公路桥梁设计中的安全性及耐久性研究

2023-12-04胡志刚

运输经理世界 2023年26期

关键词：耐久性设计方案安全性

胡志刚

（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西南昌 330052）

0 引言

桥梁的安全性和耐久性是公路桥梁结构设计的重要组成部分，对城市基础设施现代化建设具有至关重要的作用。对此，设计单位和相关人员需要给予高度重视，通过科学的设计方案提高桥梁的安全性和耐久性，推动公路桥梁建设的高质量发展。

1 公路桥梁的安全性及耐久性概述

桥梁的安全性是指桥梁在正常施工和正常使用条件下，承受可能出现的各种作用的能力，以及在偶然事件发生时和发生后，仍保持必要的整体稳定性的能力。在公路桥梁建设中，设计过程尤为关键且重要，公路桥梁设计是对桥梁工程所需要的技术、资金、资源、环境、设备、材料等条件因素进行综合分析论证，并在此基础上编制桥梁设计文件，从而为公路桥梁实际施工提供指导和规范的一项工作。公路桥梁的实际设计水平将会在很大程度上给车辆行驶的安全性、耐久性、舒适性、环保性、经济性以及美观性带来非常直接的现实影响。因此，相关设计人员要充分重视公路桥梁设计工作的开展，并以安全性与耐久性为重点进行设计，确保公路桥梁能够发挥其最基本的功能作用。桥梁耐久性是指桥梁在正常使用和维护条件下，随着时间的延续仍能满足桥梁既定功能的能力，通俗地讲也就是桥梁的使用周期。虽然公路桥梁的安全性和耐久性属于两个不同范畴，但都会给人们的出行安全构成直接的威胁。同时，公路桥梁具有投资巨大、施工建设周期长等特点，在建设施工前并未做好全面系统的规划与设计，就容易在施工中出现现场秩序混乱、交叉施工、施工进度不达标等问题，严重情况下还会影响到公路桥梁的经济效益与社会效益。因此，在公路桥梁设计时，必须对安全性与耐久性进行重点分析研究，确保公路桥梁设计的科学性与合理性，保证其能够满足实际使用需求。例如，城市高架桥投资大、工期长，如果不对工程进行全面的规划和设计，很可能出现交叉施工组织困难，施工场面混乱等问题。因此，在公路桥梁的规划时，相关部门和人员应综合借鉴相关资料，并做好实际的调研和考察，寻找当前公路桥梁的设计缺陷，改变传统设计理念和提高认知能力，做好相应调节工作，确保公路桥梁的设计科学[1]。

2 公路桥梁设计关于安全性及耐久性的现状

在公路桥梁设计中，大部分公路桥梁的设计思想和规划设计仅注重桥身结构和静载状态，部分设计人员和技术人员在安全性和耐久性两个方面缺乏考量，而侧重公路桥梁设计方案技术参数，缺少对环境因素、特定工况、桥梁工程施工的具体分析，致使公路桥梁的安全性和耐久性不能得到改善，在公路桥梁的规划和施工中，还存在着安全性和耐久性不足的问题。在公路桥梁设计中，设计理念因素会直接影响到公路桥梁的安全性与耐久性。虽然近些年我国公路桥梁施工技术与工艺水平得到显著的提高，但从整体角度进行分析，公路桥梁设计理念并未实现创新，也并未与施工技术与施工工艺实现同步发展，我国当前在公路桥梁设计中所体现的设计理念与国际先进水平相比仍存在较大差距。设计理念滞后会直接影响到公路桥梁设计工作人员开展设计工作，当公路桥梁在设计过程中采取过大的安全系数，就会导致公路桥梁在材料用量、材料标号以及构件尺寸方面存在较大误差，不仅会增加公路桥梁施工建设的经济成本，还会降低公路桥梁的耐久性能。公路桥梁对于管理养护与运维有着非常高的要求，要求设计人员在设计时既要重视细节方面的设计，又要重视整体结构的设计。需要设计人员树立相应的检测意识，充分调查一切可能对公路桥梁安全性与耐久性产生影响的因素，如路桥超载、路桥疲劳损伤等，才能降低设计方案不合理导致的公路桥梁工程质量问题。除此之外，公路桥梁在设计的过程中有着诸多规定，其既要保障设计的美观性与经济性，要保证设计的技术性与适用性，还要保障设计的可靠性、安全性与耐久性。设计人员在公路桥梁设计时，经常会出现设计美观但使用寿命短、设计方案雷同等问题。这对设计人员的综合素质有着较高的要求，如果设计人员的综合素质达不到相应标准，就无法胜任公路桥梁的设计工作，同样也会降低公路桥梁的安全性与耐久性[2]。

