公路桥梁设计中的安全性和耐久性设计研究

高伟

（保定市保通公路勘测设计有限责任公司，河北保定 071000）

1 引言

某高速公路项目，全长182 km，共设计桥梁103 座。项目所在位置地势变化较大，表现出西北方向地势较高、东南方向地势较低、北部区域地势较高、南部区域地势较低等特点。地势高差较大会增加公路桥梁的规划难度。结合区域内震害频发的特点，需进行桥梁抗震设计，提升公路桥梁整体结构的安全性。本文结合桥梁工程的设计需求，从结构安全、耐久形两个方面给出设计方案，保证公路桥梁项目的整体质量。

2 公路桥梁整体设计思路

该项目所在区域地震发生频率较高，桥梁设计位置河谷较深，山谷内弯道数量多、地势高差较大，初期进行公路桥梁规划设计时，秉承结构安全、项目耐久两个设计原则开展公路桥梁的整体设计。该项目应侧重关注桥位的设计方案，考量结构安全性。结合环境因素形成的限制作用，综合选出安全性较高的位置。如果桥位地势含不利因素，需及时给出补救措施，消除不利影响。同时，桥梁设计应侧重落实抗震设计工作，积极采取抗震措施，切实增强项目整体的抗震效果。桥梁孔跨设计需结合桥位周边的环境特点，如地势、河床宽度等，以此保障方案的可行性。如果桥位周边环境比较复杂、施工难度大，可采用大跨径结构。

3 桥梁安全性设计

3.1 选择桥型

表1所示是按照桥长划分的桥型。本案例项目中多数为中桥。结合该项目的桥梁结构安全性设计要求以及JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》，抗震设防类别为B 类。

表1 按桥长划分的桥型

参照项目所在区域的震害特征、周边路网防震的设计实况，需采取多种措施综合防控，以此保障桥梁结构整体的抗震性能。桥型选择期间，参照项目所在区域往期的震害资料可知，震害中桥梁受损严重的结构大多为落梁，此种梁型中下部分的受损量较小，修复工作简单，并且各类公路桥梁中，中桥、小桥均表现出桥梁结构简单、桥梁刚性较高、桥梁质地均衡、工程操作方法简单、工程造价较少等特点。为此，选择桥型方案时应注意：少数位置对桥梁宽度要求较高时，可使用连续梁设计方案；斜交桥梁在地震过程中会发生较大的位置偏移量，相比正交桥梁的震害表现更为严重，因此，对于斜交桥梁，需给出交错布孔方案，以此控制桥梁位移[1]。

3.2 支座设计

如果桥梁跨度较小、一个方向支座的水平调整量能够满足主梁水平温度形变量的需求，可在两个墩柱中设置相同的支座。如果是横跨沟谷的简支梁，可结合实际情况，对同联桥墩高度进行统一设计，尽量减少桥墩高度差异。位置相邻、桥梁高度差异较大的桥梁结构，桥墩容易因为水平地震波的作用而失稳，破坏结构整体的抗震能力。因此，需要改变支座设计参数，增强桥墩、支座连接位置的整体强度，以此增强桥梁的抗震性能。

项目的第四区分布有V 形河道，部分桥墩高度大于40 m，桥梁联数量大于3 联，可将V 形孔梁结构添加在分联位置，形成抗震支护结构，如图1 所示。

图1 V形抗震结构设计

在地震工况下，图1 中的摩擦垫片会发挥作用，使盖梁、梁体两部分处于暂时分离状态，以此减少桥梁结构受到的震害作用，同时借助稳定销的设计，保持各类连接组件的完整性。地震停止后，各结构可恢复为和震前一样，以此维持桥梁结构的安全性。由此可知，图1 的抗震设计具有较强的减振功能，可保证桥梁结构安全性。

3.3 防落梁

在该项目中，为了积极改善桥梁抗震性，还要有效控制梁体结构位置移动问题，从而减少落梁发生的地震损坏。梁体限位措施如下：（1）梁结构的设计长度主要参考盖梁顶层的宽度有效值；（2）对于简支T 梁结构，可在伸缩缝的侧边添加防落链；（3）箱梁、桥墩间隔位置，需增加限位设计。

3.4 其他措施

在桥台、桥墩等位置可使用防震挡块，如橡胶垫块，增加抗震缓冲空间，提高抗震性能。如果河岸区域地质条件表现出软弱黏性、失稳性较强等特点，需增加孔跨长度，合理确定桥墩及桥台的位置，以此增强桥梁结构的平稳性。桥台位置使用抗震性能较强的结构形式，合理调整桥台高度，以此控制动土压力对桥台结构的影响，增强桥梁整体结构的抗震能力。

