橋梁設(shè)計(jì)中的安全性及耐久性研究

吳軍、潘偉華

（1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司連云港分公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 連云港 222000）

0 引言

橋梁設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)重點(diǎn)按照橋梁的特點(diǎn)和實(shí)際情況，制定完善的安全性、耐久性設(shè)計(jì)方案，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方式，改善整體結(jié)構(gòu)的安全水平，延長工程結(jié)構(gòu)的使用壽命，為人們營造較為良好的橋梁工程項(xiàng)目，提供安全穩(wěn)定且舒適的交通運(yùn)輸基礎(chǔ)環(huán)境，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

1 工程概況

連云新城商務(wù)中心區(qū)道路規(guī)劃網(wǎng)確定了以主干道為骨架，次干道、支路為補(bǔ)充的方格網(wǎng)式路網(wǎng)格局。該項(xiàng)目所在的金海大道既是貫穿連云新城東西向的交通主干道，也是連云新城商務(wù)中心區(qū)主干路“一橫兩縱”中的一橫。橋梁跨越瀉湖和大浦河調(diào)尾河的共線水體，位于商務(wù)中心區(qū)與金海一二期之間，橋位處河口寬約230m。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)起點(diǎn)為K0+000（金海大道與匯海路交叉口以東200m），實(shí)施起點(diǎn)為K0+200（與匯海路交叉口），沿線于K0+366.340 與支十路交叉，橋梁中心樁號(hào)K0+532 處跨越大浦河入海水道，實(shí)施終點(diǎn)K0+800，實(shí)施長度為600m，包括橋梁236m 和引道364m，橋梁、引道紅線寬均為42m。

2 橋梁設(shè)計(jì)中安全性和耐久性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 預(yù)應(yīng)力損失控制要點(diǎn)

橋梁工程項(xiàng)目的預(yù)應(yīng)力損失對(duì)整體工程安全性產(chǎn)生直接影響，同時(shí)對(duì)工程的耐久性也會(huì)造成約束，在設(shè)計(jì)時(shí)需要全面分析工程的預(yù)應(yīng)力損失狀況和因素，以預(yù)防安全風(fēng)險(xiǎn)問題和工程耐久性問題為目的，科學(xué)合理地進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失的控制，明確預(yù)應(yīng)力鋼絞線的規(guī)格，盡可能降低預(yù)應(yīng)力損失，如表1 所示。此外，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋、管道的距離進(jìn)行嚴(yán)格控制，預(yù)防出現(xiàn)相互摩擦的問題對(duì)工程耐久性造成影響。同時(shí)，做好臺(tái)座溫度差異的設(shè)計(jì)、應(yīng)力松弛度的設(shè)計(jì)、錨具強(qiáng)度的設(shè)計(jì)等工作，預(yù)防發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或安全風(fēng)險(xiǎn)問題。另外，由于工程結(jié)構(gòu)可能受到接縫壓縮、鋼筋回縮等因素的影響出現(xiàn)安全問題或耐久性問題，因此設(shè)計(jì)時(shí)力求降低安全風(fēng)險(xiǎn)問題和耐久性問題的發(fā)生率。

表1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線規(guī)格

2.2 安全因素的控制要點(diǎn)

其一，合理進(jìn)行橋梁橫斷面管線的設(shè)計(jì)，在其中設(shè)置給水線路、通信線路、電力線路、安全監(jiān)控線路等。在不影響橋梁美觀度的情況下進(jìn)行橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)控。其二，合理進(jìn)行橋梁兩側(cè)區(qū)域的引道交叉口交通設(shè)計(jì)，確保能夠和輔道的道路之間良好銜接，預(yù)防發(fā)生安全問題。其三，對(duì)橋型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，確保整體橋梁的功能安全、結(jié)構(gòu)安全符合要求，同時(shí)制定完善的橋梁安全設(shè)計(jì)方案，遵循整體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和原則，合理控制橋梁防洪排澇方面的安全因素等，有效維護(hù)橋梁工程結(jié)構(gòu)的安全性。另外，根據(jù)具體的情況進(jìn)行安全因素的控制，例如：橋梁工程項(xiàng)目經(jīng)韓山、浦南、前羅陽，向北東延伸至海州灣進(jìn)入大海，為預(yù)防發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)事故，在事故現(xiàn)場進(jìn)行定性評(píng)價(jià)分析，明確山體斜坡坡腳的位置、塊體結(jié)構(gòu)的粒徑，準(zhǔn)確判斷是否會(huì)發(fā)生崩塌的事故。通過人工操作的方式清除危巖結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，這樣能夠有效維護(hù)橋梁工程結(jié)構(gòu)的安全，避免在崩塌等事故的影響下發(fā)生耐久性的問題。

2.3 撓度與安全指標(biāo)控制要點(diǎn)

橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的撓度形成和負(fù)荷承載量過大存在直接聯(lián)系，一旦工程發(fā)生撓度的問題，將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不利影響，縮短工程的使用壽命，出現(xiàn)耐久性的問題，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合研究橋梁的負(fù)荷因素、內(nèi)部預(yù)應(yīng)力因素等，通過撓度的控制、安全指標(biāo)的控制，預(yù)防發(fā)生安全風(fēng)險(xiǎn)隱患問題。

3 橋梁設(shè)計(jì)中的安全性及橋梁耐久性設(shè)計(jì)措施

3.1 根據(jù)超載和其他因素進(jìn)行設(shè)計(jì)

考慮到橋梁工程在投入使用環(huán)節(jié)可能由于超載運(yùn)輸因素或其他因素的影響出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性問題或耐久性的問題，因此在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)結(jié)合具體狀況執(zhí)行任務(wù)。一方面，分析研究出現(xiàn)超載運(yùn)輸?shù)脑蚯闆r，在公路橋梁的入口位置設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)，車輛進(jìn)入之前稱重，一旦超出荷載標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化發(fā)出警報(bào)信息，就不允許車輛進(jìn)入公路橋梁。另一方面，應(yīng)結(jié)合地震影響因素、空氣有害污染物影響因素、腐蝕性影響因素、銹蝕性影響因素等，通過完善設(shè)計(jì)方案內(nèi)容、合理運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)措施、配置有效的養(yǎng)護(hù)方式等，維護(hù)整體工程項(xiàng)目的安全性，確保耐久性與要求相符。

3.2 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)按照橋梁工程本身的特點(diǎn)，遵守國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保所設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性符合要求。如圖1 所示，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面分析研究結(jié)構(gòu)的疲勞損傷規(guī)律，以預(yù)防發(fā)生超載問題、結(jié)構(gòu)損壞問題為基礎(chǔ)，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，明確提出核心構(gòu)件和部件的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，避免發(fā)生橋梁結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)或耐久性的問題。例如：根據(jù)橋梁工程項(xiàng)目的桿系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都必須符合連續(xù)性和完整性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)構(gòu)截面尺寸具有平順性和均勻性，這樣不僅能夠確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，還能改善外觀的美觀度。

圖1 結(jié)構(gòu)安全性和耐久性設(shè)計(jì)

為延長整體工程的使用壽命，避免發(fā)生安全事故，需要預(yù)防出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的問題，分級(jí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂痕的處理，采用信息化技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗裂性能的計(jì)算與檢測(cè)分析，將結(jié)構(gòu)抗裂性能劃分成為三個(gè)等級(jí)：A等級(jí)是不可以出現(xiàn)裂縫；B 等級(jí)是可以有裂縫，但是不能對(duì)結(jié)構(gòu)的壽命和安全造成影響；C 等級(jí)是允許有裂縫的發(fā)生。

3.3 工程材料設(shè)計(jì)

應(yīng)按照整體工程項(xiàng)目的特點(diǎn)與情況，以維護(hù)橋梁的安全性和耐久性為目的，做好工程材料的設(shè)計(jì)工作。

3.3.1 材料配合比的設(shè)計(jì)原則

為確保整體橋梁工程項(xiàng)目的耐久性和安全性，科學(xué)合理地進(jìn)行材料配合比的設(shè)計(jì)，確保材料施工結(jié)構(gòu)具備一定的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，嚴(yán)格控制材料施工結(jié)構(gòu)的抗彎拉彈性模量和抗劈裂強(qiáng)度，材料的配合比應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)澆筑成型的工藝標(biāo)準(zhǔn)、耐久性要求和安全性要求。

3.3.2 材料配合比控制的細(xì)節(jié)

（1）水泥材料的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)水泥材料的過程中，選擇具有低水化熱特點(diǎn)和低含堿量特點(diǎn)的材料，不可以設(shè)計(jì)早強(qiáng)類型，或摻有石灰粉類型的水泥，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行材料細(xì)度的控制，盡可能設(shè)計(jì)低細(xì)度并且低CS 含量的水泥，這樣能夠預(yù)防水化熱問題所帶來的影響，避免早期開裂現(xiàn)象的發(fā)生。為確?；炷两Y(jié)構(gòu)的抗裂性能，需要設(shè)計(jì)低堿含量的水泥以有效預(yù)防出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)的現(xiàn)象，整體混凝土材料中的堿含量應(yīng)低于1.8kg/m。

（2）骨料的設(shè)計(jì)

首先，需要設(shè)計(jì)質(zhì)地密集且堅(jiān)硬的骨料，確保級(jí)配的合理性、直徑與形狀的良好性，尤其要重點(diǎn)控制混凝土骨料的級(jí)配和顆粒形狀，其中粗骨料的堆積密度應(yīng)維持在1500kg/m以上，空隙率控制在40%以下，壓碎值設(shè)計(jì)在10%以內(nèi)，吸水率為2%以內(nèi)，針狀和片狀顆粒含量為5%以內(nèi)，最高粒徑在25mm 以下。其次，由于砂子材料的細(xì)度模數(shù)不同，因此需要設(shè)計(jì)累積篩余量5mm，篩5% 左右，0.63mm 篩40%～70%左右，0.16mm 篩95%以上。

