公路桥梁的安全性和耐久性设计研究

2021-04-10张路

工程技术研究 2021年13期

张路

重庆市市政设计研究院有限公司，重庆 400020

随着公路桥梁使用年限的增加，部分桥梁结构出现了一些破损，其安全性和耐久性也受到了很大的影响。为了提高公路桥梁的质量，延长桥梁的使用寿命，在具体设计环节，设计人员要格外注重桥梁的安全性和耐久性，不断提高桥梁的抗破损能力，为人们的出行安全保驾护航。

1 影响桥梁安全性和耐久性的因素

1.1 设计方面的因素

在公路桥梁设计中，设计理念和结构体系的构建是十分重要的。在具体设计过程中，部分设计人员不能真正从基础理论上对桥梁所受的力进行完整性的分析计算，只是沿用以往的经验进行粗略的计算，易导致桥梁结构产生变形。还有部分设计人员更多的是关注结构的强度，而忽略了结构的完整性及使用材料的合理性，这种人为因素也会在很大程度上影响桥梁的安全性和耐久性。

1.2 施工方面的因素

工程质量的好坏直接影响桥梁的使用，而在现阶段公路桥梁的施工中存在很多的问题。一些小型的施工单位，由于技术水平比较低，在施工过程中经常忽视现行的标准和规范，仅仅依据经验施工，有时通过降低规范标准进行桥梁建设，导致桥梁质量得不到保障，其安全性和耐久性也受到了不同程度的影响。很多公路桥梁使用才几年，就出现了各种各样的问题，例如钢筋锈蚀、钢筋外露、铰缝脱落等，这些都是桥梁安全性和耐久性方面存在的问题。一些施工单位为了获取较高的经济利益，以次充好，使用不合格的建筑材料；还有一些施工单位技术人员学历较低，技术水平不到位，在施工时操作不规范。另外，很多施工单位在施工管理方面做得不到位，未采取安全措施，没有对施工人员进行专业的桥梁安全和质量等方面的培训，进而导致了安全事故的发生，也严重影响了桥梁的施工质量。

1.3 后期养护管理方面的因素

我国公路桥梁的建设一般都比较注重前期的设计和中期的施工，很少关注桥梁在运营过程中的养护管理，这在一定程度上影响了桥梁的安全性和耐久性。例如遇到雨雪天气时，如果积雪和积冰处理不及时，就会化成水渗透到桥梁的面层和结构层，进而使得桥梁钢筋被锈蚀，混凝土出现开裂。桥梁的伸缩缝经常被垃圾填堵，如果不及时清理，就会影响桥梁结构在受力时的正常伸缩变形，使得部分构件被破坏，进而影响桥梁的整体稳定性。桥梁结构中的一些附属构件的使用年限较短，在发生破损或移位时，养护人员应该及时更换，以保证桥梁的正常使用，确保通行者的安全。这些后期维修养护中出现的问题都直接影响了桥梁的安全性和耐久性，同时也在一定程度上缩短了桥梁的使用年限。

2 提高桥梁安全性和耐久性的措施

2.1 转变设计理念，优化设计方案

在早期的桥梁设计中，往往更注重桥梁本身的结构强度和结构稳定性，很少关注桥梁的耐久性，这就易导致桥梁使用寿命不足。设计人员应该转变设计理念，在关注桥梁强度、稳定性的同时，也关注桥梁的安全性和耐久性设计。结合国内外的知名案例，不断研究创新，优化设计方案，提高结构的承载能力，增强其安全性和耐久性。在进行桥梁设计时，设计人员对设计规范的理解程度也会影响桥梁的设计，因此施工单位应该加强设计人员的学习和培训，不断提高设计人员的专业素质和业务水平。在选择设计方案时，也要考虑桥梁的安全性和耐久性，结合桥梁的环境特点、地质特点及功能要求，不断优化设计方案，也可以学习和借鉴其他项目及其他设计单位的设计方案，提高桥梁的安全性及耐久性，延长桥梁的使用年限。

