桥梁设计中的安全性及耐久性研究

吴军、潘伟华

（1.华设设计集团股份有限公司连云港分公司，江苏 连云港 222000；2.连云港市铁路事业发展中心，江苏 连云港 222000）

0 引言

桥梁设计的过程中应重点按照桥梁的特点和实际情况，制定完善的安全性、耐久性设计方案，通过科学合理的设计方式，改善整体结构的安全水平，延长工程结构的使用寿命，为人们营造较为良好的桥梁工程项目，提供安全稳定且舒适的交通运输基础环境，达到预期的设计目的。

1 工程概况

连云新城商务中心区道路规划网确定了以主干道为骨架，次干道、支路为补充的方格网式路网格局。该项目所在的金海大道既是贯穿连云新城东西向的交通主干道，也是连云新城商务中心区主干路“一横两纵”中的一横。桥梁跨越泻湖和大浦河调尾河的共线水体，位于商务中心区与金海一二期之间，桥位处河口宽约230m。该项目设计起点为K0+000（金海大道与汇海路交叉口以东200m），实施起点为K0+200（与汇海路交叉口），沿线于K0+366.340 与支十路交叉，桥梁中心桩号K0+532 处跨越大浦河入海水道，实施终点K0+800，实施长度为600m，包括桥梁236m 和引道364m，桥梁、引道红线宽均为42m。

2 桥梁设计中安全性和耐久性设计要点

2.1 预应力损失控制要点

桥梁工程项目的预应力损失对整体工程安全性产生直接影响，同时对工程的耐久性也会造成约束，在设计时需要全面分析工程的预应力损失状况和因素，以预防安全风险问题和工程耐久性问题为目的，科学合理地进行预应力损失的控制，明确预应力钢绞线的规格，尽可能降低预应力损失，如表1 所示。此外，对预应力钢筋、管道的距离进行严格控制，预防出现相互摩擦的问题对工程耐久性造成影响。同时，做好台座温度差异的设计、应力松弛度的设计、锚具强度的设计等工作，预防发生结构变形或安全风险问题。另外，由于工程结构可能受到接缝压缩、钢筋回缩等因素的影响出现安全问题或耐久性问题，因此设计时力求降低安全风险问题和耐久性问题的发生率。

表1 预应力钢绞线规格

2.2 安全因素的控制要点

其一，合理进行桥梁横断面管线的设计，在其中设置给水线路、通信线路、电力线路、安全监控线路等。在不影响桥梁美观度的情况下进行桥梁安全风险的监控。其二，合理进行桥梁两侧区域的引道交叉口交通设计，确保能够和辅道的道路之间良好衔接，预防发生安全问题。其三，对桥型设计方案进行优化，确保整体桥梁的功能安全、结构安全符合要求，同时制定完善的桥梁安全设计方案，遵循整体的设计要点和原则，合理控制桥梁防洪排涝方面的安全因素等，有效维护桥梁工程结构的安全性。另外，根据具体的情况进行安全因素的控制，例如：桥梁工程项目经韩山、浦南、前罗阳，向北东延伸至海州湾进入大海，为预防发生安全风险事故，在事故现场进行定性评价分析，明确山体斜坡坡脚的位置、块体结构的粒径，准确判断是否会发生崩塌的事故。通过人工操作的方式清除危岩结构，设计主动网防护结构，同时设计被动防护网，这样能够有效维护桥梁工程结构的安全，避免在崩塌等事故的影响下发生耐久性的问题。

2.3 挠度与安全指标控制要点

桥梁混凝土结构的挠度形成和负荷承载量过大存在直接联系，一旦工程发生挠度的问题，将会对结构的安全性产生不利影响，缩短工程的使用寿命，出现耐久性的问题，所以在设计时需要综合研究桥梁的负荷因素、内部预应力因素等，通过挠度的控制、安全指标的控制，预防发生安全风险隐患问题。

3 桥梁设计中的安全性及桥梁耐久性设计措施

3.1 根据超载和其他因素进行设计

考虑到桥梁工程在投入使用环节可能由于超载运输因素或其他因素的影响出现结构的安全性问题或耐久性的问题，因此在设计工作中应结合具体状况执行任务。一方面，分析研究出现超载运输的原因情况，在公路桥梁的入口位置设计称重系统，车辆进入之前称重，一旦超出荷载标准自动化发出警报信息，就不允许车辆进入公路桥梁。另一方面，应结合地震影响因素、空气有害污染物影响因素、腐蚀性影响因素、锈蚀性影响因素等，通过完善设计方案内容、合理运用先进技术措施、配置有效的养护方式等，维护整体工程项目的安全性，确保耐久性与要求相符。

3.2 工程结构设计

桥梁结构设计的过程中应按照桥梁工程本身的特点，遵守国家相关标准，确保所设计工程结构的安全性与耐久性符合要求。如图1 所示，桥梁设计时应全面分析研究结构的疲劳损伤规律，以预防发生超载问题、结构损坏问题为基础，完善结构设计规划方案，明确提出核心构件和部件的强度标准、稳定性标准，避免发生桥梁结构的安全风险或耐久性的问题。例如：根据桥梁工程项目的杆系结构特点，保证结构设计的刚度、稳定性、强度指标符合标准要求，所有结构的设计都必须符合连续性和完整性的标准规范，结构截面尺寸具有平顺性和均匀性，这样不仅能够确保桥梁结构的安全性和耐久性，还能改善外观的美观度。

