公路桥梁设计的安全性和耐久性分析

2021-03-27张俊生

运输经理世界 2021年7期

张俊生

（中南勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430000）

0 引言

就公路桥梁设计来说，需要满足经济、安全、适用、美观等要求，必须始终确保公路桥梁具有良好的耐久性与安全性。在实际的公路桥梁设计工作中，主要是按照正常使用和承载能力这两种极限状态来开展。以承载能力的设计为例，需要确保公路桥梁在服务功能丧失临界值时的承载能力，在设计时要确保荷载效应小于或者等于结构抗力的设计值。在确定结构总体的安全水平时，设计人员需要考虑较多的因素，如荷载安全系数、工作条件系数、材料安全系数。在整个公路桥梁的设计中，安全性与耐久性设计是始终需要重点考虑的问题。但当前阶段，这方面的设计还存在着一定的问题，如设计理论与结构构造体系不尽完善、后续的施工管理水平较低等。基于公路桥梁设计的安全性和耐久性所存在的问题，本文展开了具体的分析探讨，现作如下的论述。

1 公路桥梁设计的安全性与耐久性问题产生的原因

从当前公路桥梁的安全性与耐久性设计来看，存在一种较为不利的倾向，即很多的设计人员在设计过程中过多地考虑强度，但是考虑耐久性不足，重视强度极限状态，而忽视或轻视了使用极限状态，这就导致公路桥梁的结构设计存在较多的问题。可以说，在当前的公路桥梁设计中，耐久性设计多是被作为一种概念，未能够得到充分的重视。一方面没有明确提出使用年限的相关要求，另一方面没有进行专门的耐久性设计，这就导致公路桥梁的结构措施与设计程序均易出现问题，从而引发工程事故，缩短公路桥梁工程的使用寿命[1]。结合当前公路桥梁的安全性与耐久性所存在的问题，主要的原因可以归结为两点：一是当前的设计理论与结构构造体系尚不完善，二是施工与管理水平较低。

从设计层面上来说，结构设计工作最为重要的便是选择最为科学与有效的结构方案，而后进行结构分析，完成构件与连接的相关设计。在实际的设计过程中，有较多的设计人员只是单纯进行结构强度方面的安全设计，并未全方位地从结构体系、结构材料、结构维护、结构耐久性这些方面来考虑。因此，导致公路桥梁的结构出现较多的问题：比如结构的延展性与整体性不足，存在冗余性小的缺陷；再比如受力路线不明确，存在局部受力过大的问题。这些问题的存在均会大大削弱公路桥梁结构的耐久性，使公路桥梁的安全性与耐久性受到较大的影响。

再从施工管理的层面上来说，有很多的公路桥梁在设计阶段，因为存在问题无法达到规范标准，导致后续的施工质量也受到影响，出现材料强度不足和施工工艺不合格的问题。更为不利的是，一些公路桥梁项目还存在偷工减料和以次充好的问题，严重影响了公路桥梁的安全。在公路桥梁工程的施工管理过程中，若是在水泥选用、混凝土配合比确定、混凝土振捣处理、混凝土养护这些方面存在问题，虽然短期内不会影响公路桥梁的正常使用，但结构的长期耐久性会受到较大的影响，继而对整个公路桥梁的使用造成危害。

2 提升公路桥梁设计的安全性和耐久性的策略

2.1 做好设计中的勘察工作

在开展公路桥梁的安全性与耐久性前，设计人员需要先做好实地勘察工作，从而获取全面详细的勘察资料，以此为后续的设计工作提供支持。在实际开展勘察工作时，设计人员需要把握好三个方面的要点：一是要收集公路桥梁具体形态的信息，并做好重要信息数据的分析，以此来选择和评估施工材料，制定出详实有效的施工养护方案；二是要结合公路桥梁所处的位置来确定施工线路，在规定的施工成本范围内，最大限度提升公路桥梁的安全性与耐久性；三是在正式开展公路桥梁的安全性与耐久性设计时，要充分明确荷载，制定出应对突发事件的预案，确保荷载始终在可控状态。

2.2 做好疲劳损伤的设计工作

对于公路桥梁来说，所出现的各种荷载均会呈现为一定循环变化的应力，容易导致整个公路桥梁的结构出现振动，最终诱发疲劳损伤问题。当疲劳损伤不断累加后，公路桥梁容易出现裂缝，导致公路桥梁的结构出现断裂或坍塌，而且早期的疲劳损伤无法及时有效地发现，对公路桥梁质量会造成很大的影响。因此，在整个公路桥梁的早期设计中，必须将疲劳损伤的设计作为重点来对待，始终给予高度的关注，有效提升公路桥梁结构的稳定性。从当前公路桥梁的疲劳损伤设计研究来看，重点是考虑混凝土桥梁结构的特性，避免某一个构件和部位出现疲劳损伤，以此来保证公路桥梁整个结构的稳定性和安全性。

