市政道桥设计中存在问题与改进措施研究

吴思凯

(湛江市规划勘测设计院，广东 湛江 524002)

0 引 言

当前在经济技术与交通运输技术快速发展的趋势下，市政道桥的数量越来越多，种类越来越丰富，道桥建筑规模也日益增大。市政道桥的结构设计相对复杂，在质量与使用性能中存在一定不足[1]。基于此，本文对市政道桥设计中存在的问题与不足进行了分析，并提出了相应的改进措施，为我国市政道桥的进一步发展做出贡献。

1 市政道桥设计中存在的问题

市政道桥设计若是不够完善，会严重降低道桥的使用性能，存在较大的安全隐患[2]。目前的市政道桥设计中存在设计理念过于落后、规划布局缺乏清晰性与合理性、设计人员专业度较低等问题。基于设计合理性分析，有些设计人员在方案比选中，过于重视建设成本，而对后期运维管理等长期成本的重视度较低，这就降低了道桥的使用寿命[4]；在设计过程中，缺乏对使用环境、使用条件的综合考虑与创新，导致道桥整体美观性较差，无法符合现代化城市发展的高要求[5]。此外，传统的道桥设计方法对于使用极限状态、结构的疲劳性能等方面研究较少，导致部分道桥未达到使用年限就出现了性能问题[6]。

道桥设计规划布局缺乏清晰性与合理性，包括规划选址不够合理与规划针对性不够清晰，不符合所在城市总体规划的要求[7]。部分道桥设计没有以当地经济发展与交通出行的需求为主，导致道桥与城市用地规划布局形成的交通运输网存在一定的偏差。在道桥设计阶段，未能综合考虑建设地区的地形、水文条件、景观配置等，无法保证道桥设计与城市环境、面貌相符，降低了城市环境的整体美观[8]。也有一些桥梁在深化设计中忽略了对道桥走向、断面形式的调整，降低了规划针对性的清晰性。

道桥建设行业蓬勃发展，对相关设计人员的需求不断增大，然而，越来越多缺乏实践经验与专业技术的设计人员不断涌入道桥建设行业，导致道桥建设的人才队伍过于混乱，不利于道桥建设的发展。设计人员的专业知识与自身能力存在不足，在设计中通常只考虑道桥设计的基本安全要求，忽略了材料选择、道桥结构耐久性设计以及后期运维等问题，造成道桥耐久性较差、建设成本高，甚至存在安全隐患。

在道桥模型计算中，传统的道桥设计方法缺乏对实际运营中超载情况引发的结构疲劳损伤的计算，无法对道桥运行的交通量进行预测，导致设计结果与实际脱节情况的出现。部分道桥在沥青面层设计中，沥青铺设的厚度设计与标准要求存在偏差，导致道桥后续使用阶段，不能很好地吸收道桥板块间释放的应力，降低了道桥沥青路面的使用性能与使用寿命。受到反复荷载的作用，道桥的弹性模量会大幅度降低，道桥弹性模量设计不足，导致道桥路面会形成一些破碎的网裂，严重情况下道桥稳定层会出现剥落现象。

在传统的道桥设计中，部分设计人员未能综合考虑道路桥梁衔接位置的结构物材料设计，导致道桥的刚度与缩胀度存在一定差异，在路基与桥台之间出现沉降现象，存在较大的安全隐患。另一方面，市政道桥新旧路基拼接方面的设计也存在较大的缺陷，缺乏对旧路基土体固结、沉降速度、应力释放的综合考量，增加了应力释放与应力分布，形成一系列的路面裂缝，对市政环境造成严重的影响。

2 改进措施

2.1 确定市政道桥实体属性

市政道桥设计由多个路段构成，其设计、养护与管理的方式存在一定的不同。本文对市政道桥的层次结构进行了划分，构建的道桥层次结构图如图1所示。

图1 市政道桥层次结构图

如图1所示，本文针对道桥的结构进行了划分，包括车行道、人行道、桥梁、隧道等结构。在设计中，主要以道路、路段、桥梁及具体的部件为单位进行实施。基于市政道桥的结构特点与后期运维需求，在明确道桥实体属性时，应当根据道桥实体的三个层次进行提取，道桥的实体组成的第一层抽象层次为道路；第二层抽象层次为桥梁；第三层抽象层次包含的实体属性较多，为隧道、广场以及分隔带绿岛、道路绿化带、出租车站牌、公交车站牌、变电箱装置、广告灯箱、广告牌、道路宣传栏、自动售货亭、报纸杂志栏、人行道树木、大型停车场等。

