桥梁设计隐患问题与排查措施研究

杨勇、李航

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，公路交通量不断增加。在交通运输中，桥梁是重要的基础设施之一。然而，在运营过程中由于汽车重载及频繁加减速和制动、极端气候等因素的影响，很多桥梁上下部结构出现一定程度的破坏，导致桥梁结构安全性和舒适性降低。因此，对存在潜在风险的桥梁及时进行检测与维护尤为必要。该研究以某高速公路一座跨越深沟河谷的连续刚构桥为例，通过现场调查、荷载试验、数值模拟分析等手段，深入研究该类型桥梁的病害机理及其处置方法，提出相应的加固方案，旨在提高此类桥梁的整体安全性和使用寿命。

1 桥梁设计隐患问题

1.1 桥梁设计隐患的定义

桥梁设计隐患通常包括以下几个方面：一是结构性病害，如裂缝、变形等；二是功能性病害，如缺损、失效等；三是材料性病害，如腐蚀、老化等。不同类型的病害产生的原因也不尽相同，需要具体情况具体分析。例如，混凝土碳化、钢筋锈蚀等都属于结构性病害，而桥面铺装开裂、坑槽等则属于功能性病害。针对以上不同类型的桥梁设计隐患，应采用合适的检测方法和评价标准进行全面细致的检查和评定，以便及时发现和处理潜在的安全风险。同时，还需结合实际情况制订出切实可行的防治方案和应急预案，提高桥梁工程的整体安全性和可靠性[1]。

1.2 桥梁设计隐患的类型

1.2.1 结构性缺陷。主要包括混凝土强度不足、钢筋配置不合理等方面，这些都会导致梁体受力不均匀，从而出现裂缝和变形现象。

1.2.2 材料质量不合格。在桥梁工程中，所使用的各类材料必须具备一定的强度和刚度才能保证其安全性能。但是个别企业为了追求更高的经济效益，非法采用劣质材料或者以次充好，这给整个桥梁工程带来极大的安全隐患。

1.2.3 施工工艺不当。部分施工单位专业技术水平不足，责任心不强，不能严格按照规范要求进行操作，例如未能正确设置预拱度、张拉时间过早等，这样不仅会影响桥梁的正常使用功能，还会留下严重的质量隐患。

1.2.4 运营管理不到位。由于桥梁长期承受车辆荷载以及受到气候变化等因素的影响，容易出现各种病害和损伤。而如果桥梁维护保养不及时、不完善，甚至存在超重车通过、人为破坏等违规行为，将会进一步加剧桥梁的损坏程度，形成恶性循环[2]。

1.3 优化桥梁设计的方法

1.3.1 均匀化方法

在进行桥梁结构设计时，为了使结构具有较高的安全性和稳定性，需要采用一些科学合理的计算方法来对其受力情况进行全面细致的分析。其中，最常用的一种计算方法就是均匀化方法。该方法主要通过将结构中各个部位所承受的荷载进行均分，从而有效避免出现局部应力过于集中的现象，进而提高整个结构的承载能力和抗裂性能。

1.3.2 变厚度法

在进行梁体计算时，一般采用等截面梁模型。但是由于实际工程中存在很多不确定因素，比如混凝土收缩徐变、预应力损失以及支座沉降等，这些都会导致结构产生变形和应力重分布，因此需要考虑变截面梁模型以更加真实地反映结构受力情况[3]。

1.3.3 ESO 方法

在进行桥梁结构设计时，采用渐进结构优化(ESO)的概念(Evolutionary Structural Optimiza-tion)，（其模型如图1 所示）。该理论是一种全新的抗震设计理念和方法，其核心思想是通过对结构地震响应的控制来提高结构整体的抗震能力。但是，由于我国目前还没有形成一套完整、成熟的ESO 体系，在具体应用过程中还存在一些困难和不足。因此，有必要加强相关技术研究和规范制定，推动ESO 方法与我国桥梁工程实践相结合，不断提升我国桥梁工程的抗震安全性能。

图1 ESO 方法模型

2 桥梁设计隐患问题的排查措施

2.1 建立健全设计管理制度

在进行桥梁工程设计时，需要有一套完整、规范的设计管理体系来保证其顺利实施。首先要制订科学合理的设计方案和进度计划，明确各个阶段的工作目标与任务；同时还应加强对施工过程中各类数据信息的收集整理，及时发现并处理各种突发状况，确保整个项目能够按照预期的时间节点完成。其次，为了增强设计人员的责任意识和质量意识，可以通过定期组织培训或考核等方式来提高他们的专业技能水平，进而提升整体设计水平。最后，在设计管理制度建设方面，也应充分考虑不同部门之间的协作关系，做好沟通协调工作，避免各自为政导致工期延误、成本增加等不良后果[4]。

