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公路桥梁设计中的安全性和耐久性问题分析

2023-01-11龚万明十堰市路纬交通勘察设计有限公司湖北十堰442000

中国房地产业 2022年16期
关键词:耐久性桥梁工程预应力

文/龚万明 十堰市路纬交通勘察设计有限公司 湖北十堰 442000

引言:

安全性和耐久性是公路桥梁工程设计中的关键内容,随着我国交通行业快速发展,安全性和耐久性也面临着更高的要求。在公路桥梁工程设计过程中,往往将重点放在了构件的强度或刚度方面,针对耐久性问题考虑的深度有所欠缺,对公路桥梁设计的安全性和耐久性都带来了一定的影响,影响工程使用寿命。

1、公路桥梁设计现状

公路桥梁设计工作直接关系着工程的整体质量。在公路桥梁结构设计中,设计内容不科学、不规范的问题一旦出现,必然会使公路桥梁安全性能或使用性能无法达到规定要求,在投入使用后存在一定的安全隐患。公路桥梁结构设计应该在掌握设计方案要点的前提下,还需要考察工程现场,梳理设计内容并编制方案,对设计方案进行审核评估。工作人员为了提高设计方案的可操作性,应该按照规范文件论证设计方案。然而,在实际工作中有不少设计人员过度依赖以往经验,没有落实勘察工作,收集的工程资料内容不全面,同时受到自身专业能力的限制,没有使用科学、精准的算法,不能提高结构设计参数的准确度。设计人员不能清晰地把握公路桥梁设计要点与难点,使设计方案达不到规范标准,从而无法保障工程施工质量。设计公路桥梁的施工方案,首先要研究公路桥梁结构设计要求,分析公路桥梁耐久性设计要求,必须保证桥梁达到规定的使用寿命,拥有良好的耐久性。然而,设计人员在方案编制阶段,需要在成本控制和公路桥梁耐久性问题上进行平衡,设计人员可能会侧重考虑提高工程项目经济效益,所以容易导致公路桥梁耐久性设计不合理。或者将桥梁结构强度作为设计关注重点,在施工材料性能、抗震技术、构建技术等方面关注不足。公路桥梁设计时必须综合考虑抗震技术、构建技术,让桥梁结构在保证耐久性的前提下,达到规定的抗震等级,保证使用寿命。

2、路桥设计中安全性和耐久性差的原因

2.1 管理水平低

我国基础设施建设中占比最大的是公路桥梁工程,其是我国经济发展中的核心组成部分。在公路桥梁工程建设过程中,必须严格按照设计规范操作,如果未遵守施工规范,会给公路桥梁工程后续使用的耐久性和安全性造成影响。在我国公路桥梁工程建设中,中坚力量为农民工,他们的操作技能较差,自身素质较低,加之缺少完善的过程管理制度,使得整个工程的管理水平普遍不高,严重影响公路桥梁工程后续使用的耐久性和安全性。

2.2 缺少完善的设计理论和结构构造体系

在科学技术不断发展的过程中,设计人员要有长远的发展眼光,不能只局限于现行的技术力量和社会环境中,应放眼全球,借鉴西方国家先进的生产技术和成功经验,引进新材料和新技术,推动我国公路桥梁工程建设朝着更加先进的方向发展。超强的专业知识加之自身多年积累的丰富经验,提升公路桥梁工程设计方案的可行性和合理性,使桥梁的耐久性和安全性满足标准。大多数公路桥梁工程在设计过程中基本上能够满足规范标准,但是在投入使用一段时间以后,其耐久性和安全性问题就会暴露出来,给整体结构造成了致命的损伤。

2.3 截面裂缝问题

在公路桥梁设计考虑安全性的同时,需要重点考虑桥梁构件的抗裂性能。通常情况下,桥梁采用施加预应力来防止构件裂缝的产生,常见的预应力混凝土公路桥梁按预应力类型可分为:全预应力混凝土构件、部分预应力混凝土构件2种类型,全预应力混凝土构件主要是为了确保公路桥梁在频遇组合下不会出现正截面拉应力;而部分预应力混凝土A类构件确保在频遇组合下正截面拉应力不超过规定限值。当在相应荷载工况下,构件正截面不产生拉应力或拉应力数值不超过规定限值,确保构件截面不会产生裂缝,增加结构安全性、耐久性,设计人员必须结合公路的级别及公路桥梁的重要性、跨径等信息,灵活确定采用哪类构件,在保证公路桥梁满足设计要求的同时,降低工程造价,实现资源的合理应用。

