桥梁设计中的安全性及耐久性研究

甄国君

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300381）

0 引言

桥梁是我国交通网络的重要组成部分。随着人们交通出行需求增加，城市高架桥、跨河跨海大桥等项目亦增多。在桥梁结构设计环节，安全性、耐久性关系到出行安全和便利，可降低交通事故的发生风险，是最基础、最重要的设计内容[1]。其中，安全性指的是正常使用环境中，在各种荷载作用下桥梁结构不会破坏损坏。耐久性指的是在设计寿命内，采用正常维护管理方案，桥梁结构能发挥出相关功能，且这个过程中不需要大修。以下结合实践，探讨了桥梁设计中的安全性及耐久性问题，供同业人员参考。

1 安全性及耐久性设计目标及重要意义

1.1 安全性设计目标

桥梁的安全性设计包括两方面内容：一是保证桥梁结构自身的使用安全，二是保证使用者的生命安全。综合考虑材料构件、疲劳极限、使用环境等因素，桥梁结构能承受设计荷载，才能满足安全性要求。依据《公路工程结构可靠性设计统一标准》（JTG2120—2020），一级、二级、三级安全等级的桥梁，其结构重要性系数分别是1.1、1.0 和0.9[2]。安全性设计中，以规定的目标可靠指标为依据，见表1。

表1 桥梁结构的承载能力极限状态目标可靠指标

1.2 耐久性设计目标

在《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T 3310—2019）中，明确指出耐久性要求包括6 个方面：①合理设计桥梁结构型式，优化构造细节，以减轻外部环境作用和干扰；②桥梁结构的钢筋混凝土部位，其保护层厚度＞最小设计值；③大体积混凝土浇筑期间，采取有效的防裂措施，减少水化热带来的不利影响；④注重防水、排水设计，能及时排除桥面积水，避免降水渗透结构内部；⑤采用后张法施加预应力，要采取科学的防护措施；⑥在作业空间设置上，既满足现场施工需求，又要考虑到后期检修维护的要求，预留出一定的操作空间。在公路桥梁工程中，公路的等级不同，桥梁的使用年限设计值也有差异，见表2。

表2 公路桥梁结构的设计使用年限 /年

1.3 安全性及耐久性设计的重要意义

（1）提升经济效益。做好桥梁的安全性及耐久性设计，不论是结构型式还是材料使用均符合要求，可以保证现场施工顺利进行，有助于缩短建设周期、避免资金浪费，并在运行阶段减少养护频率、降低维护费用，从而提升经济效益。

（2）提升社会效益。做好桥梁的安全性及耐久性设计，能提升社会效益，主要体现在以下方面：①能保证区域交通运输能力，让人们获得良好的交通出行体验；②能加快商品流通速度，促进周边第一、第二、第三产业发展；③能完善城市的基础设施体系，有助于招商引资。

2 桥梁结构的安全性设计要点

2.1 高架桥工程概况

某城市高架桥项目，采用双幅桥设计，其中左线桩号起点为ZK15+146.920，止点为ZK19+776.450，长度共计4 629.53 m；右线桩号起点为YK15+146.780，止点为YK19+785.680，长度共计4 638.90 m。单幅桥宽18.5 m，上部采用预应力混凝土工字梁，整体支架施工；下部采用U 形桥台、花瓶墩及群桩基础。以下重点介绍该桥梁工程的安全性设计方案。

2.2 结构设计

2.1.1 上部结构设计

经现场勘查，该高架桥项目的上部结构拟采用预应力混凝土工字梁、预应力混凝土箱梁、钢混组合梁三种方案。其中，预应力混凝土工字梁的优点是构件刚度大、施工难度小，结构的整体稳定性好；缺点是梁体的尺寸较大，需要配置高性能的吊装设备[3]。预应力混凝土箱梁的优点是单个梁体的稳定性强，尤其抗扭刚度大，具有较高的观赏价值；缺点是施工难度大，对预制作业的精度提出高要求，箱梁自重较大，对吊装机械的要求高。钢混组合梁的优点是自重轻，抗压和抗剪能力强，施工时的场地占用面积小；缺点是钢构件易腐蚀，会增加后期维护作业量及成本。综合比选后，上部结构最终选择预应力混凝土工字梁，见表3。

