市政桥梁设计中的安全性及耐久性探讨

文／张圃维 常德市规划建筑设计院有限责任公司 湖南常德 415000

引言：

市政桥梁工程建设，对于推动城市发展、促进社会稳定具有重要作用。现今市政桥梁工程的建设水平呈上升趋势，但在设计方面仍存在一些问题，即对桥梁的耐久性设计研究不足，从而间接导致桥梁使用寿命缩短，严重的甚至出现结构损坏、桥梁跨塌等安全事故。2018年《公路钢筋混凝及预应力混凝土桥涵设计规范》修订后，将耐久性设计内容单独列出，突出耐久性设计重要性。由此可见，提升市政桥梁安全性与耐久性硬性要求，设计中必须得到重视，使桥梁在设计期内较好完成其功能，避免造成不必要的损失或事故。

1、市政桥梁的设计特点

1.1 设计规范存在差异性

市政桥梁与公路桥梁规范相近又存在差别。现行《城市桥梁设计规范》以《公路桥涵设计通用规范》为参照而编制，强调城市交通环境的独特性，例如，在城市中车辆密度高且通行缓慢，高峰期交通拥堵几率大，人群荷载密度大，人行道及市政管线铺设等，这些差异体现在规范参数取值上。因此在市政桥梁设计中选取与城市交通环境实际相符合的参数值，是保证安全性和可靠性的重要关键点。

1.2 设计高程影响因素众多

市政桥梁高程控制存在一定复杂性，其高程受市政道路的设计时速、坡度、坡长等因素的影响比较显著，对于有航要求或跨线的市政桥梁，同时还须考虑通航净空、道路净空、桥下游道净空等因素，这就要求桥面高程与梁底高程二者共同控制，从而确定市政桥梁的整体高程。

1.3 结构选型影响因素广泛

在市政桥梁设计中，结构选型居于首要地位。市政桥梁设计既要考虑交通环境、施工工艺及技术经济指标，还需要结合周边环境与建筑风格，力求在外观美学上与环境的和谐。以城市中小桥为例，一般多采用线条简单轻巧的桥型，如预制板梁或小箱梁，二者梁高较矮能节省空间，而预制梁可快速安装，减小施工对城市的交通阻碍。现浇梁整体性好且跨越能力强，更适合城市立交桥和高架桥，同时具有良好的景观性。对于跨河桥梁，结构自身的景观要求相对更高，通长采用造型圆润古朴的拱桥、优美大气的斜拉桥，但二者经济成本高且施工难度较大。因此，市政桥梁选型需兼顾多重因素，做到实用性与美观性的统一。

1.4 排水系统设计的必要性

市政桥梁的排水系统设计至关重要，雨水不可随意排泄。由于城市交通环境的特殊性，暴雨、洪涝及冰冻等自然环境因素对市政桥梁影响显著，排水设计是否考虑充分，不仅直接关系到车辆交通、行人出行的安全与便利，而且影响着桥梁自身的使用寿命。对于跨线桥、高架桥，因桥梁总长较长，排水设计应尽量利用横、纵坡度，将雨水汇集至市政管网，对于跨越水系或沟渠的桥梁，雨水可通过泄水管收集后直接排放。通过合理的排水设计，消除桥梁在使用过程中的安全隐患，避免对周围基础设施和建筑结构造成不良影响。

2、市政桥梁设计中安全性与耐久性不足的原因

从近年来发生的桥梁垮塌事故或者桥梁病害案例来看，在桥梁设计方面尚有一些亟待完善之处。市政桥梁工程建设中，往往重视结构安全，忽视桥梁耐久性。安全性与耐久性问题的出现，主要有以下几个方面原因。

2.1 设计理论的局限性

结构设计理论系建立在符合诸多基本假定的理想状态下，但在实际应用过程中会受到众多复杂因素影响，包括自身因素与外界因素，以致结构计算效应值与理论值存在偏差，这种偏差是影响结构耐久性的重要原因之一。耐久性是一个设计概念，一般通过设计规范中给出的具有安全储备的经验值来保证结构耐久性，但在不同环境、不同受力状态下无法以组合系数、计算公式等形式予以量化，所以耐久性无法精确计算。这种由设计理论带来的局限性是无法避免的，因此在设计时需要从材料、结构体系等自身因素与运营环境、施工条件等外界因素出发，准确掌握各项影响参数，细化分析得到与实际相近的计算值以消除误差，必要时在满足规范要求且经济合理的前提取保守值。