2.4 预应力不足

在桥梁工程建设过程中,桥梁预应力构件需要保证足够的应力储备。一旦桥梁主体结构混凝土质量、预应力钢筋张拉应力偏差以及同管道壁摩擦作用、施工阶段精度控制偏差等问题出现,都会导致预应力降低或损失加大。针对应力不足的问题,必须要将公路桥梁设计与各种实际情况综合在一起进行分析,并利用科学有效的算法来进行结构计算。设计过程中应充分考虑锚具变形、管壁摩擦系数、安装过程中管道偏差系数、项目所在地区温度及湿度参数等多方面因素对预应力设计的影响;在施工阶段,还要按照批号来检测进场钢绞线,开展弹性模量实验,在预应力张拉和采浆过程中,也一定要选用智能化设备。在桥梁工程项目建设过程中,必须要按照规范性原则来展开施工,最大限度减少预应力降低所带来的损失,从而提高桥梁工程结构的整体安全性。

2.5 忽视安全性、耐久性设计

实施工程的重要依据之一是工程设计方案的编制,施工各个环节需按照方案中所设计的内容执行,如果设计方案本身存在问题,忽视了安全性与耐久性的考虑,必然会将其潜在影响延伸到工程施工中,最终将潜在危害体现到公路桥梁质量问题上,甚至引起坍塌、损毁等严重后果。有些设计人员在设计阶段缺乏对工程整体的考察和规划,致使设计方案中缺乏工程安全性、耐久性的相关设计措施。例如,有些大桥在遭受撞击之后出现大面积的损毁,甚至不能继续使用,这种情况往往与公路桥梁工程的结构设计不科学存在很大关系,导致工程损毁、经济损失以及人员伤亡等严重后果。

2.6 设计人员综合素质不高

设计人员是公路桥梁设计的主体,自身综合素质水平高低很大程度上影响着公路桥梁整体安全性和耐久性,做好设计人员的专业培训十分必要。但从实际情况来看,目前公路桥梁设计人员的素质水平并不高,还有很大的提升空间,表现在以下几点:一是设计人员对公路桥梁设计中的安全性和耐久性不够重视,认知存在局限性,部分设计人员为了节约时间,加快工作进度,经常出现在未实地考察项目区域实际情况的基础上盲目进行设计,这就导致公路桥梁设计方案在后期落实中可能存在与实地不符合的情况。即便设计速度较快,但是质量却无法得到保障。二是设计人员专业能力较为滞后,不符合现代公路桥梁工程设计要求。部分设计人员习惯了使用CAD设计软件,却不懂得如何运用更加高效的BIM技术,新技术掌握程度不足,不仅导致工作效率偏低,还会影响最终公路桥梁工程的安全性和耐久性,导致使用寿命大大下降。

3、公路桥梁设计中的安全性和耐久性控制策略分析

3.1 合理选择和配置施工材料

公路桥梁工程建设规模大,需要大量的混凝土材料,混凝土施工质量一定程度上决定了工程总体性能。所以,应加强混凝土配合比设计,选择高质量的原材料,严格控制水泥、添加剂和水等各种材料用量。施工前进行工艺性试验,分析实际结构和设计标准的差异,基于实际情况适当地优化调整,确定最佳配合比设计。混凝土耐久性设计,保护钢筋,避免钢筋与氧气充分接触发生大面积锈蚀;做好混凝土养护和支模工作,避免混凝土出现裂缝或表面受损。另外,为了确保设计工作高质量进行,还要建立相较于完善的路桥设计体系,积极吸收和借鉴西方发达国家路桥设计体系建立经验,契合我国公路桥梁工程建设实际情况形成更具特色的设计体系,为公路桥梁工程的耐久性和安全性提供坚实保障。