图1 结构安全性和耐久性设计

为延长整体工程的使用寿命，避免发生安全事故，需要预防出现结构裂缝的问题，分级进行结构裂痕的处理，采用信息化技术进行结构抗裂性能的计算与检测分析，将结构抗裂性能划分成为三个等级：A等级是不可以出现裂缝；B 等级是可以有裂缝，但是不能对结构的寿命和安全造成影响；C 等级是允许有裂缝的发生。

3.3 工程材料设计

应按照整体工程项目的特点与情况，以维护桥梁的安全性和耐久性为目的，做好工程材料的设计工作。

3.3.1 材料配合比的设计原则

为确保整体桥梁工程项目的耐久性和安全性，科学合理地进行材料配合比的设计，确保材料施工结构具备一定的抗压强度和抗弯强度，严格控制材料施工结构的抗弯拉弹性模量和抗劈裂强度，材料的配合比应满足结构浇筑成型的工艺标准、耐久性要求和安全性要求。

3.3.2 材料配合比控制的细节

（1）水泥材料的设计

在设计水泥材料的过程中，选择具有低水化热特点和低含碱量特点的材料，不可以设计早强类型，或掺有石灰粉类型的水泥，应严格进行材料细度的控制，尽可能设计低细度并且低CS 含量的水泥，这样能够预防水化热问题所带来的影响，避免早期开裂现象的发生。为确保混凝土结构的抗裂性能，需要设计低碱含量的水泥以有效预防出现碱骨料反应的现象，整体混凝土材料中的碱含量应低于1.8kg/m。

（2）骨料的设计

首先，需要设计质地密集且坚硬的骨料，确保级配的合理性、直径与形状的良好性，尤其要重点控制混凝土骨料的级配和颗粒形状，其中粗骨料的堆积密度应维持在1500kg/m以上，空隙率控制在40%以下，压碎值设计在10%以内，吸水率为2%以内，针状和片状颗粒含量为5%以内，最高粒径在25mm 以下。其次，由于砂子材料的细度模数不同，因此需要设计累积筛余量5mm，筛5% 左右，0.63mm 筛40%～70%左右，0.16mm 筛95%以上。

（3）粉煤灰的设计

桥梁工程项目中，粉煤灰的配置直接影响结构的耐久性，按照以往类似工程的经验可以发现，适当在原材料中添加矿物质掺和料，能够降低混凝土的开裂问题发生率，减小结构的渗透性，主要原因是粉煤灰掺和料的添加，能够降低初龄期阶段混凝土结构的水化热问题的发生率，改善结构强度，同时还能降低混凝土结构的空隙率，增强自身防护性能，因此建议在材料设计的过程中，适当设计粉煤灰掺和料，应根据桥梁工程项目的特点和结构特点，科学合理地进行粉煤灰的分级处理、质量指标的设定，通过粉煤灰材料的合理设计，改善桥梁工程的耐久性和安全性，如表2所示。

表2 粉煤灰分级和质量指标

3.4 工程抗震设计

桥梁工程项目的设计工作中应重点关注工程结构的抗震设计，提升项目的抗震性能，以免地震灾害对桥梁的耐久性和安全性造成不利影响。首先，在设计之前应在现场区域进行工程地质状况和气候状况的勘查分析，根据现有的资料和数据信息等编制抗震设计的方案。其次，抗震设计的过程中需要综合研究工程项目的地震风险因素、安全事故发生因素、耐久性影响因素等，利用试验分析的方式选择最佳的抗震设计方案，如表3 所示。可以按照公式=····、·准确进行抗震设计计算，改善桥梁工程的抗震性能，维护结构的安全性和耐久性。

表3 抗震设计计算分析

3.5 加固部分设计

加固设计是提升桥梁工程结构安全性和耐久性的重要措施，应按照实际情况制定完善的桥梁结构加固设计方案。

3.5.1 桥面位置的加固设计

桥面结构的加固设计效果直接影响整体工程项目的安全性和耐久性，主要原因就是桥面是车辆行驶期间直接接触的部分，随着桥梁上方车辆通行数量的增加，在振动因素和摩擦因素的影响下，容易发生桥面损坏的问题，不仅会导致桥面外部损伤，还会引发内部结构的问题，对工程项目的安全度和耐久性造成不利影响，所以需要重点进行桥面位置的加固处理。其一，在桥面区域设计标准性的防水层，根据桥面的状况设计流水槽、排水系统，确保在雨季不会发生积水的现象，预防雨水浸泡影响桥面的使用寿命。其二，合理进行桥面和路面衔接位置的加固设计，预防衔接处有裂缝问题、平整度问题，避免车辆行驶过程中发生颠簸事故或跳车事故，维护桥梁工程使用安全和结构寿命。

3.5.2 钢筋混凝土加固设计

钢筋混凝土的稳固性对桥梁工程的安全性和耐久性会产生直接影响，应需要合理进行钢筋混凝土加固设计，以此增强整体工程的安全性，延长结构的使用寿命，设计预应力钢筋和混凝土材料结合的模式，构建较为良好的结构体系，提升桥梁工程的受力性能。与此同时，还需对桥梁结构强度影响因素和稳定性影响因素进行分析，按照影响因素科学设计，避免桥梁工程结构出现稳定性问题、安全性问题等，延长结构的使用寿命，确保桥梁工程的耐久性。

4 结语

综上所述，桥梁工程项目的安全性和耐久性设计过程中需遵循基本的要点原则，严格进行结构预应力损失控制设计、结构安全因素的控制设计、结构挠度与安全指标的控制设计，有效维护工程项目的安全性和耐久性，同时应按照桥梁结构的特点和超载因素等开展设计工作，合理进行结构设计与材料的设计，强化工程抗震和加固设计力度，有效维护工程结构的安全水平，延长整体结构的使用寿命，达到预期的结构设计目的。