2.2 设计理念的偏差

设计人员普遍的主观认知也对桥梁安全性与耐久性有着重要影响。在市政桥梁设计过程中，设计人员往往着重于桥梁结构强度刚度验算，对结构材料与细部构造分析、耐久性与抗疲劳性设计、结构维护与保养等方面予以忽视，如材料配比不佳、混凝土强度与抗渗性不够、保护层厚度偏小、钢筋直径或间距偏小等。认知与设计理念上的偏差是安全隐患的源头，导致桥梁运营后因耐久性不够，引发桥梁病害，最终影响结构安全。因此结构安全性与耐久性问题在设计中应当充分重视，保证桥梁结构计算安全性的同时，重点关注桥梁后期的耐久性问题。

2.3 结构选材的不严谨

在不少运营多年的市政桥梁中，尤其是跨水系桥梁，下部结构被腐蚀现象严重，有害物质如氯离子以水为载体破坏结构防水，经由碳化的混凝土保护层再进入结构内部，使钢筋锈蚀膨胀，加剧结构开裂，形成恶性循环，从而降低桥梁整体质量与耐久性。而材料自身的指标性能是影响结构耐久性的内在因素，水泥品种及用量、混凝土配制质量、防水层质量及外加剂种类、参量等共同决定着混凝土结构碳化与裂缝发展，因此在上承雨水下跨河流的市政桥梁设计中应重视结构材料的选取与质量标准的把握。

2.4 远期交通量预测不足

近年来随着城市经济发展，汽车数量快速增长，城市交通环境呈现车辆密集度高、车行缓慢、交通拥堵概率大的态势，重载、超载现象时有发生，而运营多年的老旧桥梁在当初设计时，未能及时预测未来交通量，即设计标准不能满足当前汽车荷载要求，超载或满载、车辆冲击力等均加大了桥梁的应力幅度，若桥梁本身存在病害如细小裂缝，在拥堵交通状况下，将继续发展扩大，对结构长期使用性能和耐久性产生极不利影响，这也是上世纪八九十年代建造的桥梁，于近几年大批量维修加固的原因之一。

3、市政桥梁设计中安全性与耐久性的提升策略

3.1 优化桥型结构

桥型选择是市政桥梁设计的重点，总体上决定了结构安全耐久性方向。选择合理的桥型结构，使各构件应力均匀，使材料的性能充分发挥。2018年《公路钢筋混凝及预应力混凝土桥涵设计规范》修订后，补充了相关规定，对结构选型提出了要求，以有效保证桥涵结构的安全耐久性。

以城市中小桥为例，受弯的桥跨结构如简支梁、连续梁等在荷载作用下应力不均匀，梁桥材料强度不能充分发挥，跨越能力低，一般单跨不超过40 米，若要加大结构跨径，需要通过优化截面来调整应力状态，其中结构振动、荷载的横向分部是设计重点。受压的桥跨结构如拱桥，则应力均匀，混凝土抗压性能发挥较好，适用于跨径不大且有桥下净空要求中小桥，若需增大拱桥跨径，宽跨比减小，则存在失稳问题，其中合理拱轴线、基础水平推力平衡是设计的重点。对于预应力结构，尽量采用全预应力或A 类预应力结构，保证不出现拉应力或者限制拉应力，以防止裂缝出现，截面转角节点处采用圆弧过渡，避免应力集中。

桥型结构不同，设计侧重点也不一样，尤其是如加强截面变化处配筋、加强泄水管或伸缩缝处防水设计、桥头路基处理等，处理好振动、线形平顺、桥头跳车等细节问题，应充分考虑，以完善细节设计来提高结构整体质量及耐久性。

