桥梁设计中的安全性及耐久性分析
2021-07-12赵强
赵强
(云南交通职业技术学院,云南 昆明 650500)
0 引言
桥梁工程是现代交通系统的重要组成部分,具有投资大、规模大、影响因素多等特征,设计难度相对较大。现代桥梁设计中,安全性、耐久性逐渐得到重点关注,直接关系到桥梁使用安全与成本,只有保证桥梁结构可满足不断增加的交通荷载需求,减少混凝土碳化、裂缝以及钢筋锈蚀等问题,减轻养护维修负担,方可获得良好的社会经济效益。
1 桥梁设计存在的隐患分析
桥梁设计中,安全性、耐久性是重要考虑因素,然而工程实践中常因设计人员考虑不足、未严格按规范设计,导致桥梁结构存在诸多隐患,主要表现为耐久性不足、安全性不足、结构承载富余量不足等问题,给整个交通系统安全、可靠运行带来一定的威胁。本文从安全性、耐久性两大角度出发,桥梁设计主要问题如下:
(1)过度追求设计效率,未充分考桥梁使用后的耐久性、耐腐蚀问题。桥梁设计需考虑因素众多,部分设计人员未能够综合考虑所有问题,如:过度追求快速设计,甚至在设计前未勘探施工现场,桥梁设计存在盲目性,桥梁投入使用后发生断裂、倒塌等严重事故。
(2)不重视安全问题,桥梁质量设计不高。部分桥梁设计方案不重视规范,设计错误多,设计质量不高,以至于桥梁施工、运营中存在较大的安全隐患。此外,监管不到位也是导致桥梁安全问题出现的重要原因之一,无论在桥梁设计还是施工过程中,必须监管各个环节,切实保证桥梁设计方案安全、可靠。
2 桥梁设计中的安全性及耐久性目标
为了提高交通安全、减小运维成本,桥梁设计中必须重视安全性及耐久性,下文主要针对桥梁设计中的安全性、耐久性目标展开分析。
2.1 安全性设计目标
桥梁的安全性主要包括两个方面内容:①使用者的生命安全;②结构自身使用安全,对应的是承载能力极限状态。对于桥梁结构而言,可安全承受各项设计荷载是基本要求。
桥梁是承受循环荷载的结构,需考虑构件疲劳寿命、疲劳极限,且部分重要桥梁要求损伤后快速修复,因此安全性设计中必须考虑可恢复性。根据《公路工程结构可靠性设计统一标准(JTG 2120—2020)》(以下简称“标准”),对桥梁结构目标可靠性提出要求,如表1所示。桥梁结构目标可靠度的最优化设计与区域实际情况相关,将我国标准与欧美相比,目标可靠度更高,应该与我国正处于快速发展时期有关,桥梁设计时需考虑未来可能面临荷载快速增长的情况,因此留有更多富裕度。
表1 桥梁结构承载能力极限状态目标可靠指标
2.2 耐久性设计目标
为了更好地描述桥梁耐久性变化情况,本文从实用性出发,并结合ISO13823:2008耐久性设计一般原则,提出桥梁耐久性设计目标。
第1阶段耐久性极限状态,指的是结构开始劣化的耐久性初始极限状态,针对结构使用过程中表观状态的定义。如:钢筋混凝土碳化、钢筋锈蚀、钢/木结构表面腐蚀等,此时认为桥梁需进行修复。
第2阶段耐久性极限状态,指的是桥梁实际使用性能的耐久性最终极限状态,针对结构使用功能的定义。如:钢筋混凝土裂缝、钢筋外露、钢结构锈蚀至外观严重破坏等,此时认为桥梁需进行构件更换或结构大修。
根据ISO13823:2008要求,结构耐久性极限状态的可靠度,需综合考虑结构和构件设计使用寿命、结构养修难度与成本以及结构的失效后果等诸多因素,并参考相关专家意见、客户需求,可靠度表达如下:
式中:Z(t)-结构在某时刻的耐久性功能函数;R(t)-t时刻广义抗力;S(t)-t时刻广义作用效应;Pf(t)-t时刻结构失效概率;βD(t)-t时刻结构耐久性可靠度。
桥梁结构使用寿命期间耐久性指标的变化如图1所示,其中,P(t)是结构目标失效概率,Pt=Pf(TD)。
图1 桥梁结构使用寿命期间耐久性指标变化情况
3 实例探析桥梁的安全性及耐久性设计
3.1 工程概况
本项目为连续钢构桥,桥梁长度320m,四跨,主跨100m、两边跨60m。桥梁主梁设计为单箱双室变高箱梁,顶、底板宽度分别为21.2m、14.2m;支座位置梁高6m,跨中位置2.5m,顶板厚度相同,全部控制在0.3m。本文主要针对此桥梁设计中的安全性、耐久性设计做重点探讨。
3.2 主梁构造设计
本项目桥梁设计时,为提高结构耐久性,严格按细部设计标准与规范,强化构造设计与材料控制。主梁设计为钢筋混凝土结构,考虑桥梁跨径大,设计时考虑增强主梁间横向整体性,布置预应力筋。
本项目结合桥梁结构受力与施工要求,确定主梁结构尺寸、钢筋布置方案,具体设计方案如下:φ15.2钢绞线,设计采用交错单端张拉方法,布置于箱梁腹板;每束钢绞线由3根组成,设计采用扁锚体系,纵桥向布置,布置间距50cm;边跨端横隔板,设计采用φ32精轧螺纹钢筋。设计过程中,考虑钢筋避让问题,减少后期施工问题,提高桥梁结构安全性。
3.3 载重结构设计
桥梁设计中,载重结构指的是桥墩、承台,此类结构受力集中,一旦设计失误,极易导致桥梁结构安全性受到极大威胁。本项目结合桥梁实际情况进行载重结构设计如下:①桥墩:横向桥梁宽度14.2m,纵向高度60m、60m、15m,相应的宽度参数不同,桥墩间距4m;②桥台:重力式U型桥台,基础扩大处理,纵向宽度11.2m、厚度5m,横向宽度16.2m、厚度5m。
根据项目地质条件调查发现,桥头分布有软土地基,为保证桥梁运营中车辆行驶安全,需做好地基处理设计,严格控制沉降,台后路基填土设计采用填土预压、钻孔成桩的方法。支座设计时,需充分考虑变形因素,设置上下钢板,预制梁端底部设垫块,保证支座可靠受力。
3.4 结构材料选择
桥梁安全性及耐久性设计中,结构材料选择是重要内容之一。此桥梁结构设计选用C50混凝土,边跨位置现浇,现浇段9m、合拢段2m。桥面铺装设计选用耐久性水泥材料,适当掺加聚丙烯纤维;混凝土层上方,设计选用水性沥青基渗透性防水材料。预制梁顶位置,设计采用抗剪连接钢筋,以此增强桥梁结构整体性能。
3.5 附属结构设计
为提升桥梁结构耐久性,必须重视结构防护问题,科学开展附属结构设计工作。本项目桥梁设计中,保证伸缩缝与桥面铺装层有效契合,防止出现渗水问题,进而导致主体结构腐蚀,影响桥梁结构性能。
4 结语
综上所述,在桥梁设计中需充分考虑结构安全性、耐久性问题,保证桥梁使用安全,减少因环境侵蚀或是交通荷载所致的各种病害,合理控制养护管理成本。桥梁安全性、耐久性设计中,应综合考虑交通荷载、桥址环境以及相关规范等因素,做好结构设计、材料选择与相关优化工作,保证桥梁整体安全、可靠、耐久。