表3 桥梁上部结构设计方案对比

2.1.2 下部结构设计

该项目所在场地的抗震烈度为7°，遂采用8°设防标准。通过地质勘察，发现桩基的持力层是粉砂，黏性差，具有透水性，总体上地质条件较差，很容易发生不均匀沉降。为保证桥梁结构的安全性，综合现场地质水文条件，确定下部结构采用花瓶墩+群桩基础。其中，花瓶墩不仅强度高、抗冲击性强，而且线条流畅、造型精美，兼顾稳定性与美观性。群桩基础的特点是承台质量较大，桩身部分露在冲刷线以上，桩与土的相互作用明显，能进一步提高承载力。

2.2 材料设计

材料设计以混凝土为例，科学确定混凝土的配合比，才能保证混凝土构件的抗压、抗弯、抗劈裂强度，满足安全性设计要求。

（1）水泥。该项目选用水化热低、含碱量小的PO 42.5 水泥，且水泥中不掺杂石灰粉，严格控制水泥的细度，从而预防水化热带来的问题，避免构件早期开裂。经过计算，将混凝土中的碱含量控制在1.8 kg/m3以内。

（2）骨料。对骨料的要求是级配良好、密集坚硬，其中粗骨料的堆积密度＞1 500 kg/m3，空隙率＜40%，压碎值＜10%，吸水率＜2%，针片状颗粒占比＜5%，最大粒径为25 mm[4]。细骨料控制好细度模数，累计筛余量0.16 mm 达到95%，0.653 mm 达到40%~70%，5 mm达到5%。

（3）粉煤灰。在混凝土材料中加入适量粉煤灰，能提高混凝土的安全性和耐久性。这是因为，粉煤灰作为矿物掺合料，能控制混凝土的水化热问题，降低内部空隙率，从而增强防护性能。该次工程中，粉煤灰等级为1级，烧失量＜4%，需水量＜95%，SO3含量＜3%，7 d、28 d 混合砂浆活性指数分别＞75%、＞85%。

2.3 抗震设计

桥梁抗震设计能提高结构的抗震性能，避免或减轻地震作用带来的危害和影响。首先落实现场调查，收集工程地质、气候、水文条件，综合现有资料编制抗震设计方案。其次要计算桥梁的使用寿命，综合地震风险、安全事故风险、耐久性影响等因素，计算公式：

式中，L——桥梁使用寿命；L0——桥梁寿命建议使用数值；C——修正系数；C1——气候影响系数；C2——桥位小环境影响系数；C3——养护系数；C4——重要性系数；C5——更换难度系数。

2.4 加固设计

（1）桥面加固。桥面与通行车辆直接接触，随着车辆荷载增加，受到摩擦、振动因素的影响，容易造成桥面损坏，甚至引起内部结构损害。对桥面加固设计，一是设计标准防水层，如流水槽、排水系统，将桥面的降水及时有效排除，防止积水浸泡桥面结构。二是在桥面与路面交界处加固设计，解决裂缝、平整度不足等问题，避免发生桥头跳车事故，提高行车舒适度[5]。

（2）钢筋混凝土构件加固。针对局部钢筋混凝土强度不足的问题，需对此类构件加固处理，常用方法如下：①在原构件基础上增大截面，或对内部钢筋配置进行优化，从而增强结构的承载力和稳定性。该方法的缺点是对构件结构的改变明显，需要重新进行受力分析；②强度较低的混凝土、有质量缺陷的混凝土，将其剔除后重新浇筑，选用品种相同但强度等级更高的混凝土，增强混凝土结构的局部强度。该方法的缺点是工程量大，适用于改建扩建项目，不适用于新建项目；③针对受力不合理的部位，使用结构胶粘剂向内部灌注，形成整体受力体系。该方法的缺点是施工工艺复杂，加固效果无法准确预测；④在钢筋混凝土表面粘贴钢板或复合纤维材料，提高延展性和承载力，产生表面防护屏障。该方法不仅操作简单，而且不会影响构件的受力特征，能产生良好的加固效果。该项目中，最终选择粘贴复合纤维材料的方法，对局部钢筋混凝土构件进行加固。