4 特殊位置桥梁设计

4.1 跨越桥梁设计

对于跨越河流地段的桥梁，桥梁孔位设计应依据项目所在位置的河道实况给出设计方案；对于跨越既有桥梁的桥梁，桥址区域分布有较深的泥石流沟壑，应尽量增加跨径，尽量采用一孔跨越的方法，增加桥梁下方净空，使其形成安全防护结构；针对具有潜在泥石流险情的地段，需要给出必要的泥石流应对措施，合理改造沟壑，采取添加桥墩、调整桥墩设计形式、增设抗冲击装置等措施，以此增强桥梁结构设计的安全性。对于活动性较强的支沟，适当添加拦挡坝，以此抵挡泥石流的冲击作用，提升桥梁结构的安全性[2]。

4.2 陡坡桥梁设计

陡坡区域，桥梁工程具有地势高差大、桥墩高、工程施工困难性大等特点。如果挖方量较大，会影响边坡结构的平稳性。因此，采取如下措施：

1）对于路线涉及的陡峭位置，准确给出竖向断面、水平断面等测量结果，作为工程地质分析的关键资料；

2）可合理增加跨径，控制陡坡桥梁个数，以此有效减少桩基施工对陡坡的干扰。针对柱式墩，可使用高低墩的桥墩设计形式，以此控制开挖量，各侧桩顶高度应有一定的差异，也可采取桩端相连形式，使桩基与墩柱成为一体。如果墩位较高，可使用独柱空心墩。

5 耐久性设计要点

提高桥梁的耐久性，主要通过使用性能优异的施工材料实现，具体应注意以下几点：

1）混凝土用料主要选择水化热参数较小、含碱量不高、性能稳定的水泥材料，不可选择早强水泥用料。

2）掺合料配制时，可选择粉煤灰、矿物等用料。

3）骨料选择应以吸水性不高、膨胀能力不强的用料为首选。

4）合理给出混凝土配比设计，切实增强用料密实性[3]。

5）裂缝控制，需参照结构设计要求，尽可能地控制裂缝宽度。

6）案例项目钢结构部分，增强钢结构板材耐久性的目标见表2。另外，增加桥梁耐久性时，还应以结构优化为首要措施，构造方面，应防止出现应力集中情况，避免结构疲劳受损。

表2 增强钢结构板材耐久性的处理目标

6 耐久性设计方法

6.1 结构设计

桥梁项目正式使用后，其结构耐久性的主要干扰条件有：车辆运行的荷载作用、雨水冲刷等。因此，耐久性设计期间，应加强桥梁结构调整，以此减少桥梁性能受到环境因素的影响。桥梁设计结构期间，可有效联合梁体、铺装两个结构强化桥梁整体的耐久性，使其具有较强的抗损伤性能，以此避免雨水渗透导致的材料腐蚀问题，延长桥梁结构的可用时间。在铺装间隔位置，合理添加钢筋网，防止用料出现开裂问题。在主结构设计期间，添加排气孔，以此提升桥梁结构内部降温能力。

6.2 抗疲劳设计

桥梁由多个结构组成，上部组成长时间承受车辆运行的荷载的作用，会将部分荷载传递给下部结构，改变桥梁结构整体应力分布，此种应力分布的动态变化会降低桥梁结构整体性能，甚至会削弱桥梁结构的耐久性，导致结构疲劳损伤问题。在桥梁结构出现性能损伤后，逐步演变成结构裂缝，甚至会转化成脆性破坏问题。为有效控制结构损伤问题，应对案例桥梁进行抗疲劳设计。

1）选材时以优质用料为主，侧重选择具有抗腐蚀能力的用料。

2）以结构安全、性能耐久为起点，全面落实桥梁结构设计，以此防控桥梁结构出现损伤问题。桩基、墩柱各位置均存在一定腐蚀风险，此类结构与地表水接触，会受到水中镁离子、氯离子的侵蚀。在耐久性设计时，需增强用料设计，调整保护层厚度，以此达到抗腐蚀效果。

3）开展抗荷载设计，合理布置支座点位，以此展现支座功能，防止支座受到撞击。在桥梁表层添加监测设备，全面监测桥梁结构问题，提早排查风险，增强桥梁耐久性。

6.3 抗震设计

耐久性设计中，抗震设计尤为关键。桥梁下部位置的抗震设计，以增加配筋量为主要措施。桥墩、墩柱各处可增设保护构件，达到抗震效果。在发生强烈地震时，依据相关规范的内容进行抗震设计。桥梁的抗震设计，可充分利用桥梁结构的初期强度，提高桥梁结构的延性。此种抗震设计，与强度设计法具有一定差别。延性抗震是选择特定的塑性形变位置来抵消地震作用，延长结构的使用时间，削弱地震作用。在抗震设计期间，使用塑性形变抵消地震的惯性作用，防止桥梁结构受损，维持桥梁结构的承载能力，是耐久性设计的有效措施。

6.4 防水构造设计

对桥梁结构进行防排水设计，可以减少结构渗水问题，从而增强结构的耐久性。具体可以在桥面铺装中铺设防渗较强能力的防水层，保证防水质量。

7 结语

综上所述，项目所在地域表现出地震频率高、地势高差大等特点，需给出合理的公路桥梁规划，结合结构安全、耐久性等设计要求，逐一给出设计方案，提升工程整体的质量，发挥公路桥梁设计的科学性与合理性。