（3）粉煤灰的設(shè)計(jì)

橋梁工程項(xiàng)目中，粉煤灰的配置直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性，按照以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)在原材料中添加礦物質(zhì)摻和料，能夠降低混凝土的開裂問題發(fā)生率，減小結(jié)構(gòu)的滲透性，主要原因是粉煤灰摻和料的添加，能夠降低初齡期階段混凝土結(jié)構(gòu)的水化熱問題的發(fā)生率，改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還能降低混凝土結(jié)構(gòu)的空隙率，增強(qiáng)自身防護(hù)性能，因此建議在材料設(shè)計(jì)的過程中，適當(dāng)設(shè)計(jì)粉煤灰摻和料，應(yīng)根據(jù)橋梁工程項(xiàng)目的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，科學(xué)合理地進(jìn)行粉煤灰的分級(jí)處理、質(zhì)量指標(biāo)的設(shè)定，通過粉煤灰材料的合理設(shè)計(jì)，改善橋梁工程的耐久性和安全性，如表2所示。

表2 粉煤灰分級(jí)和質(zhì)量指標(biāo)

3.4 工程抗震設(shè)計(jì)

橋梁工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，提升項(xiàng)目的抗震性能，以免地震災(zāi)害對(duì)橋梁的耐久性和安全性造成不利影響。首先，在設(shè)計(jì)之前應(yīng)在現(xiàn)場區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)狀況和氣候狀況的勘查分析，根據(jù)現(xiàn)有的資料和數(shù)據(jù)信息等編制抗震設(shè)計(jì)的方案。其次，抗震設(shè)計(jì)的過程中需要綜合研究工程項(xiàng)目的地震風(fēng)險(xiǎn)因素、安全事故發(fā)生因素、耐久性影響因素等，利用試驗(yàn)分析的方式選擇最佳的抗震設(shè)計(jì)方案，如表3 所示?？梢园凑展?····、·準(zhǔn)確進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算，改善橋梁工程的抗震性能，維護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

表3 抗震設(shè)計(jì)計(jì)算分析

3.5 加固部分設(shè)計(jì)

加固設(shè)計(jì)是提升橋梁工程結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的重要措施，應(yīng)按照實(shí)際情況制定完善的橋梁結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方案。

3.5.1 橋面位置的加固設(shè)計(jì)

橋面結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)效果直接影響整體工程項(xiàng)目的安全性和耐久性，主要原因就是橋面是車輛行駛期間直接接觸的部分，隨著橋梁上方車輛通行數(shù)量的增加，在振動(dòng)因素和摩擦因素的影響下，容易發(fā)生橋面損壞的問題，不僅會(huì)導(dǎo)致橋面外部損傷，還會(huì)引發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，對(duì)工程項(xiàng)目的安全度和耐久性造成不利影響，所以需要重點(diǎn)進(jìn)行橋面位置的加固處理。其一，在橋面區(qū)域設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性的防水層，根據(jù)橋面的狀況設(shè)計(jì)流水槽、排水系統(tǒng)，確保在雨季不會(huì)發(fā)生積水的現(xiàn)象，預(yù)防雨水浸泡影響橋面的使用壽命。其二，合理進(jìn)行橋面和路面銜接位置的加固設(shè)計(jì)，預(yù)防銜接處有裂縫問題、平整度問題，避免車輛行駛過程中發(fā)生顛簸事故或跳車事故，維護(hù)橋梁工程使用安全和結(jié)構(gòu)壽命。

3.5.2 鋼筋混凝土加固設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土的穩(wěn)固性對(duì)橋梁工程的安全性和耐久性會(huì)產(chǎn)生直接影響，應(yīng)需要合理進(jìn)行鋼筋混凝土加固設(shè)計(jì)，以此增強(qiáng)整體工程的安全性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土材料結(jié)合的模式，構(gòu)建較為良好的結(jié)構(gòu)體系，提升橋梁工程的受力性能。與此同時(shí)，還需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響因素和穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，按照影響因素科學(xué)設(shè)計(jì)，避免橋梁工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題、安全性問題等，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保橋梁工程的耐久性。

4 結(jié)語

綜上所述，橋梁工程項(xiàng)目的安全性和耐久性設(shè)計(jì)過程中需遵循基本的要點(diǎn)原則，嚴(yán)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失控制設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全因素的控制設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)撓度與安全指標(biāo)的控制設(shè)計(jì)，有效維護(hù)工程項(xiàng)目的安全性和耐久性，同時(shí)應(yīng)按照橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和超載因素等開展設(shè)計(jì)工作，合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的設(shè)計(jì)，強(qiáng)化工程抗震和加固設(shè)計(jì)力度，有效維護(hù)工程結(jié)構(gòu)的安全水平，延長整體結(jié)構(gòu)的使用壽命，達(dá)到預(yù)期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的。