3 桥梁结构的耐久性设计要点

3.1 跨海大桥工程概况

某跨海大桥工程，全长约4.5 km。该项目采用独塔斜拉桥结构，桥面最大宽度60 m，包括6 个车道、2 个超宽路肩车道、一个自行车道和行人道，设计使用寿命120 年。该桥梁采用钢混组合结构，桥墩、桥塔采用现浇+预制混凝土相结合的施工方法，主桥采用钢箱梁，所有桥墩墩帽采用预制钢结构。以下重点介绍该桥梁工程的耐久性设计方案。

3.2 耐久性设计面临的挑战

该桥梁在耐久性设计上，面临的挑战包括：

（1）环境恶劣。当地天气多变，降水量大，冬季气温最低为-25 ℃，易产生冻融循环现象，使用除冰盐对桥梁结构尤其是混凝土中的钢筋破坏性较大。

（2）工期紧张。该工程工期仅有48 个月，上下游通航时海面上不能搭建钢结构；且冬季结冰期接近3个月，会影响混凝土浇筑施工。

（3）使用寿命长。随着新技术、新设备、新材料的使用，该桥梁设计使用寿命为120 年，超过传统桥梁的50~80 年，这对耐久性设计提出高要求。

（4）养护成本低。该桥梁在设计之初就考虑到全寿命周期成本，为了降低后期养护成本，大量使用不锈钢钢材，将建成后30 年的养护成本包含在总预算中。

（5）环境保护严格。该桥梁建设除了满足经济、美观、功能等要求，还要考虑环境保护问题，采用预制拼装、驳船吊装等技术，将生态影响降至最低。

3.3 耐久性设计方法

为满足耐久性要求，该桥梁在设计中大量使用不锈钢钢筋，其中业主指定了三种型号的钢筋，分别是S32304 型、S32101 型和S30400 型。经过性能检测和成本核算，最终确定选用S32304 型双相不锈钢钢筋，全桥用量达到17 000 t，集中在桥面铺装层、引桥及伸缩缝周围、桥墩等部位。S32304 型钢筋的使用，能满足耐久性设计要求：

（1）耐蚀性强。相较于普通碳钢钢筋，S32304 型钢筋的耐蚀性更强。以耐点蚀当量（PREN）为准，普通碳钢钢筋的PREN 值为5，S32304 型钢筋的PREN 值达到27。进一步开展耐蚀性能试验，结果显示S32304 型钢筋的耐蚀性能是普通碳钢钢筋的65 倍[6]。

（2）耐高温、低温。S32304 型钢筋中的铬和镍比例较高，决定了其入编强度较高，在高温条件下依然能持续作业，在低温条件下不会发生脆性断裂，从而保证桥梁的运营安全，延长使用寿命。

（3）经济性好。一方面，S32304 型钢筋在制作中能节约镍、钼资源，因此材料成本降低，在工程建设中得到广泛应用。另一方面，该型号钢筋在后期基本不需要养护，桥梁混凝土结构中的阻锈剂不须过量添加、保护层厚度不须增大，因此养护成本降低。

（4）力学性能良好。相较于316 奥氏体、410 马氏体不锈钢钢筋，S32304 型钢筋的抗拉强度、屈服强度明显提高，兼具奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢的优点，更适合在混凝土结构工程中应用，见表4。

表4 不同类型不锈钢钢筋的力学性能对比

（5）可循环使用。S32304 型钢筋实现了100%回收利用，在节约资源的同时，施工期间无惧磕碰问题，满足绿色减碳的要求。

4 结语

综上所述，桥梁工程建设过程中，设计方案直接影响施工和运营环节，其中安全性与耐久性是两个设计要点。该文结合桥梁工程案例，分别介绍了安全性、耐久性设计方法，希望为实际设计作业提供新思路。在未来工作中，应积极转变设计理念，丰富专业知识，落实现场勘查，积极推行四新技术，以实现设计质量的提升。