3.2 重视结构、构件的合理选型

在路桥的设计中,建议尽可能多地运用箱形截面,这种截面形式能够有效提高整体结构的刚度,降低路桥的疲劳振动。另外,为了防止路桥出现结构性裂缝问题,可在主桥结构的垂直、水平构件上分别施加预应力,形成一个全预应力结构,从而达到控制结构形变、防止裂缝的作用。设计构件的断面时,应适当加强混凝土棱角外观断面的密度与强度,同时控制混凝土骨料粒度的分布、密度以及强度,合理安排钢筋设置间距。另外,针对桥梁结构,以通过设置具有防渗透、抗剪切与拉伸作用的防水层。需要注意的是,防水涂层与沥青混凝土的铺装层之间,其附着力应高于沥青混凝土路面与钢筋混凝土桥之间存在的附着力,在桥面的顶面、连续梁负弯矩界面上适当设置该防水层,以达到防治水分渗透的作用,从而避免影响工程质量。

3.3 注重美观性设计

在我国建筑行业高速发展的当下,在公路桥梁施工领域出现了很多新工艺、新技术与新材料,设计人员需要学习和了解相关内容,重新思考公路桥梁设计方式,一方面需要在新材料、新工艺的辅助下,让工程施工达到合同提出的质量要求,另一方面要提高桥梁的观赏性,与工程周边的环境相适应,同时拥有美化区域的作用。因此,设计人员在设计开始前应该勘察现场,掌握周围环境概况,关注工程周边环境与公路桥梁工程设计的内在联系,在科学的控制方式下,让自然与桥梁工程可以有机地融合在一起,工程所在区域的生态平衡,不会因为工程施工遭到破坏。在因地制宜的原则下设计方案,使自然与桥梁建筑可以相互映衬,不会出现突兀的既视感。具体设计时,一方面,设计人员应该清楚公路桥梁建设目标,结合自身的工作经验,发现设计工作的要点,挑出工作的主干部分进行权衡,在桥梁工程进行期间,不会因为过度关注项目经济效益或某单一元素,破坏桥梁结构的整体性与美观性。另一方面,设计人员在桥梁美观设计方面,应该控制桥梁的桥型、布线、桥塔等部位,在设计规范下调整工程参数,让桥梁景观与选线的协调性不会遭到破坏。

3.4 提升桥梁使用寿命

桥梁建成后的使用寿命被称之为桥梁耐久性,桥梁使用的时间会给其安全性和经济性带来直接的影响。我国在开展桥梁工程设计工作时,将整体结构设计工作放在了重要位置上,忽视了细节设计。在桥梁后期维修和养护工作中没有过多考虑最终的设计理念,使得人力、物力、财力浪费非常严重,影响了桥梁的耐久性。在桥梁工程设计的过程中,设计人员应全面考虑每一个细节,注重提升养护人员和施工人员的专业技术水平,使设计效果真实体现出来。桥梁的整体结构设计与耐久性设计之间存在很大差别,从定性角度来分析桥梁的耐久性如今逐渐转向了定量分析。在桥梁设计和施工阶段重点关注其牢固性、安全性和耐久性,借助后期使用的先进养护技术、检测技术深入剖析桥梁投入使用后可能会遇到的各种灾害,使桥梁的耐久性、安全性满足使用需求。

3.5 强化上、下部结构设计

3.5.1 上部结构设计

公路桥梁上部结构设计,要求设计人员在充分实地勘察结果基础上,进一步分析桥梁整体结构受力与技术可行性等因素优化设计。一些地形平缓区域的中小型公路桥梁工程,选择筒支空心板结构,跨度小、操作便捷,在保证桥梁功能的同时,减少总体施工成本。但是此种方式不适合山区建设环境,跨径无法满足施工要求。对于此类情况,可以选择预制T梁结构,设计中适当增加跨径,便于预制T梁结构优势,优化工程结构同时,减少总体成本支出。另外,T梁属于曲线梁,结构受力平衡性与抗扭能力有所不足,可能对下部结构稳定性产生不良影响。所以,小弯矩曲线桥工程适合采用直梁结构,在可控范围内适当地调整翼缘板宽度,曲面桥平面线形得到优化改进同时,显著改善T梁桥弯矩不足的问题。

3.5.2 下部结构设计

下部结构设计至关重要,其功能在于支撑,这就需要做好桥墩选型设计,结合区域施工地质条件和上部结构特点综合考量。双薄壁墩和柱式墩是较为常见的桥墩,其中柱式墩施工期间操作便捷,并且整体的外观美感良好。在具体设计中为了保证桥墩稳定性,可以通过增加横截面,钢管外包以及碳纤维材料加固等方式进行加固处理。如果钢管外包加固可以选择椭圆形钢管,碳纤维材料加固就要结合施工环境合理安排工序,加强施工过程控制。增加墩底接触面积方式也可以起到加固处理作用,促使桥墩整体支撑力大大提升,尽可能规避桥梁结构变形。

