张浩、张坤
（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230000）
随着建设规模的不断扩大，公路桥梁的安全性问题日益突出，而许多事故的发生都是由于安全性设计不足导致的，造成了巨大的经济财产损失。现有的绝大多数耐久性试验侧重于单一因素影响，在结构构造设计上存在缺陷。因此，公路桥梁设计要充分结合施工、运营、管理等后期工作，从全寿命周期的角度出发，提高桥梁结构的安全性和耐久性。
1.1 公路桥梁安全性和耐久性问题分析
桥梁的安全性指在正常使用极限状态和承载能力极限状态下，桥梁仍然能够保证通行要求的性能，通常用结构抗力和外部作用效应来衡量，不但要计算永久作用、偶然作用、可变作用，而且要将环境作用融入其中，如侵蚀作用、温度作用等。桥梁的耐久性指结构在使用一定年限，并与环境发生各种物理化学反应后仍然能够保持各项功能的能力，主要是考虑桥梁结构抗力函数随时间的变化，关系到桥梁结构的使用寿命。关于具体病害的表现形式，公路桥梁安全性问题主要包括结构裂缝、失稳、沉陷等；
而耐久性问题则更为复杂，不同结构形式耐久性退化表现不同。在我国，钢筋混凝土结构桥梁占绝大多数，常见的耐久性病害表现为桥面铺装破坏、桥头跳车、混凝土开裂、钢筋锈蚀以及附属设施病害，严重影响驾车体验和交通通行，甚至成为交通事故发生的主要诱因[1]。
1.2 公路桥梁安全性和耐久性影响因素
影响公路桥梁安全性和耐久性的因素有很多，包括勘察、设计、施工、使用、养护等各个环节，而且因桥梁的结构形式、使用环境等方面的不同而不同。在勘察方面，勘察成果文件不全面、不准确，影响了后期设计效果。在设计方面，随着公路交通通行压力的不断增大，原有的荷载标准已经不能满足当前汽车荷载要求，同时由于技术水平和经济效益的限制，公路桥梁在结构和构造细节设计方面要求较低。在进行方案比选时，主要由地质条件、经济指标、技术能力、施工方法等方面确定，对耐久性评价不够，缺乏全面有效的评价指标。在设计计算过程中，没有充分考虑非荷载因素的影响，如温度应力，混凝土收缩、徐变等，而且对施工方法、施工荷载、施工顺序等的影响分析不全面。在特殊部位，由于局部应力分布和传递作用可能出现应力突变，如果计算方法不当，很容易出现构造配筋不合理的问题。除此之外，施工和运营管理方面的影响也比较大。在公路桥梁设计时，应该充分考虑这些问题，通过有效的设计手段减少质量缺陷和隐患的发生，提高桥梁结构整体的安全性和耐久性。
2.1 科学计算车辆荷载
公路桥梁安全性指标主要通过结构能够承受荷载的能力来衡量，着重考虑由荷载变化引起的结构内力变化，所以在进行安全性设计时，必须全面准确计算桥梁结构可能承受的荷载大小。车辆荷载是主要的可变荷载，其取值大小直接关系到桥梁的安全性。虽然相关设计规范明确了车辆荷载标准值，但是随着交通运输模式和特点的不断变化，交通量增长迅猛，车辆重型化趋势越来越明显，许多桥梁垮塌事故都是由于车辆超载导致的，除了加大管理力度外，还应该提高车辆荷载计算的可靠度，完善桥梁安全性设计方法。基于可靠度设计方法，建立符合实际交通状况的不同车道类型车辆荷载概率模型，针对不同跨径公路桥梁的车辆荷载敏感性，采用考虑跨径影响的车辆荷载分项系数计算公式，针对公路桥梁车辆横向和纵向随机分布的特点，确定多车道荷载横向折减系数，使多车道桥梁构件的可靠指标基本一致，从而提高公路桥梁车辆荷载计算的可靠性，保证桥梁结构的安全性[2]。
2.2 充分重视抗震设计
抗震设计也是影响公路桥梁安全性的重要因素，考验着桥梁结构在地震作用力下的安全性和稳定性。首先，明确桥梁工程抗震设防等级、设防分类、设防目标；