设计方案的科学性能够直接影响公路桥梁设计的安全性和耐久性。一般而言，在公路桥梁的实际设计过程中，设计师要能够针对该桥梁工程的可行性、施工建设成本控制、施工设备材料选择等多个方面进行综合分析考量，并根据国家与行业相关法律法规与标准规范确定安全系数。但就目前而言，在我国偏远地区或自然环境条件较为恶劣地区，低等级公路桥梁设计方案的选择较为单一，并未根据多方面实际情况对设计方案进行优化调整。公路桥梁设计方案存在着过于侧重安全性设计，忽视了公路桥梁施工建设成本、后续升级、后期养护等方面情况，导致公路桥梁在使用期间容易受多方面影响，使得公路桥梁安全性与耐久性无法达到设计预期目标[3]。

3 强化公路桥梁设计中的安全性及耐久性的有效策略

3.1 优化设计理念

在公路桥梁设计过程中，设计人员不但需要对桥梁恒荷载计算考量，还应该对最大活荷载合理估计，在公路桥梁工程使用寿命与安全系数上合理设计，严格按照设计规范的要求。在公路桥梁设计中，相关人员需要结合桥梁建造环境和实际建造条件，对构建适应性、限制条件作出深入研究，从而选择更加科学适合的桥梁结构类型、材料和工艺技术，优化桥梁安全性、耐久性方案和措施设计，确保满足设计规范要求，为桥梁施工质量提供有力保障。只有保证设计的科学化，才能保证桥梁的质量和稳定性[4]。桥梁设计过程如图1 所示。

3.2 完善设计方案

在对公路桥梁进行设计前，相关工作人员需要提前针对公路桥梁的结构、选材以及承载力等方面展开全面的调查研究。在结构选材方面，设计人员需要依照公路桥梁施工现场的地形地质条件与自然气候等因素，科学选择公路桥梁结构与施工材料，确保结构性能能够满足使用要求，材料符合施工建设标准与需求。在实际施工过程中，设计人员应在必要时对施工现场进行指导，从而保障公路桥梁施工建设质量水平[5]。对公路桥梁而言，其在长期通车运营的情况下，必然会出现裂缝、倾斜等结构性问题，从而会直接威胁到桥梁自身的稳定和安全。在这样的现实情况面前，设计人员一定要能够使用一些较为先进的技术对实际的设计方案进行模拟试验，从而直观分析公路桥梁在长期使用情况下的疲劳损伤情况，有针对性地优化桥梁结构设计，提高桥梁设计图定的耐久性和安全性参数指标，力争实现成本效益的最大化。除此之外，公路桥梁在设计过程中还需要关注和重视未来交通运营需求，设计人员应依照和根据公路桥梁所在区域经济发展、人口规模、交通情况、城市分布等多方面因素对潜在的交通量展开精确的测算，科学地确定桥梁的整体结构尺寸等比较细节的参数信息[6]。

