城市橋梁結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的影響因素及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

柯春光，祝 飛

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于孟加拉國(guó)達(dá)卡市東南部，項(xiàng)目起于吉大港路與N1國(guó)道銜接的Chittagong互通，終點(diǎn)與城市主干道Dit Road設(shè)置Rampura互通銜接，總長(zhǎng)12.491km，采用城市快速路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中8.414km為城市高架橋段。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

該項(xiàng)目高架橋段采用高架橋+橋下兩側(cè)輔路的斷面形式，橋?qū)?8.6m，橋下輔路單側(cè)寬9.1m。

2.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)方案比選

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工狀況及現(xiàn)有的施工能力，從多個(gè)角度入手對(duì)常見的橋梁上部結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，具體內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面：（1）預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁。此結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)在于施工難度低、構(gòu)件剛度大、結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性表現(xiàn)較為良好；不足之處在于梁高尺寸偏大，對(duì)吊裝能力提出較高的要求，必須適配高性能的吊裝設(shè)備，施工所需成本較多。（2）預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。此結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)在于抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)整體的自穩(wěn)能力良好，各環(huán)節(jié)施工作業(yè)安全性高，結(jié)構(gòu)成型后具有較高的可觀賞性；不足之處在于組合小箱梁施工難度較大，為斜腹板形式且設(shè)置了內(nèi)腔，難以實(shí)現(xiàn)高精度的預(yù)制作業(yè)，且單箱自重較大，必須配套高性能的吊裝設(shè)備。（3）鋼混組合梁。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于抗壓、抗剪強(qiáng)度良好、自重較強(qiáng)，在塑性和韌性兩方面的表現(xiàn)較上述結(jié)構(gòu)也有較大提升，并且施工中對(duì)場(chǎng)地的占用較小，可維持區(qū)域內(nèi)車輛的正常通行；不足之處在于成本高，鋼結(jié)構(gòu)易在空氣、雨水等因素作用下發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

以項(xiàng)目實(shí)際施工情況為參考，從適用性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)其加以對(duì)比，具體如表1所示。

預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁施工所需成本相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)具有較大的剛度、施工便利，因此具有可行性。從成本角度來看，與預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁并無明顯差異，但箱梁預(yù)制難度較大且吊裝重量較大，對(duì)機(jī)械設(shè)備要求較高，不便于城市橋下交通量較大的情況施工。鋼混組合梁鋼結(jié)構(gòu)施工效率高，但成本較高且易受到水文環(huán)境的影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)在使用中發(fā)生不同程度的腐蝕現(xiàn)象，后續(xù)維護(hù)工作量和成本都有所增加。因項(xiàng)目所在地不具備鋼結(jié)構(gòu)加工條件，且交通運(yùn)輸不發(fā)達(dá)，采用工廠制作后轉(zhuǎn)移至施工現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝的方式將明顯增加成本投入。綜合比選后，推薦采用預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁的橋型方案。

2.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)抗震烈度為7度，按8度設(shè)防。橋址處樁基持力層為粉砂，且局部存在砂土液化層，地質(zhì)條件較差，施工難度大、施工質(zhì)量難控制，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性難保障，設(shè)計(jì)難度較大。綜合地形、地質(zhì)條件等因素，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用花瓶墩，基礎(chǔ)采用承臺(tái)配群樁基礎(chǔ)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的設(shè)計(jì)對(duì)策

3.1 加強(qiáng)對(duì)橋梁壽命期的認(rèn)識(shí)

在進(jìn)行市政橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)受到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維的限制，在滿足荷載強(qiáng)度要求的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)最大限度延長(zhǎng)市政橋梁的使用壽命。市政橋梁事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)當(dāng)建立在橋梁可長(zhǎng)期使用的基礎(chǔ)之上，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)才能發(fā)揮其市政設(shè)施的功能，更好地為群眾服務(wù)。目前我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)使用的基準(zhǔn)期為100年，但是在其運(yùn)行中車流量、荷載、氣候條件等因素都會(huì)使實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)年限產(chǎn)生較大的差距，因此在設(shè)計(jì)階段有必要借助數(shù)據(jù)模擬對(duì)橋梁的壽命進(jìn)行試驗(yàn)，以便更加了解橋梁使用壽命，從而指導(dǎo)橋梁的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和施工。

表1 橋梁上部結(jié)構(gòu)方案綜合比較表

結(jié)合該項(xiàng)目高地震烈度區(qū)的特點(diǎn)，且因受地形限制而采用了獨(dú)柱花瓶墩的橋梁結(jié)構(gòu)形式，從橋梁結(jié)構(gòu)安全性考慮，該項(xiàng)目開展了關(guān)于大懸臂花瓶墩的抗震性能的專題研究，研究結(jié)果為橋梁設(shè)計(jì)的安全性提供指導(dǎo)性意見。