其次，根据抗震设计要求，构建完善的抗震设计体系，包括抗震结构设计、减隔震结构设计以及其他结构控制设计；
最后，根据不同部位产生的震害，进行针对性的构造设计和细节处理。
桥梁上部结构移位比较常见，移位严重时会出现落梁，如果撞击到下部结构，就会造成二次伤害，所以必须加强防落梁设计。可以适当增大墩台支撑面宽度，将上部结构位移限制在防落梁范围内，也可以安装相应的约束装置，如混凝土挡块，同时协调相邻桥墩高度差，避免出现相邻跨动力特性相差较大的情况，增加落梁和碰撞的风险。对于下部结构的抗震设计，主要体现在墩台和基础方面。以墩台抗震设计为例，主要破坏形式有弯曲破坏和剪切破坏，情况严重的会引起桥梁倒塌。弯曲破坏是一种延性破坏形式，剪切破坏是一种脆性破坏形式。相对而言，剪切破坏的后果更严重，不仅难以耗散地震能量，而且震后修复困难，因此要尽可能加强桥梁结构延性设计。根据以往经验，许多桥梁墩柱震害都是由于钢筋构造不合理导致的，需要根据桥墩截面和受力变化，合理设置箍筋，保证纵向主筋的连接强度、分布数量以及钢筋锚固长度能够满足抗震要求，提高桥墩抗震能力。另外，充分利用减隔震技术，根据技术应用原则选择合适的减隔震装置，能够有效发挥隔震、耗能双重作用，提升桥梁整体抗震性能[3]。
2.3 合理选择结构形式
在准确计算外部荷载的基础上，如何选择合适的结构形式成为桥梁安全性设计的重要内容。根据地质条件、地形地貌、水文条件、气候变化、施工技术、工程造价等综合因素，合理进行结构设计。按照承载结构划分，公路桥梁可以分为梁式桥、拱式桥、钢架桥、悬索桥、组合式桥等。梁式桥又包括简支梁式桥、连续梁式桥、悬臂梁式桥。明确不同类型桥梁的应用范围，简支梁式桥主要适用于小跨度桥梁；
连续梁式桥是大跨度桥梁广泛采用的结构体系之一，一般采用预应力混凝土结构；
悬臂梁式桥通常为奇数跨布置，挂孔跨与悬臂跨相交替。在竖向荷载作用下，拱式桥两拱脚处不但会产生竖向反力，而且会产生水平推力，所以采用拱式桥结构设计时，需要严格勘察现场地质条件，必须保证地质和地基条件良好。钢架桥是由梁式桥跨结构与墩台整体相连而形成的结构体系，其梁柱节点为钢结构。现代悬索桥主要包括桥塔、主缆索、吊索、锚碇、索鞍、加劲梁等组成部分，通过桥面标高和主缆索垂跨比，科学计算桥塔高度，作为主要的承重构件，必须保证主缆索的承载能力能够符合设计要求。大跨度吊桥通常选择平行丝束钢缆，加劲梁是承受风荷载及其他横向水平力的主要构件。大跨度悬索桥的加劲梁都是钢结构，预应力混凝土加劲梁只能用于跨径在500m 以下的悬索桥，而且大多采用箱型梁。除此之外，桥墩、桥台、基础形式的选择也至关重要，需要综合各项影响因素进行合理化设计，保证桥梁下部结构的稳固性，能够为上部结构提供有力支撑，保证桥梁整体安全。图1 为某悬索桥效果图。
图1 某悬索桥效果图
2.4 明确结构设计寿命
设计寿命是设计人员用来作为结构耐久性设计的主要依据，指桥梁在使用过程中仅需一般维护不需大修的期限。在实际工程设计中，桥梁结构的设计使用年限往往是根据相关规范和经验确定的，主要针对的是桥梁主体结构。由于桥梁组成构件众多，各组成构件的功能和材料不同，退化模式、维护管理存在差异，不能仅仅使用一个整体设计使用寿命来要求所有构件，可以对不同桥梁构件分别制定设计使用寿命，在桥梁主体设计使用年限内，对部分构件进行更换或大修，并尽可能减少更换或大修的次数，所以既要确定桥梁设计使用寿命，又要确定桥梁构件设计使用寿命，以作为桥梁及桥梁构件耐久性设计的依据。在考虑设计寿命时，需要着重从技术、经济、功能三个方面出发，确定寿命终结标准。我国的桥梁大部分是结构构件形状不定的混凝土桥梁，应该按照结构体系划分构件，明确不同构件的耐久性类别、耐久性要求以及维修维护方式，然后使用寿命简化公式计算设计使用年限，充分结合环境、养护管理、重要等级、更换难度等，获得相对准确的构件设计使用寿命取值[4]。