为了实现对道桥设计的改进，首先要明确市政道桥实体属性与实体之间的关系，为道桥实体增加属性字段。本文对市政道路实体的等级进行划分，划分为4个类别：快速路、支路、主干路与次干路。针对等级划分结果，获取道路的长度与等级之间存在的关联，为后续道桥改进措施的设计提供保障。

通过市政道桥实体属性可知，市政道桥是由多个路段共同组成的，道桥与路段之间的实体关系为一对多的关系，不属于某个具体路段。因此，在道桥设计改进措施中，需要全方位地考虑道桥的实体属性。

2.2 计算道桥结构基本特征

道桥结构基本特征是道桥设计的重要组成部分，能够为后续道桥性能约束条件提供基础的数据支撑。首先，分析道桥的主梁截面特性，根据主梁截面几何特性计算结构内力作用效应组合。道桥结构基本特征如图2所示。

图2 道桥结构基本特征

本文依据编制力学原理，采用有限元的方式，进行道桥结构基本特征计算。道桥结构在不同设计阶段中，截面的几何特性不同，本文将其划分为不同的结构阶段，分别进行计算求解。市政道桥截面总面积计算公式：

An=∑Ai

(1)

道桥全截面重心至梁顶距离计算公式：

(2)

道桥分块截面至重心轴惯性矩计算公式：

Ix=Ai(yn-yi)2

(3)

道桥截面惯性矩计算公式：

I=∑Ix+∑Ii

(4)

式中：An为道桥截面总面积；Ai为道桥结构中各个分块面积；yi为道桥分块截面重心至梁顶距离；Ix为道桥截面分块惯性矩；Ii为道桥分块截面自身分块重心轴惯性矩。根据上述计算公式，获取道桥截面的几何特性参数，采用力学函数公式，将各个特性参数进行组合求解。

依据市政道桥设计规范，在道桥设计中，应当保障道桥结构的稳定性与牢固性，使结构受力公式满足道桥抗剪承载力要求，避免结构存在安全风险。设定X与Y分别表示道桥设计中未知和已知的变量参数，结合道桥结构抗弯承载力的要求，得出道桥受弯构件受压区高度限制与配筋限制表达式：

(5)

u2≤u4≤u3Y5

(6)

式中：Y1为道桥混凝土抗拉强度标准值；Y3为道桥主筋强度设计值；u1为道桥受弯构件配筋百分率；u2为道桥受压区钢筋重心上缘距离；u4为道桥受弯受压区变形高度；u3为道桥截面混凝土的有效高度；Y5为道桥相对界限受压区高度。道桥结构除了需要满足抗弯承载力以外，还需要满足抗剪截面限制条件，以控制道桥截面箍筋的配筋率，表达式为：

Y6(u5+Y8)≤u6

(7)

式中：Y6为道桥结构抗剪截面的安全性系数；Y8为车辆引起的支点剪力；u5为道桥箍筋的抗剪力；u6为道桥结构中第一段抗剪力箍筋配筋率。

基于上述计算公式与表达式，获取市政道桥设计的结构基本特征以及安全性约束条件，在道桥设计改进措施中，应当在满足结构特征的同时，还要符合道桥承载能力极限状态以及抗弯与抗剪承载力的需求。

