关于公路桥梁设计中的安全性和耐久性问题分析

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　　摘要：随着国内交通基础设施建设快速发展，公路桥梁安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题,不仅要积极借鉴国外成功的经验和做法,还必须认真的总结找出更适合国情的一套设计方法和管理经验,除加强施工管理外,还要从桥梁设计理念和结构体系及构造的角度做好耐久性的设计。
　　关键词：公路桥梁设计；桩基；安全性；耐久性
　　1、公路桥梁桩基设计应注意的几个问题
　　 桥梁上部结构荷载通常较大，后期质量稳定、承载能力高的钻孔灌注桩往往成为绝大多数桥梁工程首选的基础形式。桥梁桩基的设计是否得当，对工程造价、质量、工期及使用影响很大。
　　 1.1正确区分端承桩和摩擦桩等桩基类型
　　 端承桩和摩擦桩的区分，不能单纯从是否嵌岩来区分，要考虑上覆土层的性质和厚度、桩长径比、嵌入基岩性质、嵌岩深径比和桩底沉渣厚度等因素。
　　 1.2科学计算桩基承载力
　　 工程试验证明，当岩面较平整，桩的嵌岩深度h>2d时，桩侧嵌固力约占总荷载50％以上。随着嵌固深度增加，承载力也随之增大。但嵌固深度h>3d时，承载力增长不大。《公路桥涵地基与基础设计规范》中计算单桩轴向受压容许承载力的公式中没有对桩嵌入基岩深度规定限值，也没有随嵌入深度值增大而设定相关的折减系数。因此，在桩基设计实践中，当桩基承载力需要通过较大的嵌岩深度来提高时，不妨考虑加大桩径。
　　 1.3准确确定嵌岩深度及桩端持力层厚度
　　 桥梁工程桩基设计中，经常会遇到两软弱岩层之间穿越强度很高的一定厚度的岩层(夹层)，或者有些地区溶洞比较发育。如果这种夹层厚度不够承载厚度要求，钻孔桩就需要穿越夹层，以达到持力层，这对施工机械和施工进度都是极大的考验。为使桩基设计经济合理，应根据经验值和试算数值相结合的方法来确定嵌岩深度及桩端持力层厚度。
　　 1.4采取合理的桩基配筋布置
　　 在设计中通常有两种钢筋布置方式。一种是根据最大弯矩处进行配筋。另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。这是因为：由于桩基较长一段不设钢筋，比后者节省了部分钢筋；底部断桩时，钢筋笼拔出后，可原孔再钻，减少扁担桩发生机率。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。
　　2、桥梁设计中的安全性和耐久性问题
　　 2.1桥梁设计中安全性和耐久性差的原因分析
　　 2.1.1 方案设计不合理
　　 结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。然而在桥梁设计时，许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小，钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求，仅用了5年～10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。
　　 2.1.2设计理论不够完善
　　 国内的结构设计过程中，考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注。既没有明确提出使用年限的要求。也没有进行专门的耐久性设计。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发，结构使用性能差，使用寿命短的不良后果。
　　 2.2提高公路桥梁安全性和耐久性的设计方法
　　 (1)满足结构混凝土耐久性的基本要求，重视桥梁的耐久性方案设计。提高混凝土自身的耐久性是解决桥梁结构耐久性的前提和基础。除此之外，要从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性。
　　 (2)加大钢筋的混凝土保护层厚度，加强构造配筋，防止和控制混凝土裂缝。加大钢筋的混凝土保护层厚度，是保护钢筋免于锈蚀，提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一。控制混凝土的裂缝，除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外，更重要的是要采取构造措施，控制混凝土施工及使用过程大量出现的非工作裂缝。
　　 (3)加强桥面铺装层的防水设计。桥面铺装层应采用密实性较好的C30 以上等级的混凝土，混凝土铺装层内应设置钢筋网，防止混凝土开裂。采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料，都能收到较好的防水效果。桥面铺装层顶面应设置防水层，特别是连续梁(或悬臂梁)的负弯矩段更应十分重视防水层设计。此外，还需加强泄水管设计，应特别注意泄水管周边的构造细节处，加强伸缩缝处的排水设计，防止水分从伸缩缝处渗入梁内。
　　 (4)充分重视桥梁的超载问题。桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。
　　3、山区高速公路桥梁设计要点
　　 3.1桥梁结构体系选择
　　 为保证行车的舒适性，结构经久耐用而且实用，山区高速公路大、中桥一般采用先简支后连续或墩梁固接的连续――刚构混合体系。由于全刚构体系墩高相差较大，需通过调整桥墩的线刚度来改善桥墩受力，会使得桥墩的尺寸增多，美观性降低，同时施工也比较麻烦。全连续结构太长，行车舒适性差，墩台所受的水平力较大。所以应根据地形，将中间墩高较高，刚度相差不大的相邻几个桥墩固接起来，利用其柔性来适应桥墩所受的温度收缩、徐变、制动力等水平力，较矮的边墩设置滑板支座或橡胶支座，形成连续梁。这样的刚构――连续体系大大改善了高墩、矮墩的受力性能。
　　 3.2桥梁上部结构设计
　　 上部构造形式的选择，应结合桥梁具体情况，综合考虑其受力特点、施工技术难度和经济性。简支空心板结构的桥型，施工方便，施工技术成熟；但跨径小，梁高大；由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差；上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加；桥面伸缩缝多，行驶条件差。因而，在山区高速公路中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线梁来说，T梁为开VI 断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差，曲梁的弯矩作用对下部产生的不平衡力大。但当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上可弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直线设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但较曲线梁小。此外，可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性。
　　 3.3桥梁下部结构设计
　　 下部结构应能满足上部结构对支撑力的要求，同时在外形上要做到与上部结构相互协调、布置均匀。桥墩视上部构造形式及桥墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或双薄壁墩等多种形式。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观。对于连续刚构桥，要注意把握上下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度比，减小下部结构的刚度，可减小刚结点处的负弯矩，同时减小桥墩的弯矩，也可减小温度变化所产生的内力。但是桥墩也不可以太柔，否则会使结构产生过大变形，影响正常使用，并不利于结构的整体稳定性。对于高墩，除了要进行承载能力与正常使用极限状态验算外，还要着重进行稳定分析。对于连续梁结构或连续刚构桥，各墩的稳定性受相邻桥墩的制约影响应取全桥或至少一梁作为分析对象。
　　4、结束语
　　 公路桥梁设计中的安全性、耐久性关系到桥梁质量好坏，有关这方面的问题应引起桥梁设计人员的高度重视。要积极寻找解决桥梁的安全性、耐久性问题的有效方法，同时也可借鉴国外优秀的设计经验和做法，同时要加强桥梁的施工管理和设计人才的培养。

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