2.5 结构材料质量要求
桥梁的耐久性与所处工作环境密切相关。在耐久性设计时，必须合理划分环境类别，准确表达环境作用，充分考虑桥梁实际使用过程中受到的各类环境因素影响。桥梁结构材料需要根据环境类别、设计年限、作用等级等综合因素合理选择，能够同时满足承载能力和耐久性要求。比如，在环境类别和作用等级为Ⅰ-A 的情况下，如果混凝土结构桥梁设计使用年限为100 年，那么混凝土最低强度等级为C30；
如果设计使用年限为50 年，那么混凝土最低强度等级为C25；
无论在何种情况下，预应力混凝土构件的混凝土最低强度等级为C40。作为主要结构材料，钢材的选择也至关重要。对于6mm 的细直径热轧钢筋，如果作为受力主筋使用，通常只能局限在一般环境条件下，而且对环境作用等级也提出了明确的要求。冷加工钢筋不宜作为按塑性设计构件的受力主筋，也不宜作为预应力筋使用，如果直径小于6mm，那么只能在Ⅰ-A、Ⅰ-B 等级的环境作用中作为受力钢筋使用，而且构件设计使用年限要控制在50 年之内，在同一构件中的受力钢筋，尽可能选择同种材质，保证受力稳定、传力良好。
2.6 结构具体构造设计
传统的公路桥梁耐久性设计主要是从材料耐久性的角度出发，对于通过结构构造优化设计改善桥梁耐久性的研究相对较少，通过实践表明，良好的构造设计能够有效提高桥梁耐久性。钢材腐蚀是降低结构耐久性的主要因素，而开始锈蚀的时间与混凝土保护层厚度密切相关。不同环境作用下，不同钢筋的保护层厚度应该满足钢筋与混凝土之间黏结力传递及钢筋防锈要求，在符合相关设计规范的情况下，考虑到目前的耐久性需求和施工技术水平，可以适当增加一定值，虽然可能造成表面裂缝宽度加大的问题，但是不会对开裂处钢筋锈蚀产生明显影响。做好钢筋的布置与防护工作，可以采用焊接钢筋骨架或更大直径钢筋，有效减少钢筋数量，方便混凝土浇筑施工，避免出现钢筋移位的情况；
暴露在结构构件外的金属部件需要做好防腐处理。公路桥梁结构构件的构造和形状应该尽可能避免水、汽、有害物质的聚集。可以通过细部构造处理，获得有效的防护效果。
水是发生钢筋锈蚀、冻融破坏、碱-骨料反应的重要诱因，所以做好桥梁防水设计是提高桥梁耐久性的有效举措。充分考虑桥面部分的防水施工，同时加强接缝、伸缩缝等部位的防水效果，保证水流被及时收集和排出。桥梁防水系统应该与周围其他排水系统协调一致，并且要与其他构件一样易于更换、维护、管理。
同时，合理设置桥面纵横坡，桥面的横坡一般采用1.5%～3%。做好桥面排水设计，排水管道直径不宜小于15cm，保证设置排水管的截面积能够满足排水需求。尽可能不把排水管道浇筑在混凝土内，在合适位置设置渗水管、排水口，桥面铺装层下设置防水层，将渗透下来的水及时汇集到排水设施中。排水系统必须能够抵抗一般化学物质侵蚀。另外，桥梁伸缩缝、支座的构造设计也非常重要，应该从可更换、可维修的角度出发，在设计使用年限内保持适用性，采取抵抗环境破坏的保护措施，并方便后续的更换、检查、维护[5]。
综上所述，桥梁的安全性设计必须保证在正常使用极限状态和承载能力极限状态下依然能够满足通行要求，这就需要加强外部作用荷载分析，提高结构承载能力和抵抗能力。桥梁的耐久性设计与安全性相比更为复杂，需要充分考虑不同阶段各项影响因素，明确不同构件设计寿命，强化材料质量要求，做好细部构造处理，保持桥梁各项功能良好运行。
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