2.3 认真考虑超载问题

在公路桥梁的运行状态下，出现超载问题是较为常见的，会造成较大的危害。超载现象也可以表现在多个方面，总的来说，公路桥梁的超载问题集中表现在以下三个方面：

2.3.1 公路桥梁在实际运行的过程中，实际荷载能力远超过预期荷载能力，导致公路桥梁存在超负荷运行的情况。之所以出现这一问题，主要是在公路桥梁的设计与施工环节，荷载能力未能满足预期的荷载要求，并未能对这一问题做到及时感知。

2.3.2 车辆超载的问题较为常见。通常情况下，当车辆荷载低于公路桥梁的实际荷载量时，便不会对桥梁的质量与使用寿命造成太大的影响，但若是车流量相对密集且存在超载情况时，则公路桥梁的质量与使用寿命会受到较大的影响。以大货车的超载为例，会对公路桥梁的承载能力带来较大的影响，容易诱发大面积塌陷的问题。

2.3.3 在公路桥梁的长时间使用过程中，超荷载的问题使公路桥梁的整体荷载能力下降，安全性与耐久性随之受到影响。

针对公路桥梁所出现的超载现象，必须在设计阶段认真对待，严格遵守国家和行业的相关规范标准，有效提升公路桥梁的整体荷载能力。具体来说，在设计过程中要充分考虑公路桥梁的实际运行特点与需求，确保预期的设计要求可以完全达到，始终确保公路桥梁处于荷载范围内。另外，在公路桥梁的设计与后续管理中，要做好相应的教育宣传与管理工作，比如加大超载现象危害性的教育宣传力度，最大限度减少车辆超载问题的出现。

2.4 做好施工的相关控制工作

在公路桥梁的施工过程中，为保证和提升安全性与耐久性，需要重点做好保护层厚度控制、钢筋配置控制这两个方面的工作。

从保护层厚度控制这一方面来说，在公路桥梁安装阶段需要认真检查钢筋的质量，确保钢筋的合格率在设计要求内，可以参照《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2015），其中明确规定抽样结果中无法满足规定的最大极限范围，必须加以改正，结合钢筋厚度来确定出偏差数值[2]。对于公路桥梁的梁板与拱桥的偏差数值来说，需要控制在±7mm，墩台偏差数值需要控制在±8mm，固定桩的标准偏差范围需要控制在±10mm。

从钢筋配置控制这一方面来说，所出现的钢筋锈蚀问题会直接影响钢筋的结构性能，尤其是会降低钢筋材料的抗压能力。当公路桥梁的受力面积减少时，承受应力的极限值会减弱，在实际应用过程中会有较大的安全隐患。可以说，钢筋锈蚀问题所造成的影响是较大的，整个公路桥梁的耐久性会随之受到影响。对此，设计人员需要认真考虑钢筋保护层厚度，同时在施工过程中使用混凝土技术，以此来全面改善公路桥梁的安全性与耐久性。对于沿海地区的公路桥梁设计，要非常注重结构设计，并搭配高性能的混凝土，从而有效提升公路桥梁的抗压能力与抗冲刷能力。就当前所使用的高性能混凝土来说，属于一种新型的复合材料，操作技术较为烦琐，对施工人员的专业能力也有较高的要求，若是施工人员采用传统的施工方式，或者施工技术未能满足公路桥梁项目的要求，则很容易影响高性能混凝土的稳定性能与密实度。为此，在高性能混凝土使用过程中，要始终注重施工技术的科学性，以此来保证和提升公路桥梁的安全性与耐久性[3]。

2.5 做好后期的维护工作

在公路桥梁的运行过程中要做好定期监测与维护工作，对于所发现的问题要及时解决，以此来避免安全隐患。具体来说，在公路桥梁的运行过程中，必须组织专业人员做好维护保养工作，尤其是要对公路桥梁所出现的裂缝做好修复，防止出现崩塌问题。从当前公路桥梁的维护工作来看，在维护制度建设和专业人员配备方面所取得的成效均是值得肯定的，可以较好地解决公路桥梁运行过程中所存在的安全隐患，有效避免了较多的问题。除此之外，在后期的维护工作中，要多使用信息技术来开展监测工作，无论隐患大小均要及时上报处理。通过开展一系列的专业诊断工作，确定公路桥梁运行过程中所存在的问题，发挥好信息技术的优势。