公路桥梁设计中的安全性和耐久性设计研究

朱喜

（湘西土家族苗族自治州交通规划勘察设计院长沙分院，湖南 长沙 416099）

0 引言

公路桥梁建设工程质量应符合质量评价标准，包括结构总体强度、弯曲刚度、安全系数、可靠性和耐久性等方面。值得注意的是，公路桥梁工程施工受众多条件的限制，施工难度大，应该开展全面的准备工作，尤其是对设计环节的合理控制，借此提升工程的安全性与耐久性。为实现上述目标就需要提升总体设计质量与水准，改变传统的设计理念与方式，在此基础上做好安全、进度与质量管理，推动工程建设的顺利进行。

1 公路桥梁的安全性与耐久性设计概述与基本要求

1.1 概述

建筑的安全系数与构件的安全设计等级、构件重要系数以及构件荷载组合有关，在开展公路桥梁设计的过程中，要重点注意构件的弯矩剪力、结构应力和扭矩。桥梁耐久性与结构原材料的等级、最少混凝土的强度级别、最大含碱量等有关，耐久性好的公路桥梁的维修次数少，使用年限长。我国目前公路建设工程的总数呈现逐年增长的趋势，规模也在逐渐扩大，然而一些公路桥梁在设计环节中有关数值计算上存在一些问题，导致公路桥梁工程项目设计方案总体质量无法达到相关标准，从而使工程项目投入使用后出现安全性与耐久性问题。

1.2 基本要求

公路桥梁设计过程中，受地形、地质等环境的影响，很难保证设计结构能完全适应具体地形。为保证公路桥梁设计方案的精确性，务必综合考虑设计过程所涉及的材料和结构问题，制定合理的计划方案，保证公路桥梁安全性和耐久性。

桥梁建设环节中应注意桥梁布置和地形地貌，保证整体设计效果，考虑到周边住户或其他环境对桥梁建设产生的影响。在公路桥梁设计过程中，明确使用地基结构的方式，挑选节省财力物力的工程施工方案，保证后续工程施工对应的结构施工全面性和易用性，强化附属设施铺装安装特殊效应。值得注意的是，环境因素具备难以控制的特征，因而施工队伍应灵活应用先进的施工技术，在做好安全防护的基础上能积极应对恶劣环境产生的不良影响。此外，可以搭配应用有利于运输的机器设备，提升公路桥梁工程质量和设计科学性[1]。

2 公路桥梁安全性和耐久性设计问题

2.1 设计不完善

设计人员在设计中除了关注施工规范外，还要多考虑结构的合理化、周边原材料的品质、后续维护保养等，不然无法保证公路桥梁的长期使用。桥梁设计、施工和应用的状况下经常会出现问题，主要有对结构全面性和延展性把握不全面、测算策略和承受力线路不清楚、混凝土的强度等级太低、结构保护层厚度过小、结构断面尺寸偏小等，上述问题的存在均会降低结构构件的耐久性，严重影响结构稳定性。

2.2 施工管理水平低

一般来说，工程事故通常是野蛮施工及管理不规范所造成的。桥梁的突然破坏和塌陷，通常是工程质量不符合标准和设计规定所造成的，如材料的强度不够，施工工艺不过关，桥梁材料存有以次充好、偷工减料等问题，为桥梁安全性带来致命的影响。与此同时，很多公路和桥梁并没有达到规定的使用年限就出现了损坏和老化的问题，这也与工程施工质量不高相关。现阶段，施工工地经常出现的保护层不够、构件裂开等棘手的问题，可能是由于采用的混凝土配合比、振捣、养护落实不到位、预应力不科学所造成的。这种工程施工缺陷在短期内不会明显影响桥梁的正常使用，但是经过长时间的使用，会对桥梁工程的安全性与耐久性产生不良影响[2]。

2.3 预应力损失

管道壁和预应力间的相互摩擦，台座间产生了应力松弛，而温度差也产生了应力破坏。公路施工过程中所使用的建筑材料和锚具，会由于环境温度、外部条件而变形和压缩。此外，公路桥梁设计需要使用很多水泥，混凝土具有强弹力、高压缩的特点，在收缩过程中也会产生变形问题。

