。

尽量避免设置斜桥，特别是角度超过45°的斜桥，另外可以选择使用错孔、增大跨径等方法进行。但是在河流与桥梁斜交的情况下，为了防止发生阻水，外面需要通过斜桥斜做的方法。

3 桥梁结构设计问题现状

3.1 结构的耐久性问题

我国的桥梁设计人员总结经验教训，考虑到工程的实际情况，使得结构设计得以优化。但是有些研究会更加注重材料与统计方面的分析，并没有在结构设计中考虑到耐久性方面的效果。在工程的实践中，因为环境因素干扰影响，耐久性成为桥梁设计中重要的考虑到因素；同时，其也是需要达到性能的核心要素，但在具体施工时往往因为施工操作不当容易导致耐久性不达标。

比如，受力计算分析就有着严重的缺陷，特别是一些特殊位置的受力分析计算，其效果很差，并不能达到桥梁的使用需要。导致该问题的原因就是设计人员经验不足，仅仅从理论角度出发进行设计，没有综合分析工程的具体情况，进而造成设计图纸有明显的不足，桥梁工程的质量、耐久性等方面无法满足标准要求[2]。

3.2 桥承载能力设计方面的问题

钢筋混凝土与预应力混凝土桥梁的承载性能设计尤为重要，根据当前我国的公路桥梁设计标准要求，相关人员需要考虑到极限条件以及正常工作状态。承载能力极限状态是即将发生损坏的状态，以计算钢筋砼的理论参数为基础进行，构件不被损坏的最大承受能力，这是极为重要的桥梁性能技术参数。

桥梁结构在达到正常极限运行的条件下，一般在计算中会选择使用弹性理论或者碳素理论进行。在结构应力计算阶段，要从裂缝、变形方面的数据分析出发进行，保证结构或者应力不会超出使用的极限，且正常运行不被损坏，因此相关人员要从耐久性、工作状态方面出发进行施工。

通常情况下在桥梁设计中，设计人员会更加关注承载力极限状态的设计，结构抗力并未从实际情况考核控制，也没有重点关注极限状态指标参数。在结构使用的周期范围内，最为关键的是考虑使用的性能，这是提高结构安全性的关键所在[3]。

3.3 桥梁结构的抗震性能

桥梁工程项目处于地震区，如果发生地震灾害，会给桥梁结构产生严重的损坏影响，且桥梁设计中已经详细分析了动载荷所产生的作用，所以在达到动载荷标准下，桥梁还应该满足抗震性的要求，并实现两者的统一。

桥梁结构的抗震性是重要的指标，其要求也非常高，因此施工必须要满足桥梁的质量标准，且各个细节部分都不能存在安全隐患。比如在施工工艺改进的过程中，应该保证基础结构和内部材料组合能够成为整体结构；桥梁支座锚固处理，墩台与基础部分的连接强度性能够合格；根据需要增加配筋的数量，提升结构延性；如果桥梁结构处于基础性能较差的土层条件中，可以根据需要做好替换处理或者加强土体结构强度；对于桥梁结构的抗震性能不足的情况，应该进行必要的结构整改处理。桥梁结构设计必须要将抗震性作为重要的指标，不能仅满足动载荷的要求，还要保证地震发生后不会产生严重损坏。

4 中小跨径桥梁结构设计问题的解决对策

对于中小跨径桥梁结构设计而言，考虑桥梁结构的耐久性与承载力以及抗震性是非常关键的设计指标内容，以下是本文对这方面的设计措施进行的分析。

4.1 桥梁耐久性设计要点

在混凝土结构桥梁设计过程中需要严格执行耐久性设计标准，全面考虑混凝土结构的使用寿命，并结合具体的结构体系、防护方法确定设计方案，以此最终符合使用寿命的要求，满足桥梁的运行实际需要[4]。

充分了解钢筋混凝土应用中使用寿命的影响因素，主要从温度、应力、裂缝方面出发，准确判断其使用寿命的长度，然后了解耐久性参数，确定符合使用要求的应对措施。适当增大混凝土保护层厚度尺寸，保证钢筋混凝土的寿命满足要求，是最为直接且经济效果最好的方式。但是保护层厚度也不能毫无限制的增加，在比较厚的情况下，因为混凝土材料有脆性、收缩性，极易导致保护层发生裂缝损坏，另外还会使其失去保护效果。

根据研究结论分析可以发现，在相同条件下，存在裂缝的钢筋混凝土结构部件，发生主筋腐蚀的速度为没有裂缝部件的3 倍左右，而箍筋腐蚀速度会达到主筋结构的5 倍左右，因此，相关人员需要严格控制裂缝的问题，选择合适的防渗结构形式，进而使得渗水能够及时排除，保证桥梁的耐久性满足要求。

4.2 桥承载能力设计方面的问题

在桥梁的设计荷载确定过程中，最为重要的是要考虑到可变活载问题，即汽车荷载。汽车荷载分为公路Ⅰ级及公路Ⅱ级，车道荷载主要体现在均布荷载与集中荷载两种。从实际情况分析，在桥梁的计算过程中可以分析计算车道荷载，另外局部加载、涵洞、桥台以及挡土墙的压力也可以通过车辆荷载计算确定，但是两者不能叠加计算[5]。

桥梁荷载设计中，结合不同桥梁项目的极限状态、正常运行情况可以实现作用效应组合，然后选择最利于效应组合的方式开展设计。具体的情况如下：

4.2.1 持久状况

这是桥涵运行中因为受到自重、汽车荷载的同时影响，根据实际的使用功能进行设计，就是在承载能力极限条件、正常状态下进行设计。

4.2.2 暂时状况

这是桥涵在运行中因为临时性的反应而产生的状态，要保证承载性能极限运行状态设计，如有必要，可以通过正常应用条件开展设计。

4.2.3 偶然状况

偶然状况为结构设计过程中桥涵可能发生地震灾害引起的病害问题，在具体设计的环节中要保证其达到承载能力极限的运行条件，并保证其应用性能与适用效果达到设定的目标要求。

4.3 桥梁结构的抗震设计

第一阶段设计：小震一般是通过使用众值烈度的方法进行，然后计算最终的技术参数，且符合弹性运行状态中的地震使用条件。即使有小震作用也不会产生严重的损坏问题，同时还要实施结构强度与稳定性计算分析，达到设防烈度和结构强度、变形性的要求，真正地实现小震不坏。

第二阶段设计：中震可以根据需要使用第二水准烈度振动系数，分析刚度退化参数，计算截面开裂、屈服和强度破坏的荷载位移变化关系，然后对比地震荷载效应，达到安全性的要求，符合第二级设防的标准，真正地实现中震可修。

第三阶段设计：大震发生之后可以通过第三水准地震参数进行地震效应计算分析；与截面破坏荷载对比，达到安全性的要求，同时还应该考虑倒塌机制，确保稳定性合格，真正地实现大震不倒的目标。

以上三个阶段设计原则明确规定了三级地震水平下所产生的反应，即在发生地震反应后，桥梁弹性反应范围结构并未损坏，而在设防烈度的地震影响下，结构会发生塑性变形，但是最大变形值不会超出容许变形；大地震发生之后，结构会出现比较大的弹塑变形，最大变形为结构变形容许值，但是没有超出该值，并最终实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的标准。