3.3 在设计过程中科学地使用材料

在公路桥梁设计中，桥梁结构的安全性及桥梁耐久性方面，混凝土的使用尤为重要。混凝土分为很多种，每一种都有不同的特点，能够起到不同作用。对大桥来说，更多的是使用高性能的水泥。在公路桥梁设计中，环氧树脂涂层钢筋的科学应用，能够最大限度地减小周围环境给公路桥梁带来的腐蚀性，使其使用年限得到合理延长，提升耐久性。同时，锚头区也很容易出现被腐蚀现象，重者还可能引发桥梁坍塌等事故。针对防腐材料的科学选用应给予足够重视，以此尽可能地减少周围环境对桥梁的腐蚀。传统的水泥生产过程繁杂，并且对资源的消耗极大，而且伴随噪声。假如适当采用绿色高性能混凝土替代传统的水泥混凝土，能够在促进减少能耗的同时，降低工程造价。构件保护层厚度的控制一定要科学合理，要基于对地区、环境、构件实际需求的综合分析来合理控制保护层厚度。此外，为提升构件耐久性，混凝土强度设计也是至关重要的，若施工中选用的水泥是低强度的，但配置的混凝土却是高强度的，就会导致水泥用量的显著增加，这样不仅浪费资源，也极易引发裂缝，相反也会出现诸多问题。所以，混凝土强度设计是否科学合理也是不容忽视的[7]。

3.4 加强桥梁施工管理

在公路桥梁设计中，提高桥梁工程建设的管理水平就是要组建一支技术精湛、管理严密的队伍。在建设工程中，相关部门应设立一个类似工程项目管理小组形式的组织机构，由具有较强技术素质的人才担任负责人，对整个工程的各个环节实施监控，必要时组织专家进行检查，以保证大桥的质量。在高速公路桥梁的设计中，由于其承受的荷载和受力都很大，很容易引起内层的循环地应力，从而引起疲劳破坏，随着疲劳破坏的持续积累和扩展，会引起高速公路桥面的开裂。在这样的情况下，若未采用科学对策对裂缝进行补救，会导致公路桥梁发生裂缝、塌陷等现象。对此，相关部门应全面分析桥梁损伤特性从而进行设计工作，并且以公路桥梁疲劳损伤的实际特性为切入点，对公路桥梁的总体特性进行分析，采取相应的技术措施予以预防。现阶段，管养单位高度重视公路桥梁疲劳损伤问题，并且已主动采用多种方法对该现象开展有效管控，有益于避免公路桥梁发生各类安全事件。

3.5 注重路桥的超载问题

在公路桥梁设计中，需要重视车辆超载对路桥的影响。车辆超载会导致路桥内部结构的损伤严重，维修也存在较大困难。如果超载现象比较严重，桥梁的部分结构也会出现破坏情况，这就容易引发安全问题。另外，桥梁内部结构出现损伤不容易被及时发现，“带病工作”会对其他部位造成影响，桥梁应用期间的安全性和耐久性无法得到保证。在设计方案中，要充分考虑到车辆超载，对其进行针对性的控制，提高设计效果。要促进社会层面提高对桥梁超载问题的关注程度。桥梁过载会造成疲劳加速，结构的疲劳应力急剧增加，从而加剧损伤，甚至破坏。由于过载引起的损伤往往难以解决，会导致桥梁在正常使用条件下的工况发生变化，从而对桥梁的安全性和寿命产生不利的影响[8]。

3.6 强化后期养护

相关人员在公路桥梁设计过程中还要考虑材料的选择对公路桥梁安全性能与耐久性能的影响，科学选择防腐材料，优化保护层设计，能够显著提高公路桥梁安全性与耐久性。公路桥梁选择环氧树脂土层钢筋作为主要材料，能够提高其抗腐蚀能力，并降低后期养护成本，延长其使用年限。除选择防腐材料外，设计人员还需要加强保护层设计，提高公路桥梁的抗腐蚀性，保护层能够防止钢筋与空气接触，减少钢筋构件的碳化与氧化情况。增加保护层厚度，能够提高其防腐性，但设计人员也需要合理增加保护层厚度，过厚的保护层会影响到公路桥梁其他方面的性能。在公路桥梁建成后，相关人员应关注和重视桥梁后期的养护工作，养护工作的有效开展能够防止有害物质进入公路桥梁内部，并延缓公路桥梁外部的侵蚀，通过采取公路桥梁养护管理系统，有效完善公路桥梁养护工作，从而保障和提高公路桥梁的安全性与耐久性[9]。公路桥梁养护管理系统构建如图2 所示。