2.4 横截抗裂性能较差

预应力混凝土受弯构件影响时，在各种级别抗震特性的共同影响下作用在整个预应力结构中，并随着短期效应组合的配合应用，使混凝土结构中产生正截面拉应力的情况，部分预应力结构超过了极限应力值。在具体设计过程中，由于公路桥跨度较大，且总体结构重力较高，为了按照结构的耐用性规定来设计，选择了全应力结构。

2.5 结构扰度有待提升

公路桥梁中预应力混凝土结构的挠度值受载荷和部分应力的共同影响。为确保公路桥梁外观的美观性，部分设计者制定了各种预应力结构，但是没有考虑到以上两种结构挠度值因素对承受力混凝土结构具体变动的影响，造成混凝土往上反拱，不符公路桥面平整度规定。在后续设计中，应精确控制应力，控制钢筋含量，为确保总体安全性，选用竖向位移结构。

2.6 公路桥梁设计市场发展不够成熟

近些年，我国公路桥梁工程项目总数不断增长，范围也在逐渐扩大。为了确保公路桥梁的设计和工程质量，市政部门务必提早做好充足的准备，从城市计划中合理布局工程项目。然而实际情况却并非如此，相关部门在设计路桥项目时，并没有充足搜集相关信息，为了能追赶进度，私自分配设计人员开展路桥区设计，通常忽视了一些细节，造成公路桥梁设计存有较大风险，不益于公路桥梁安全性和耐久性[3]。

2.7 设计图纸和计划方案审核不严格

在公路桥梁建设中，设计工作至关重要，各个环节的设计细节也应当得到足够的重视。因此，在具体实践中务必严苛审查设计图纸和计划方案，保证公路桥梁设计品质符合规定。审查工程图纸和方案时，综合考核材料的性能和公路桥梁结构参数，按有关规定进行对比、分析与调整，持续弥补设计方案系统漏洞。可是就具体审核工作来说，一般由设计部门统一设计和审核，设计和审核这两项任务并不是切分进行的。这样即便存在设计问题，也很难被检测出来，留下设计安全隐患。

3 公路桥梁安全性和耐久性设计措施

3.1 完善耐久性设计方案

在混凝土结构耐久性设计环节中，要了解耐久性的相关要求，并按照要求科学合理地进行设计。混凝土是公路桥梁建设关键施工材料，确保混凝土结构的应用特性，才能保证结构整体的运用特性。除此之外，在设计里还应注意作业人员的相关操作，推动施工的规范化进行，简单化施工步骤，达到桥梁设计的耐久性标准。

3.2 增加保护层厚度

保护层是公路桥梁结构不可或缺的一部分，增加保护层厚度能够减少外在因素对钢筋材料产生的影响，防止浸湿，有益于混凝土结构的长期应用，是提升整体结构耐久性的重要方式。缝隙也是影响公路桥梁耐久性的关键因素之一。要针对缝隙进行合理处置，确保结构整体的稳定性[4]。

3.3 有效设计防水层

混凝土材料类型繁多，不同工程施工质量要求不同，混凝土材料的选择也存在一定的差异。对于铺装而言，必须采用密度高的混凝土材料。在铺装环节中，务必铺设钢筋网。与此同时应当束缚混凝土材料，防止裂开。防水设计的过程中应注意建筑材料的防潮效果，可以选用复合纤维混凝土在屋顶开展设计。不同位置的施工标准不一样，防水层的设计也有一定的差别，但总体防水效果应当满足要求。除此之外，还应设排水管道，确保给排水工程的合理化，在存水过多时可立即排出。

3.4 重视路桥超载问题

汽车超载严重影响公路桥梁的使用寿命，造成公路桥梁内部结构受到破坏，维护保养难度加大。超载严重的话，公路桥梁结构还会被破坏，行车中很容易导致严重的安全事故，威胁人们的生命财产安全。因此，需要重视公路桥梁内部结构问题，在设计中考虑到这些因素，针对性地加以控制，提升设计效果。