3.2 转变设计理念

桥梁耐久性不足导致后期维护成本高、安全隐患大的案例不在少数，实践证明，桥梁耐久性设计与结构承载力设计同等重要。设计人员需要转变“重结构轻使用”的固定理念，统一考虑结构设计与耐久性设计，对营运期间桥梁性能有预见性认识，使结构便于检修与维护，降低桥梁建设综合成本。

鉴于设计理论建立背景与实际工程环境存在差异，在桥梁设计时，因掌握影响结构耐久性的主导因素，如雨雪冰冻气候条件、地表水侵蚀性介质含量及对下部结构影响程度等，全面考虑影响耐久性的各项条件。

耐久性设计虽然是抽象的设计概念，但体现在桥梁设计的全过程中，只有对桥梁耐久性有了正确认识，才能将其贯彻在设计过程中，这便要求设计人员统筹考虑，把握细节。

3.3 确定合理保护层厚度

混凝土保护层厚度，是体现混凝土结构抗拒外部环境侵蚀的重要指标，其取值对结构的承载力及耐久性有直接影响。保护层厚度取值小，则增加了截面有效高度，对提高承载力有利，但易碳化使钢筋锈蚀；保护层厚度取值过大，则能减慢碳化速度，保护钢筋免遭锈蚀，但降低了截面有效高度，对承载力有不利影响。因此，保护层厚应合理取值，当结构位于侵蚀性环境中时，保护层厚度取值可在规范给出的最小厚度基础上适当增大10%-20%，这样能延缓混凝土碳化过程时间与氯离子侵入至钢筋时间，使结构免于侵蚀时间则增加，有助于提高混凝土结构耐久性。

此外，鉴于钢筋混凝土结构因施工质量因素存在偏差，导致保护层厚度不够，设计时还应考虑施工误差对结构耐久性的影响。保护层厚度取值可在规范给出的最小厚度基础上，增加一个1.1-1.2 的误差修正系数，对于重要构件或处于侵蚀性环境的结构取较大值1.2，一般构件可取1.1，以此来消除施工误差，保证结构耐久性。

3.4 合理选择原材料

钢筋混凝土结构长期暴露在空气中，受外界有害物质腐蚀存在材料劣化现象，主要表现为混凝土碳化、钢筋锈蚀、碱集料反应以及冻融破坏等。而在城市环境中，高浓度二氧化碳、有害气体排放、热岛效应等人为因素加速了材料的劣化，因此在桥梁耐久性设计时，应针对性分析，从抗渗、抗冻、抗侵蚀、碱集料反应等几方面着手。

水泥品种，选用纯硅酸盐水泥与自选的矿物掺和料作为胶凝材料，减小水泥水化热，降低混凝土构件内外温差，从而减少温度裂缝。配比时适当增加水泥用量，可改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实度，增加混凝土的碱性储备，从而增强了抗碳化能力。在水泥用量不变的条件下，选择合理的水灰比，减小水灰比可减小混凝土空隙率，增加密实度，提高了抗碳化能力。设计时应严格控制水泥中含碱量、氯离子含量，尤其是下部结构选用抗渗性能好的水下抗渗砼。实践表明，混凝土中掺入适量粉煤灰可提高混凝土抗渗性与耐久性。配比时适当合理的外加剂，能较好与混凝土结合，增加其牢固性，通长选用优质的加气剂和缓凝剂，可加强混凝土质量，降低碳化效率。骨料选用热膨胀系数小、含泥量低、连续级配的骨料，可减结构孔隙，增加混凝土密实度，从而增加抗碳化能力。

对于暴露于侵蚀性介质环境中的构件，可采用高性能材料，如伸缩缝用钢纤维混凝土浇筑固定，其预埋筋采用耐腐蚀钢筋。在高腐蚀性环境如高氯离子浓度水中，可适当使用环氧涂层钢绞线和钢筋，研究表明，环氧涂层钢筋配合高性能混凝土，结构使用寿命可提高40%。

3.5 加强防水层设计

桥面防水是桥梁耐久性的一个重要方面，对于延长桥梁寿命起到关键性的作用，桥面防水必须和桥面排水配合，做到防排结合。

桥面排水，主要利用桥梁横纵坡度协助排水，在横、纵坡符合规范要求前提下，可适当加大桥梁纵坡来提高桥面排水效率。与市政道路对接的桥梁，在确定道路纵坡时，应统筹考虑桥梁纵坡，在桥梁设计范围内合理避开凹型曲线，以免桥面积水。

