桥梁设计中的安全性及耐久性分析

赵强

（云南交通职业技术学院，云南 昆明 650500）

0 引言

桥梁工程是现代交通系统的重要组成部分，具有投资大、规模大、影响因素多等特征，设计难度相对较大。现代桥梁设计中，安全性、耐久性逐渐得到重点关注，直接关系到桥梁使用安全与成本，只有保证桥梁结构可满足不断增加的交通荷载需求，减少混凝土碳化、裂缝以及钢筋锈蚀等问题，减轻养护维修负担，方可获得良好的社会经济效益。

1 桥梁设计存在的隐患分析

桥梁设计中，安全性、耐久性是重要考虑因素，然而工程实践中常因设计人员考虑不足、未严格按规范设计，导致桥梁结构存在诸多隐患，主要表现为耐久性不足、安全性不足、结构承载富余量不足等问题，给整个交通系统安全、可靠运行带来一定的威胁。本文从安全性、耐久性两大角度出发，桥梁设计主要问题如下：

（1）过度追求设计效率，未充分考桥梁使用后的耐久性、耐腐蚀问题。桥梁设计需考虑因素众多，部分设计人员未能够综合考虑所有问题，如：过度追求快速设计，甚至在设计前未勘探施工现场，桥梁设计存在盲目性，桥梁投入使用后发生断裂、倒塌等严重事故。

（2）不重视安全问题，桥梁质量设计不高。部分桥梁设计方案不重视规范，设计错误多，设计质量不高，以至于桥梁施工、运营中存在较大的安全隐患。此外，监管不到位也是导致桥梁安全问题出现的重要原因之一，无论在桥梁设计还是施工过程中，必须监管各个环节，切实保证桥梁设计方案安全、可靠。

2 桥梁设计中的安全性及耐久性目标

为了提高交通安全、减小运维成本，桥梁设计中必须重视安全性及耐久性，下文主要针对桥梁设计中的安全性、耐久性目标展开分析。

2.1 安全性设计目标

桥梁的安全性主要包括两个方面内容：①使用者的生命安全；②结构自身使用安全，对应的是承载能力极限状态。对于桥梁结构而言，可安全承受各项设计荷载是基本要求。

桥梁是承受循环荷载的结构，需考虑构件疲劳寿命、疲劳极限，且部分重要桥梁要求损伤后快速修复，因此安全性设计中必须考虑可恢复性。根据《公路工程结构可靠性设计统一标准（JTG 2120—2020）》（以下简称“标准”），对桥梁结构目标可靠性提出要求，如表1所示。桥梁结构目标可靠度的最优化设计与区域实际情况相关，将我国标准与欧美相比，目标可靠度更高，应该与我国正处于快速发展时期有关，桥梁设计时需考虑未来可能面临荷载快速增长的情况，因此留有更多富裕度。

表1 桥梁结构承载能力极限状态目标可靠指标

2.2 耐久性设计目标

为了更好地描述桥梁耐久性变化情况，本文从实用性出发，并结合ISO13823：2008耐久性设计一般原则，提出桥梁耐久性设计目标。

第1阶段耐久性极限状态，指的是结构开始劣化的耐久性初始极限状态，针对结构使用过程中表观状态的定义。如：钢筋混凝土碳化、钢筋锈蚀、钢/木结构表面腐蚀等，此时认为桥梁需进行修复。

第2阶段耐久性极限状态，指的是桥梁实际使用性能的耐久性最终极限状态，针对结构使用功能的定义。如：钢筋混凝土裂缝、钢筋外露、钢结构锈蚀至外观严重破坏等，此时认为桥梁需进行构件更换或结构大修。

根据ISO13823：2008要求，结构耐久性极限状态的可靠度，需综合考虑结构和构件设计使用寿命、结构养修难度与成本以及结构的失效后果等诸多因素，并参考相关专家意见、客户需求，可靠度表达如下：

式中：Z（t）-结构在某时刻的耐久性功能函数；R（t）-t时刻广义抗力；S（t）-t时刻广义作用效应；Pf（t）-t时刻结构失效概率；βD（t）-t时刻结构耐久性可靠度。

桥梁结构使用寿命期间耐久性指标的变化如图1所示，其中，P（t）是结构目标失效概率，Pt=Pf（TD）。

图1 桥梁结构使用寿命期间耐久性指标变化情况

3 实例探析桥梁的安全性及耐久性设计

3.1 工程概况

本项目为连续钢构桥，桥梁长度320m，四跨，主跨100m、两边跨60m。桥梁主梁设计为单箱双室变高箱梁，顶、底板宽度分别为21.2m、14.2m；支座位置梁高6m，跨中位置2.5m，顶板厚度相同，全部控制在0.3m。本文主要针对此桥梁设计中的安全性、耐久性设计做重点探讨。

3.2 主梁构造设计

本项目桥梁设计时，为提高结构耐久性，严格按细部设计标准与规范，强化构造设计与材料控制。主梁设计为钢筋混凝土结构，考虑桥梁跨径大，设计时考虑增强主梁间横向整体性，布置预应力筋。

本项目结合桥梁结构受力与施工要求，确定主梁结构尺寸、钢筋布置方案，具体设计方案如下：φ15.2钢绞线，设计采用交错单端张拉方法，布置于箱梁腹板；每束钢绞线由3根组成，设计采用扁锚体系，纵桥向布置，布置间距50cm；边跨端横隔板，设计采用φ32精轧螺纹钢筋。设计过程中，考虑钢筋避让问题，减少后期施工问题，提高桥梁结构安全性。

3.3 载重结构设计

桥梁设计中，载重结构指的是桥墩、承台，此类结构受力集中，一旦设计失误，极易导致桥梁结构安全性受到极大威胁。本项目结合桥梁实际情况进行载重结构设计如下：①桥墩：横向桥梁宽度14.2m，纵向高度60m、60m、15m，相应的宽度参数不同，桥墩间距4m；②桥台：重力式U型桥台，基础扩大处理，纵向宽度11.2m、厚度5m，横向宽度16.2m、厚度5m。

根据项目地质条件调查发现，桥头分布有软土地基，为保证桥梁运营中车辆行驶安全，需做好地基处理设计，严格控制沉降，台后路基填土设计采用填土预压、钻孔成桩的方法。支座设计时，需充分考虑变形因素，设置上下钢板，预制梁端底部设垫块，保证支座可靠受力。

3.4 结构材料选择

桥梁安全性及耐久性设计中，结构材料选择是重要内容之一。此桥梁结构设计选用C50混凝土，边跨位置现浇，现浇段9m、合拢段2m。桥面铺装设计选用耐久性水泥材料，适当掺加聚丙烯纤维；混凝土层上方，设计选用水性沥青基渗透性防水材料。预制梁顶位置，设计采用抗剪连接钢筋，以此增强桥梁结构整体性能。

3.5 附属结构设计

为提升桥梁结构耐久性，必须重视结构防护问题，科学开展附属结构设计工作。本项目桥梁设计中，保证伸缩缝与桥面铺装层有效契合，防止出现渗水问题，进而导致主体结构腐蚀，影响桥梁结构性能。

4 结语

综上所述，在桥梁设计中需充分考虑结构安全性、耐久性问题，保证桥梁使用安全，减少因环境侵蚀或是交通荷载所致的各种病害，合理控制养护管理成本。桥梁安全性、耐久性设计中，应综合考虑交通荷载、桥址环境以及相关规范等因素，做好结构设计、材料选择与相关优化工作，保证桥梁整体安全、可靠、耐久。