公路桥梁设计的安全性和耐久性分析

朱凡

（中铁第五勘查设计院，北京 大兴 102600）

0 引言

在公路规划设计当中对于桥梁结构的灵活运用能够更好地适应于不同的建设环境， 特别是一些大跨境的河流需要通过连续桥的建设实现两岸接通。 在桥梁设计当中对于安全性和耐久性的保障和其使用寿命与道路运营之间有十分密切的联系，必须要引起设计人员的关注，同时平衡好建设施工的质量和成本，优化公路桥梁的建设水平。

1 国内公路桥梁设计的安全耐久现状分析

公路桥梁的建设和其应用负载之间有十分密切的联系，一些桥梁的设计、施工存在隐患问题，长时间的使用会出现耐久度下降的情况， 给公路的养护成本、安全保障等都带来了负面影响，也不利于公路交通网络的大规模发展。 2011 年福建地区就发生过桥梁吊杆断裂、桥面垮塌的情况，造成了一定的伤亡事故。尽管国内新建公路桥梁的速度较快，但仍有许多桥梁的建设年限较长，包括了七星大桥（1999 年建成）、观澜河大桥（1997 年建成）等，在耐久度上还有较长的发展空间。 桥梁在对近年来国内公路安全耐久事故分析的过程中发现，各类隐患事故频发的背后是桥梁设计不到位、工程施工不足等问题必须要引起行业重视， 分别从设计、施工、养护等多方面展开安全耐久保障工作，动态化的跟踪当前的桥梁使用情况，在保证对经济效益追求的同时，维护好人民群众的生命安全。

2 重视公路桥梁设计安全耐久性的重要意义

在公路桥梁的应用过程当中对其安全性和耐久性提出了较高的要求：必须要能够满足不同类型、载重车辆的反复碾压； 抵抗地下水系和河流对梁体结构的冲刷；符合公路桥梁建设的相关标准。在公路桥梁的应用过程当中，其整体结构和内部零件都会存在着实际荷载不断上升的情况，其结构稳定性会随着环境和使用年限而发生老化，一旦超出桥梁结构的极限形变状态就会产生开裂现象，这不仅会影响桥梁本身的使用寿命，还会对其行驶的车辆造成较大的安全威胁，必须要引起行业重视，并从设计、施工与养护等不同的阶段予以关注，更好地提升我国公路桥梁的建设水平和使用寿命。 在公路桥梁的设计优化过程中，能够更好地明确风力、压力等方面的荷载参数，提前做好桥梁使用中的潜在风险。

3 影响公路桥梁设计安全耐久性的主要因素

3.1 缺乏理论支撑

在进行公路桥梁的设计工作过程中，对于专业知识的需求量极大，给设计人员的工作也带来了一定的挑战。 由于桥梁建设环境状况的差异性较大，岩溶、黄土、渗漏等情况在设计规划的过程中都必须要予以充分的考虑， 保证好桥梁的结构安全耐久，部分设计人员在工作者存在着专业知识储备不充足的情况，未能根据已有的地质水文资料对桥梁建设的要点进行科学梳理，过分依赖于个人工作经验，单纯地将之前的设计结构进行模仿套用，给桥梁工程建设质量带来了一定的负面影响。国内的部分设计人员在工作的理论体系上还存在一定的问题，不利于建立成熟的工作流程制度，和设计预期之间存在着一定的偏差问题。

3.2 施工管理不足

在落实公路桥梁设计方案的过程中，需要严格把握施工技术运用、建材质量等方面的情况，避免因为施工建设不当而产生的安全耐久性下降问题。由于公路桥梁的建设周期偏长、 突发情况较多，在进行工程管理时的难度明显加大，较容易造成纰漏和疏忽。 部分施工单位在建设的过程中，没有严格参考设计规划的要求开展工作， 存在着工序不当、质检标准偏低等问题，在项目的交付、使用过程中存在较大的安全隐患。

3.3 结构设计不当

在公路桥梁的设计过程中，结构部分对于安全耐久性的影响程度较大，必须要经历科学完善的规划计算后才能够确定设计方案，确保与地质环境之间具有更强的适配性。部分设计人员在工作过程中未关注到桥梁结构的重要性，在拉索、伸缩装置、涵洞结构等部分的建设细节性要求偏低，不能较好地满足桥梁建设的目标寿命要求。

4 提升公路桥梁设计耐久性的有效对策

4.1 明确设计原则

桥梁设计与建设的过程中要秉持基本设计原则的相关要求，从耐久、安全、适用、环保等多个角度出发，做好综合化的设计统筹，确保公路桥梁的建设项目能够更好地服务于民众。 特大、大跨度的桥梁由于建设难度大、投入成本高，在各级公路的设计过程中都必须要按照100 年的建设年限予以规划，中规模的桥梁在高速和一级桥梁中的寿命要求为100 年，二、三、四级公路的寿命年限为50 年，小规模的桥梁和涵洞等设计寿命一般以30～50 年为主[1]。 在明确了桥梁的设计要求后开展对应的工作会更具参考性和方向性，有效促进设计方案的桥梁质量保障性。 在桥梁结构设计与分析的过程中，还需要考虑到建材和气候的影响性，如对于一些气候潮湿的区域，在选择混凝土材料时要具有更强的防水抗渗能力，确保能够和桥梁的结构稳定性之间形成更好地适配，满足50、100 年的寿命要求。

