道路桥梁结构耐久性设计方法

【摘 要】桥梁耐久性设计中存在的问题将会造成恶劣的社会影响和巨大的经济损失,所以必须重视桥梁的耐久性设计.在设计的过程中,要采用科学的设计理念和设计方法,重视每一个环节的设计.本文探讨了道路桥梁结构耐久性设计方法策略.

【关 键 词】道路桥梁；结构；耐久性；设计方法

道路桥梁的耐久性指的是在正常的设计、施工和使用情况下,桥梁能承受各种突发偶然事件的能力,并且在这之后仍能保持一定的整体稳定性.另一方面,桥梁耐久性又被称为桥梁的使用周期,它是指正常的使用和维护情况下,桥梁能随时间延续而保持功能的能力.

一、桥梁设计的基本原则

桥梁是铁路、公路或城市道路的重要组成部分,特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义.因此,公路桥梁应根据所在公路的作用、性质和将来发展的需要,除应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求外,还应按照美观和有利环保的原则进行设计,并考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素.

首先,从安全耐久来看.所设计的桥梁结构在强度、稳定和耐久性方面应有足够的安全储备；对于通行大吨位船舶的河道,除按规定加大桥孔跨径外,必要时设置防撞构筑物等；对修建在地震区的桥梁,应按抗震要求采取防震措施；对于大跨柔性桥梁,尚应考虑风振效应.桥面宽度能满足当前以及今后规划年限内的交通流量（包括行人通道）；桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝；桥跨结构的下方要有利于泄洪、通航（跨河桥）或车辆（立交桥）和行人的通行（早桥）；桥梁的两端要便于车辆的进入和疏散,而不致产生交通堵塞现象等；考虑综合利用,方便各种管线（水、电气、通信等）的搭载.

另外,要做到经济合理、技术先进.桥梁设计应遵循因地制宜,就地取材和方便施工的原则；经济的桥型应该是造价和养护费用综合最省的桥型.设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少,维修时尽可能不中断交通,或使中断交通的时间最短.桥梁设计应在因地制宜的前提下,尽可能采用成熟的新结构、新设备、新材料和新工艺.在注意认真学习国内外的先进技术、充分利用最新科学技术成就的同时,努力创新,淘汰和摒弃原来落后和不合理的设计思想.

二、道路桥梁耐久性较差的主要原因

1.施工管理水平较低

当前公路桥梁突然损坏和坍塌问题已经备受社会的关注,从实际的事故来看,主要的原因是由于施工过程以及管理过程中的腐败、野蛮施工等造成的,而那些突发性的公路桥梁损坏和坍塌事故主要是由于施工的质量与设计的标准之间存在较大差异造成的,施工过程中各种偷工减料、以次充好的现象以及施工材料和工艺没有达到相关要求等问题,是对公路桥梁安全性和耐久性造成影响的主要因素.很多公路桥梁无法达到设计的使用寿命,有的甚至在建成后的短时间内就出现严重的质量问题,这与施工质量有着非常紧密的联系,比方说钢筋的保护层不足,施工中使用的水泥、混凝土配合比、振捣、养护等存在不当的问题,虽然对公路桥梁的短期使用不会造成太大的影响,但是对公路桥梁的耐久性会造成深远的影响.

2.公路桥梁的设计理念和结构构造体系不完善

除了施工管理方面的原因外,公路桥梁的设计方面也存在一定的问题.公路桥梁的结构设计除了要选择经济合理的结构类型外,还需要对公路桥梁的结构以及构件连接等进行仔细的分析和设计,选择相关规定的相应安全系数及可靠性指标,从而使公路桥梁的结构安全性达到相关的规定要求.此外,很多的公路桥梁设计人员在设计过程中,只是简单的重视相关规范对结构强度的要求,对于桥梁结构体系、构造、材料、维护耐久性以及设计施工过程中出现的一些人为的失误引起的桥梁安全性问题重视程度不够.另外,施工过程中所使用的混凝土强度不够、保护层厚度过小、钢筋过细等问题都会对公路桥梁的耐久性产生影响.