2.3 构建市政道桥耐久性模型

道桥耐久性是提高道桥使用时间与寿命的重要指标，也是反映道桥结构后期碳化深度与运维管理的主要形式。本文通过构建市政道桥耐久性模型，进一步对道桥设计进行优化改进。

首先，基于道桥设计的寿命，对混凝土桥梁的耐久性进行定量分析，设置模型的相关参数。结合桥梁T梁耐久性设计的计算方法，本文在耐久性模型中输入以下参数作为耐久性的主要指标：道桥混凝土结构保护层厚度、道桥使用中的碳化深度、道桥混凝土表面的抗压强度、道桥建设环境温度与湿度。通过模型中输入的性能指标，实时记录道桥物理化学反应的变化过程，获取道桥成分与化学性能的变化，进而掌握使用功能。相关研究表明，道桥混凝土碳化区的深度可达到钢筋的表面，当钢筋出现脱钝现象时，表明此时为道桥耐久性的极限状态，道桥耐久性的功能函数为：

s(t)=c-c0-c(t)

(8)

式中：s(t)为道桥T梁耐久性函数；c为模型中道桥保护层厚度；c0为模型中道桥碳化深度；c(t)为道桥受到应力时的碳化深度。通过函数表达式，获取道桥耐久性保护层的相关数据，在此基础上，基于大气碳化环境的作用下，通过道桥结构受弯可靠度指标与受剪可靠度指标，取标定的基准值，获取道桥可靠度统计参数，见表1。

表1 市政道桥耐久性可靠度统计参数

在道桥设计中，综合考虑可靠度统计参数的变化，完成市政道桥耐久性改进措施。分析道桥耐久性失效的主要原因，判断车辆荷载作用与道桥截面结构碳化作用时间之间的关系。基于行驶车辆的荷载作用，设计道桥后续的维护与管理方式，全方位提高我国道桥结构的稳定性。

综上所述，本文在市政道桥设计改进措施中，在约束条件设计方面增加了道桥的耐久性设计，共同校正并修改道桥设计的不足。

3 对比分析

为了验证本文设计的市政道桥改进措施的可行性，设计如下文所示的对比实验。本次实验以某地区项目建设桥梁为研究对象，该项目建设桥梁总长度为 752.03 m，桥面的整体净宽为 2×15.35 m，桥梁整体宽度为 25.65 m，包括双向 6 排车道，车道净宽 2×12.35 m，边支点及跨中梁高为 2.8 m，桥梁上部结构主要采用 25、30 m的装配式预应力混凝土箱梁，箱梁顶板厚度为 0.35 m，下部结构为柱式墩，整体桥梁为连续桥面结构体系。首先，根据市政道桥设计的规范与要求，新建结构样板项目，调整项目单位，采用毫米为单位建立桥梁 BIM 模型，获取桥梁构件定位，以模型线的方式绘制桥梁中心线，如图3所示。

图3 桥梁中心线平面单位

如图3所示，为本次实验中，桥梁设计的中心线平面单位，以桥梁的起点和终点桩，作为BIM模型线的起始点。创建市政桥梁的箱梁族，并保存在族库中，将道桥设计项目载入具体的箱梁族，并设置箱梁的具体参数，作为桥梁自动布置的起始参数。本次实验的箱梁自动布置起始参数见表2。

表2 箱梁自动布置起始参数

完成上述实验准备后，将本文设计的市政道桥改进措施应用到实验中，结合传统的道桥设计方法，对比两种设计方法对桥梁改进处理后桥梁的应力值变化情况，对比结果见表3。

表3 桥梁应力值对比结果

根据表3可知，本文提出的市政道桥改进措，对桥梁改进处理后，上下缘最大应力值可达19.24，最小应力值可达13.97，与采取传统方法的桥梁的应力值之间差异性较大，各项应力值均高于传统方法改进的桥梁，因此证明了本文设计的改进措施能够有效地提高道桥结构的应力值，保证结构的稳定性。

4 结束语

综上所述，在我国交通运输行业快速发展的趋势下，道桥数量与种类越来越多，对道桥设计的标准与规范也在不断提高。然而，现阶段，我国部分市政道桥设计中仍然存在一定的质量与技术问题。基于此，本文对当前市政道桥存在的问题与不足进行了全面的分析，并提出了相应的改进措施。本文的研究有效地提高了道桥结构的稳定性与安全性，改进了传统道桥设计的不足，为我国市政交通的发展提供了一定的借鉴价值。