4.2 优化设计流程

在公路桥梁的结构设计过程当中必须要明确工作流程和规范要求，避免在设计时由于流程错误导致部分结构力学参数不适配的现象。要求设计人员提前在施工现场进行实地的勘察与分析，在充分掌握桥梁应用需求和环境特征的基础之上再开展设计工作，为后续方案的可行性论证提供重要的基础资料。实地勘察的内容包括了地质结构横纵截面的信息获取、地质水文条件、桥梁平面布置的建设范围和结构参数等，分别从工程的必要性、经济性和可行性三方面进行充分论证[2]。

4.3 提升专业认知

设计人员需充分认识到公路桥梁安全耐久对于整个项目工程的重要意义，明晰在设计与施工过程当中对其安全耐久性可能产生影响的主要因素并予以有针对性的预防处理，不断提升在公路桥梁设计工作方面的专业认知。一些发达国家在公路桥梁的规划设计方案当中将耐久性作为了检验标准之一，其适用性能表现更优，可以为设计人员的工作提供更多的思路参考，积极吸纳和借鉴成功的经验，不断优化个人设计方案水平[3]。

4.4 完善设计体系

对于不同的公路桥梁设计项目，在具体的规划实操过程当中会存在一定的差异性，要求设计人员要积极建立成熟科学的工作体系，为设计规划工作提供一定的专业参考。如在处理不同地质状况下的公路桥梁建设需求时， 对梁体的实际荷载能力、施工技术选择会产生很大的影响，特别是对于一些岩溶地区和地下水系分布较为丰富的区域，需要在地基建设的过程当中做好防水抗渗和基坑支护建设，确保桥梁应用的安全性和耐久性[4]。

4.5 疲劳损伤研究

在公路桥梁受到外力作用的情况之下，会产生内应力的作用，特别是累计振动产生的疲劳损伤情况对于桥梁的使用寿命威胁性较大，容易造成一些可见的梁体裂缝，严重的还会引发断裂坍塌，必须要在设计的过程中提前做好方案疲劳损伤的测试工作，确保实际寿命和设计预测更具适配性[5]。 由于桥梁的疲劳损伤是在逐步累积而形成的，在实际应用过程中很难及时予以探测发现，且具有一定的不可逆特点，实际养护工作开展的难度较大。

4.6 优化荷载设计

在对公路桥梁的荷载设计进行优化的过程中，需要明确不同的荷载类型和影响因素，确保设计方案更具综合性、全面性，充分满足安全耐久的应用需求。首先，桥梁的恒载是指梁体本身的重力作用，包括了梁体、栏杆和其中的管线等；活载是指桥梁在使用过程中产生的外界压力；材料荷载是指构成梁体结构的混凝土材料在长时间应用过程中出现的收缩徐变、老化情况；另外还包含了环境因素带来的影响，如风荷载、沉降荷载等[6]。

4.7 结构加固处理

优化桥梁钢筋混凝土结构的配筋和选材可以实现对公路桥梁的耐久性的有效提升，其在使用的过程中能够形成一个较为稳定的包裹状态，通过提升结构抗力的方式来保证桥梁的实际使用寿命。桥梁模型的耐久度与钢筋混凝土材料的碳化水平、结构安全系数、 使用年限之间存在着一定的数量关系，在进行计算的过程中能够帮助设计人员掌握参数的范围限定，确保应力计算的精确度[7]。

4.8 关注防水防裂

桥梁建设过程中的防水防裂设计十分重要，会直接影响其使用安全性和耐久性，这就要求设计人员要结合施工地的实际环境做好个性化的方案规划。首先，由于桥梁的底部和地下水系直接接触，在设计的过程中必须要提前建立好防水层，使用高强度、高密度的混凝土材料进行施工实操，确保其使用寿命[8]。

5 结语

在公路桥梁的设计过程当中，设计人员必须要结合建设环境和应用需求明确设计的要点，特别是桥梁的结构参数数值的确定会直接影响其疲劳损伤和应用超载的情况， 必须利用BIM 设计模型反复进行优化和验证，遵从科学的桥梁结构设计流程推进工作，确保桥梁荷载与安全耐久要求之间的适配性。在施工单位参照设计图纸进行建设的过程当中要做好桥梁梁体的防水防裂工作，所使用的建材和零件必须要满足设计方案的要求，避免因管理不当而留存质量隐患。