三、桥梁耐久性设计的对策

桥梁结构的总体设计,应主要考虑以下几点：

（1）在桥梁方案拟定中,为获得比国内更高的可靠度系数,应用香港规范对结构承载力进行结构可靠性设计,同时为保证大桥的耐久性,采用易于保证施工质量的方案,采用高标号高性能耐久性混凝土,加大钢筋保护层,对钢筋及体外预应力钢束采取环氧涂层防腐处理.

（2）结构可靠度、耐久性是时间的函数,这是由于荷载是时间的函数,材料性能也是如此.例如,使用期分别为30、50、100、120年的桥梁结构,若要保证到使用期末都具有相同的可靠概率,则所选择的截面尺寸或所用的材料强度必然是使用期长者大于使用期短者.同时,要求采用变异系数较小的高性能钢材和高性能混凝土,以提高相应的可靠度指标和耐久性.

（3）桥梁病害分析（HazardStudy）是全寿命管理中的一个必要环节.人为因素也是一个必须考虑的因素,例如,一个工人不小心丢了一颗烟头,很可能这个小病害引起一场大火,导致桥梁结构的破坏.病害分析之后,在全寿命管理中,尽量消除桥梁病害,以达到提高结构耐久性的可能.所设计的结构在设计基准期内,应经济合理地满足下列功能要求：在偶然事件发生时及发生后,能保持必要的结构稳定性和耐久性.

具体涉及到桥梁结构设计中的耐久性设计,可从以下几个方面着手：

（1）正确认识和掌握结构本质和结构构造措施对构件耐久性的影响.

（2）优先选用高性能钢材（HPS：High-PerformanceSteel）：高屈服强度,高水平的断裂韧性、焊接性能好、耐腐蚀；

（3）优先高性能混凝土（HPC：High-PerformanceConcrete）：耐磨的HPC可以使桥面有更好的耐久性；一般来说,HPC能减少结构的尺寸,增加结构的使用寿命和耐久性.对重要的水中下部结构（如桩基、承台、墩柱及帽梁）,建议用高性能混凝土取代普通混凝土,以满足《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》的相应技术指标的要求.

3.桥梁耐久性监控监测设计

桥梁耐久性自动化监控监测系统,是针对桥梁的振动位移、速度、加速度、应力、应变、频率、振型、阻尼、裂缝、强度、刚度等技术参数进行采集、处理,所采集的数据经过处理后,计算出位移、振动幅度、裂缝、应力等桥梁耐久性数据,既可以为桥梁的在线分析提供决策依据,也可以提交给有关的桥梁结构耐久性软件做进一步的分析处理,从而及时掌握桥梁的即时结构状态,全面了解桥梁的运营条件及质量退化状况,为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据,为监测对象提供早期安全预警报告.

4.重视对路桥疲劳损伤问题的研究

路桥所受的荷载都是动荷载,会在结构内部产生变化,会引起结构的振动,还会引起结构的疲劳损伤.由于路桥建设采用的材料并不是均匀和连续的,会存在很多微小的缺陷,在荷载作用下,这些缺陷就会逐渐发展成损伤,就会出现裂纹,如果这些裂纹得不到有效的控制,就可能会引起路桥的断裂.对路桥疲劳损伤的研究不只是针对整个结构,某些关键部位的疲劳实效也会影响整个工程结构.

综上所述,桥梁建设工程在耐久性方面设计的欠缺,已经成为桥梁设计人员必须正视并急需解决的一个重大问题,这不仅需要立足于国内大量的公路桥梁工程实例所积累起来的经验与教训,还需要能够积极而又谦虚地对国际上的成功经验和与惯例做法进行良好的借鉴.最终将我国的公路桥梁设计提升到一个新的台阶.