3.6 重视桥梁工程超载问题

目前,超载问题较为常见,其很容易威胁到桥梁工程结构的安全性和耐久性。超载问题主要体现在以下几个方面:部分桥梁工程在长期使用过程中,可承重能力下降,而且安全性能也逐渐降低,这时就需要对各种类型的桥梁工程进行有效改进;桥梁自身的承重能力超出了其可承载能力;是否有违法超载通行的大型车辆。上述几个问题的出现主要是以下原因导致:桥梁承载能力无法满足当前车辆通行需求,对桥梁工程的管理和维修不足。在上述两种原因基础之上,在对桥梁结构设计的过程中,需要将区域中交通现有状况、辐射水平以及四周经济环境因素考虑其中,对设计方案进行合理化制定。此外,对此问题必须要依靠交管部门加强对违章车辆管控,在此基础上加强桥梁工程的主要构造和路面维护,确保在提高桥梁工程使用寿命的同时还可以减少桥梁工程的破坏,在现场维修养护的基础上来延长桥梁工程的整体使用寿命。

3.7 耐久性设计

公路桥梁设计工程时,同时要重点考虑公路桥梁工程的经济性与耐久性之间的关系。提高公路桥梁的使用时间,可以增加公路桥梁的经济效益。因此,在桥梁工程设计环节,应该从经济层面考量,提高桥梁的耐久性,则需要设计人员收集过往公路桥梁工程案例,查看桥梁在应用后的使用情况,整理公路桥梁在投入后出现的问题,逆推设计方案在车辆因素与自然因素方面的设计是否合理,在设计方案中,是否考虑到了车辆荷载的影响,是否考虑了围绕强风、雨水对桥梁形成的伤害进行合适的干预等。设计公路桥梁疲劳损伤内容时,应分析工程所在区域的气候环境,掌握风荷载和车辆荷载对桥梁结构稳定性造成的冲击,计算此类因素引发的内力,给出应对疲劳损失的方法,调整设计内容,应对因超载与疲劳损失形成的应力,提高桥梁结构的耐久性。

3.8 加强工程隔震设计

工程隔震设计,主要是将隔震装置设置在各结构之间,可以增加结构整体阻尼,减少能量输出的装置,可以起到提升工程结构稳定性的作用。受行车荷载和地质环境因素影响,会导致桥梁结构稳定性受到不良影响,这就需要做好工程结构的隔震设计,按照特定公式来计算等效刚度和等效阻尼等隔震装置性能。另外,桥梁附属结构的设计需要保持高度重视,类型多样,如限位装置、伸缩缝等,通过时程分析法进行分析,细部构造对附属结构整体性能影响较大,应在设计时注重附属结构细部优化,提升设计合理性。

3.9 注疲劳损伤问题

动荷载是桥梁结构使用阶段承受的主要荷载,常年累积的动荷载会给桥梁内部带来交变应力,桥梁出现强烈振动,长时间以后疲劳破坏的问题随之产生。桥梁施工使用的原材料无法整齐划一,有些材料势必存在微小的问题,在交变应力的作用下,这些问题会不断累积增加,最终形成桥面裂缝,给桥梁工程带来负面影响。如果不采取措施处理出现的裂缝,会使其发生脆性断裂。值得注意的是,早期损伤很难在第一时间被检测出来,这些无法检测的微小损伤易导致毁灭性的灾难,必须遵循桥梁疲劳损伤分析流程进行分析,疲劳损伤处理不能只局限于桥梁的整体结构上,仔细分析所有部位,特别是重点关注关键性部位,否则会影响桥梁整体结构的耐久性和安全性。

结语:

总之,公路桥梁工程项目的耐久性和安全性具有较强的系统性和复杂性,其将施工、设计和后期养护融合在一起。在我国路桥工程建设的过程中,往往将施工进度放在了头等重要位置上,而对影响公路桥梁工程耐久性的各种因素放在了次要位置上,设计人员应以整个工程的实际情况为切入点,学习和借鉴国外先进的经验,总结自身的实践经验,将自身专业知识优势体现出来,使用规范化的管理模式,不断提升施工人员的综合素质,保证和提高公路桥梁工程的耐久性和安全性,延长路桥的使用寿命。

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