3.2 加強(qiáng)對(duì)疲勞損傷的研究

市政橋梁進(jìn)入使用階段后，不僅會(huì)承受行車帶來的動(dòng)荷載，還會(huì)承受多次加載，因此一定會(huì)對(duì)其造成不同程度的疲勞損傷?，F(xiàn)階段，市政橋梁的施工材料以鋼筋混凝土為主，而這些材料的特性決定了其會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫。若不能對(duì)裂縫、裂紋等及時(shí)修補(bǔ)并控制其發(fā)展，會(huì)影響整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因此，在市政橋梁的設(shè)計(jì)階段還應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格計(jì)算相關(guān)的抗疲勞指標(biāo)，并進(jìn)行驗(yàn)算確保抗疲勞指標(biāo)滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。另外，綜合分析相關(guān)的橋梁資料發(fā)現(xiàn)，有些市政橋梁會(huì)在高溫或者超負(fù)荷條件下引發(fā)事故，而部分橋梁在低溫或低荷載的條件下也會(huì)出現(xiàn)斷裂從而引發(fā)事故。通過沖擊試驗(yàn)可知，這是鋼材的脆性導(dǎo)致的，因此在施工過程中選用鋼材時(shí)應(yīng)該選擇具備較好的韌性且變形系數(shù)相對(duì)較小的施工材料，從而為保證市政橋梁的安全性和耐久性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 注意材料的選擇

混凝土的強(qiáng)度及其水灰比之間存在密切的關(guān)系，混凝土的水灰比越小，其抗壓強(qiáng)度等級(jí)越大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出更加良好的密實(shí)度，因此不斷優(yōu)化混凝土的水灰比可以有效提高混凝土強(qiáng)度。混凝土碳化機(jī)理是外界空氣中的二氧化碳、二氧化硫等氣體通過橋梁表面裂縫逐漸進(jìn)入混凝土內(nèi)部，并與之發(fā)生反應(yīng)的過程。這種情況下增加混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，可以避免腐蝕氣體的進(jìn)入，從而在該方面增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

選擇合適的水泥。水泥的性能直接關(guān)系到混凝土的碳化速度，例如由礦渣和水泥拌合形成的混凝土，其碳化速度相對(duì)于其他類型的水泥混凝土更快。不僅如此，混凝土結(jié)構(gòu)的含堿量也會(huì)在一定程度上影響其碳化速度。因此，為增強(qiáng)混凝土的耐久性，應(yīng)當(dāng)盡可能降低混凝土材料的碳化速度，這也要求相關(guān)的技術(shù)人員在選擇水泥產(chǎn)品時(shí)應(yīng)確保其性能滿足混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的要求。結(jié)構(gòu)混凝土耐久性要求如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性要求

3.4 注重結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件的選型

為了提高市政橋梁的耐久性，可以在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)橋梁的橫向整體性，從而提升橋梁的剛度。另外，為了預(yù)防結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生，還可以設(shè)計(jì)為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，以對(duì)市政橋梁的橫縱向構(gòu)件施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力。不僅如此，還應(yīng)在橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置具備防滲透功能且具有抗剪切以及拉伸作用的防水層，防水層與混凝土鋪裝層之間產(chǎn)生的附著力應(yīng)大于路面與橋梁結(jié)構(gòu)之間的附著力。

采用合適的結(jié)構(gòu)形式對(duì)提升橋梁的安全性和耐久性有決定性的作用。該項(xiàng)目橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力工字梁，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板采用27.5cm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，橋面板與工字梁梁肋之間采用預(yù)埋錨栓連接。采用加厚的整體現(xiàn)澆板設(shè)置，既能保證預(yù)制工字梁間的橫向整體穩(wěn)定性，也提高了橋面的行車舒適性和結(jié)構(gòu)的耐久性。

3.5 考慮施工期間的安全性

設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮項(xiàng)目區(qū)的地形、地物、地質(zhì)等條件，選擇適合的結(jié)構(gòu)形式或者施工技術(shù)。該項(xiàng)目在上部結(jié)構(gòu)選型中考慮到在施工過程中高架橋下輔道要保通，大型機(jī)械難以進(jìn)場(chǎng)、且施工時(shí)間受限制，選用吊裝重量小、在現(xiàn)場(chǎng)外集中預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁。下部結(jié)構(gòu)因受地質(zhì)條件較差的限制，導(dǎo)致樁基過長(zhǎng)，施工難度大且有安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中建議采用后壓漿的樁基施工工藝，通過試驗(yàn)結(jié)果顯示可減少樁長(zhǎng)約30%，提高了施工便利性，也提高了結(jié)構(gòu)安全保障。

4 結(jié)束語

橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，市政橋梁建設(shè)的質(zhì)量直接關(guān)系到人們的生產(chǎn)和財(cái)產(chǎn)安全?；诖耍瑧?yīng)當(dāng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的安全性和耐久性引起重視，從設(shè)計(jì)階段不斷優(yōu)化方案，確保市政橋梁工程具備良好的安全性并滿足設(shè)計(jì)的使用壽命。