桥面防水设计中，将现浇水泥混凝土铺装层添加抗渗剂形成刚性防水层，下设有良好的抗渗、抗剪、抗拉的防水层，即柔性防水和刚性防水相结合。同时，桥面防水混凝土层钢筋网应设必要的抗裂、抗剪钢筋，保证桥面铺装整体性，在墩顶负弯区的防水混凝土层是防水薄弱环节，该区域宜增设钢筋网层，提高其抗裂性能，从而阻止裂缝产生。其次，在处理好排水管口、伸缩缝、防撞墙处防水细节，保证防水层的连续性也至关重要。

防水材料的选择应根据结构受力特性、桥面铺装材料性能及施工特点来综合考虑。例如圬工拱桥，拱上填料施工时的摩擦力或冲击力，会对拱顶防水层产生不利影响，造成防水层穿破，因此圬工拱桥对于防水材料耐磨、抗拉性能有更高要求，实践经验表明，圬工拱桥采用SBS 防水卷材的防水效果明显好于传统的油毡。

3.6 重视疲劳损伤分析

桥梁在车辆荷载冲击力和制动力等长期疲劳荷载作用下，主梁反复振动，桥面反复秏磨，导致结构裂缝出现与桥面铺装损耗，即产生疲劳损伤。疲劳损伤能提高混凝土的渗透性，如透水性、透气性等，加速混凝土碳化及钢筋锈蚀速度，从而大幅度降低桥梁混凝土耐久性。疲劳荷载和环境腐蚀的共同作用是加剧混凝土桥梁损伤与劣化的根本原因，有研究表明，疲劳荷载和环境共同作用下，混凝土桥梁结构寿命明显低于单一疲劳作用下的寿命。因此，处于交通密集环境的城市桥梁，应认识到疲劳性能设计的重要性，充分考虑疲劳荷载，进行疲劳验算、桥面磨损验算。

3.7 做好交通量分析

区别于公路桥梁，城市桥梁有车辆密度与人群密度大特点，因此在结合规范设计时需考虑荷载的特殊性，如人行道铺装、管线铺设、景观装饰荷载等。规范《城市桥梁设计规范2012版》对于车辆荷载及人群荷载的取值规定，高于《公路桥涵设计通用规范》的取值，在规范《城市桥梁设计规范2019 版》中，对车道荷载的集中荷载标准值下限进行了修订，由180kN 提高至270kN，表明新规范考虑了近年城市交通量变化对桥梁结构的影响。设计规范证的修订，证明了城市桥梁与公路桥梁的交通环境区别。

在城市交通环境中，应该注意的是高峰期拥堵。研究表明，小型车辆与大客车形成的拥堵，实际车辆荷载效应低于按桥梁规范设计值，即此类拥堵不会对桥梁的安全性与耐久性产生直接不利影响。但是，拥堵车辆中若含如渣土车、水泥搅拌车等重车，其产生的车辆荷载效应可能超过桥梁规范设计值，致使桥梁的安全性与耐久性降低。此外，长期持续性的交通拥堵，对桥梁附属构件如伸缩缝、支座、桥面结构层等产生累积性损伤，间接影响桥梁的耐久性能与使用寿命。

因此，对于城市桥梁设计，还应结合城市交通规划，预估远期交通量，在合理经济指标允许范围内，适当加大结构设计中的安全系数，也是提高桥梁安全性与耐久性的方式。

结束语：

市政桥梁占有城市基础设施建设较大比重，城市桥梁在设计基准期内能否正常发挥其功能，不论从使用功能角度还是经济成本角度来看，都有着至关重要影响，而桥梁耐久性与使用功能密切相关。当前我国市政桥梁在安全性与耐久性设计方面仍存在较大提升空间，耐久性问亟待解决，为此，我们应该借国内外成功经验和案例，认识桥梁耐久性设计的重要性，从桥梁结构选型、设计理念转变、工程环境分析、材料选用、结构细节设计等方面入手，做深入研究、合理优化，确保桥梁达到预期使用寿命。