2.2 加强对设计单位的监管

在进行桥梁工程设计时，需要选择专业能力强、经验丰富的设计团队。但是当前一些小型设计院或个人为了追求片面经济利益，往往采用不合规的手段来获取项目，这些行为不仅违反相关法律法规，也给桥梁工程带来安全风险和质量隐患。因此，必须加大对设计单位的监管力度，规范市场秩序，保障桥梁工程的整体质量与安全性。

2.3 基于BESO 的桥梁结构优化方法

2.3.1 BESO 方法的基本原理

BESO 方法是一种基于模型的可靠性评估技术，其主要思想是将系统分解为若干个子系统，并在每个子系统中建立相应的数学模型。通过对各个子系统之间的相互作用进行模拟和计算，得到整个系统的性能指标及其变化规律。然后利用这些性能指标来判断该系统是否满足规定的安全要求或使用寿命等条件。该研究采用BESO 方法，对桥梁工程的设计、施工和使用等方面进行详细分析，并提出相关管理建议。

2.3.2 结构优化的数学模型

桥梁设计中的结构优化是一个复杂而系统的工程，需要考虑很多方面，比如材料、气候环境等。桥梁设计方案不仅是设计图纸和文字说明书，在实际情况下还需要对相关参数进行计算分析并建立数学模型，这样才能使桥梁设计的方案更加科学合理。在分析结构受力时，由于应力集中处极易出现结构性破坏，所以设计时应提出构件所能承受的最大应力要求[5]。

2.3.3 性能指标公式

性能指标的计算方法有多种，常用的几种方法有传统设计法、经验公式及综合评估系统，其中较为先进和应用性最广的是对过去使用状态下制订桥梁结构方案进行分析与评价，以及采用计算机软件技术来完成桥型设计方案比较。在工程项目中对桥梁整体状况做出全面准确的评估是非常必要的重要环节。通过该方法可以将各个因素影响到的全部因素加以考虑并计算出总指标值，从而为设计人员提供较为科学合理的参考依据，在许多实例中证明该方法解决实际问题的有效性。初始设计域的相关体积计算如公式（1）所示：

在优化迭代过程中，第i次迭代的结构的相关体积计算如公式（2）所示：

迭代第i次的性能指标计算如公式（3）所示：

在桥梁工程的建设中，应从实际出发，充分考虑各种因素，在确保安全和稳定的前提条件下选择最佳设计方案。

2.3.4 APDL 参数化计算与分析

该处将使用ANSYS 软件进行APDL 参数化建模和仿真。首先，需要对模型的几何尺寸、材料属性等信息进行输入。然后，通过APDL 语言编程实现桥梁单元的参数化建模，并设置边界条件和荷载情况[6]。最后，运行程序得到结构响应结果，包括位移、应力等方面的数据输出结果。桥梁设计过程中需要注意的问题有：对结构进行有限元分析，建立合理、可靠、安全稳定性好的模型；在桥梁工程施工时，可以结合实际情况选择适当方案。具体实施流程见图2。

图2 BESO 优化流程图

2.4 拓扑优化在桥梁造型领域的应用

随着计算机技术和有限元理论的不断发展，结构拓扑优化作为一种新型的材料开发方法已经被广泛地应用到工程实践中。该方法可以通过对结构进行连续、均匀、变厚度等变量的优化来达到减轻自重、提高刚度以及降低成本等目的。同时，由于其具有很好的可制造性和可调节性，因此也成了现代化桥梁建设过程中不可或缺的一部分[7-8]。以某座大跨径预应力混凝土斜拉桥为例，采用ANSYS 软件建立全桥模型并进行静动力计算后发现：原方案存在较多的箱梁腹板开裂现象，且部分区域受力较为集中；而经过拓扑优化处理后，不仅有效减少箱梁截面尺寸，还让整个主塔高度得到大幅度提升，从而改善整体受力情况。综上所述，基于拓扑优化的桥梁造型设计方法，不仅可以大幅度提高桥梁的承载能力和安全性能，还能够进一步推动我国桥梁事业向更高水平迈进[9-10]。

3 结语

该研究通过对某高速公路上一座大桥的病害进行分析，提出一些解决方案和建议。首先，在设计阶段应充分考虑施工过程中可能出现的各种情况，并采取相应的预防性养护措施；其次，应加强对原材料的质量控制，严格按照规范要求选用合适的混凝土配合比；最后，应针对大桥存在的其他病害，如支座脱空、伸缩缝堵塞等，及时发现并处理，以保证结构安全可靠。