2.2 增加结构的保护层厚度

公路桥梁主体结构大部分都为预制混凝土构件，在以往的设计中，混凝土和预应力钢筋边缘之间会有一个保护层的厚度，防止钢筋暴露在空气中被锈蚀。大量的试验表明，钢筋的碳化直接受混凝土保护层厚度的影响，在一定的保护层厚度范围内，保护层厚度越大，钢筋碳化速度越慢。因此，在具体的桥梁设计过程中，设计人员可以适当增加混凝土保护层厚度，减缓因钢筋锈蚀和碳化带给桥梁结构的危害，进而提高桥梁结构的安全性和耐久性。

2.3 注重材料的选用

工程材料的选择是决定工程质量的关键，在桥梁的设计中，也应该注重材料的选择和使用。对于公路桥梁而言，最重要的材料就是混凝土和钢筋。在选择混凝土时，要根据结构的强度及结构的受力来选择混凝土的等级，严格根据规范要求对其强度进行测算，并确定其最大水灰比、最小混凝土保护层厚度、最小强度等，保证混凝土的安全性能。另外，对于钢筋的选择，要根据结构的受力钢筋强度来综合确定钢筋的等级和直径，并通过验算来最终确定，避免桥梁在使用过程中因为钢筋强度不足而引发安全事故。

2.4 重视结构的疲劳计算和耐久性设计

公路桥梁建成后，在后期的运行中将承受各种车辆荷载及外力自然因素的荷载影响，在这些荷载的不断作用下，桥梁结构的一些构件极易发生疲劳损坏。在这种疲劳破坏的长期作用下，桥梁逐渐呈现出结构的大范围裂缝和变形，进而影响到桥梁的整体结构稳定性及安全性。在公路桥梁的结构设计中，必须重视桥梁的疲劳计算，减少结构在使用过程中的开裂。另外，桥梁结构的疲劳计算不仅仅是针对桥梁的整体结构，对于桥梁中极易发生疲劳破坏的构件都应该进行相应的计算，只有所有构件的抗疲劳能力得到提高，才能促进桥梁整体结构的耐久性和安全性。

在桥梁设计中，设计人员应该注重桥梁耐久性的设计，延长桥梁结构的使用寿命。桥梁的耐久性设计主要分为两个方面，即材料的选择和结构体系的构建。在选择工程材料时，要对结构材料进行多方面的试验，如抗压试验、抗侵蚀试验等，选择最合适的混凝土材料配比，并对混凝土进行有效的保养维护，使混凝土在使用中能最大限度地发挥承载作用和抗压能力，进而保证结构的耐久性。在进行结构体系的选择和设计时，要综合对比各种方案，从经济方面、受力分析方面、抗疲劳能力方面等来进行具体的分析计算，严格遵照最新的桥梁设计规范进行设计，避免桥梁结构出现变形破坏。

3 工程案例

该工程为某公路连接线，路线在K23+672处跨越河道。桥址处断面为复式断面，该河河口宽53m，主河槽宽41m，河底宽30m。

3.1 设计方案

该桥梁拟建为4～16m先张法预应力混凝土空心板桥，交角为90°，桥梁长64m，为双幅桥。桥面铺装为10cm沥青混凝土+防水层+15cm整体化混凝土。桥梁下部采用柱式墩台、钻孔灌注桩基础。桥台处GQFC-40伸缩缝，台后设置6m搭板。

3.2 耐久性设计

（1）材料选择。保证混凝土质量、控制裂缝和提高耐久性，施工中所用的混凝土材料必须符合有关规范的要求，设计提出以下要求：钢筋混凝土结构最大水灰比值为0.50，最小水泥用量为300kg/m3，最低混凝土等级为C30；预应力混凝土结构最大水灰比值为0.50，最小水泥用量为350kg/m3，最低混凝土等级为C40；最大氯离子含量为0.06%，最大碱含量不大于1.8kg/m3。

（2）结构构造。混凝土保护层厚度严格按照规范执行。伸缩装置两端与主梁连接部分的混凝土，受力比较复杂，除按照最优配合比设计外，还应使用膨胀剂并掺入钢纤维或聚丙烯纤维等增韧材料。为提高预应力钢筋的耐久性，孔道压浆采用真空辅助压浆技术。