3.5 借鉴优秀经验，提高设计质量

我国目前公路桥梁设计上存在许多问题，使用体验和稳定性无法得到保障。管理能力低、工程质量差是导致这种情况的重要原因，各种问题难以在短期内有所改善。这就需要设计师在设计中要了解各个阶段的细节，把握工程材料质量以及技术，在这个基础上进行系统设计，设计各种工程施工方案，挑选比较适合公路桥梁工程的施工方案，保证公路桥梁工程质量达到对应的技术标准。

3.6 提升公路桥梁抗震性

先从抗震等级的结构关键点考虑，融合对应措施确保结构安全性，随后从总体上开展设计。考虑到测算剖析、结构设计和结构型号选择，尽量采用连续梁，以3～4 孔为最佳桥联长，设置多个制动桥墩。其有助于分散梁桥的震害压力，增强制动墩作用，增加中小跨距离，减少大跨径，实现了山区地带的桥梁“大震不倒、中震可修、小震不坏”。

3.7 重视疲劳损伤设计

实际工作中，由于公路桥梁结构受到载荷的长期循环变化应力，导致桥梁结构发生振动。受到长期的影响后，桥梁结构更容易发生疲劳破坏，当桥梁磨损面积累到一定范围时，桥梁内部结构也易产生裂纹。公路桥梁建设初期疲劳对结构的冲击作用较强，会造成严重后果。因而，应注意疲劳损伤问题，采取措施降低其负面影响。

3.8 提升载荷承受能力

伴随着社会经济的飞速发展，作为公路桥梁关键客户的物流行业面临非常大的经营压力，汽车超载问题更加明显。针对该短板问题，一方面要调节地市政府的宣传政策，提升相关执法部门的定期检查改正；另一方面需在公路桥梁设计环节尽早抵制超重问题，采用各种对策不断提升公路桥梁承重压力水平，最大程度地增加公路桥梁使用寿命并提升运行效率，井然有序地开展各项经济活动。

3.9 桥梁耐久性设计

完美的公路桥梁设计算得上是确保可靠性和耐久性的一个重要的方式。因而，在具体公路桥梁设计环节中，需要综合考虑各种影响因素，保证各设计阶段切合实际状况，从而确保道路安全性。伴随着社会的进步，桥梁工程施工常用材料的选择愈来愈多元化，但实际上桥梁工程施工常用材料不可避免会有形变和特性衰退问题，特别是行车压力与日俱增，导致公路桥梁耐久性慢慢降低。因而要想增加公路桥梁使用寿命，设计时应该注意材料的耐久性。依据常用材料的特性设计科学合理的桥梁结构。如公路桥梁建设过程中应用数量最多的就是混凝土结构，为了防止其形变所引起的桥梁结构问题，必须在设计前期对材料进行全方位检测。挑选质量过关的建筑材料，能够从源头上为公路桥梁安全性和耐久性打下基础[5]。

3.10 桩基设计

桩基设计是否可行合理直接关系公路桥梁的建设工期和品质。这就要求设计人员在具体设计阶段综合考虑公路桥梁的结构特点，采取措施进行处理以保证桥梁桩基稳定性、安全性。相对而言桥梁的载荷非常大，不仅要仔细比对施工场地的地质主要参数，还需要明确实际单桩承载力，并依据桩基具体承载力设计施工方案。此外，桩基工程完工后，应科学开展静载荷试验，以保证施工质量。

4 结语

总而言之，公路桥梁的应用性能指标会严重影响其经济收益，并且对社会的发展有较大影响。为了保证公路桥梁安全、稳定，提升设计质量也是建设工程中的重要环节。需要结合公路桥梁运用现况，改善传统设计理念与方式，参考国内外先进的设计经验，提升公路桥梁设计水平。严格规范公路桥梁设计人员的技术，加强工程各施工环节管理，确保设计工作合理化和公路桥梁整体结构品质。