公路桥梁设计中的安全性及桥梁耐久性的分析探讨

公路桥梁设计中的安全性及桥梁耐久性的分析探讨

摘要：我国交通基础建设处于不断改进和变革阶段，一方面新的技术和新材料大量应用使得公路桥梁的安全性和耐久性获得了提高。另一方面，如何正确在公路桥梁设计中对出现的问题及时分析和讨论应对方法又提出了新要求。通过对公路桥梁设计中遇到的关于安全和耐久性问题进行探讨得出有利于我国交通基础建设发展的有价值建议。

关键词：公路；桥梁；安全性；耐久性

前言：我国公路桥梁工程属于市场竞争中激烈的领域，并且整个工程在结构和强度以及安全性、耐久性等都具有高指标的要求，如何在设计中提高公路和桥梁的安安全性和耐久性是值得研究的。

1.公路桥梁设计中出现的安全性和耐久性原因分析

公路桥梁的基础作用是作为市政公共设施建设的重要保障设备，其工程的整体质量是发挥实用效果的关键。但是目前社会大众对公路桥梁的设计考量点偏向美观和经济性，在安全性也耐用性上重视程度不够，使得公路桥梁的使用周期缩短，施工单位在施工中会出现偷工减料和降低工程完工标准。在设计中如何兼顾美观和成本性的同时，保障公路桥梁强度和可靠性能的稳定，是其安全性和耐久性提高的关键，需要设计工作人员在设计具体工作是，开始对结构和安全角度入手，进而考虑整个桥梁所面对的内在和外在环境的各种因素影响。避免因设计方案的考虑不周，出现内在环境和外在环境双重影响下，使得公路桥梁缺乏足够的安全性和耐久性保障。设计方案过程中会出现设计人员专业知识和能力的不同而出现对工程结构和构造结构设计考虑因素不周，这些都是设计人员出现的问题。虽然运用了新的工程规范和标准指导也采用了新技术和新材料也崭新的机械设备，但不及时加强设计工作人员的能力和专业知识培养是远远不够的[1]。

2.公路桥梁设计中安全性和耐久性提高分析

2.1设计理念的注重和提高

公路桥梁是我国基础公共设施，不能对外在美观和节约建造成本进行设计考虑，要开始归回公路桥梁最基本的安全性和耐久性为主体的设计理念。对桥梁在承载能力上也不能单纯考虑承载的极限是多少，要考虑在承载量提高后其公路桥梁使用周期是否也得到延长和保障。这些方面的保障前提需要设计工作人员在职业数值和设计水平的共同提高，把相应的各项参数指标数值提高，进而在整个工程设计阶段开始，到工程开始实施以及投入运行都要技术和管理手段的控制和监督。

    2.2一般大气压环境中其桥梁结构耐久性分析

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定，材料强度要在95%，对混凝土强度设计值与混凝土材料分项值系数比为1.45。这个系数是符合二级安全等级结构分析脆性标准要求的，相应的可靠度指标4.71。进而得出普通钢筋抗拉强度设计值是有相对普通的钢筋抗拉值标准值除以1，21得到的。进而轴心抗拉分析是可以对二级安全等级结构规定进行延性破坏构成目标指标推算的。将根据对桥梁构建设计计算，得出构建几何尺寸常数，并通过相应参数得出对可靠指标和保证率的构建[2]。

我国处于内陆地区，混凝土结构性能退化主要原因是碳化，因而在特定大气压中，对混凝土抵抗碳化侵蚀研究，是保护钢筋不发生锈蚀的关键。通过德国2013年建筑总结期刊中《混凝土长期性能试验》得出满载混凝土材料抗碳化耐久度需要在标准中养护28天，二氧化碳控制在0.04%浓度[3]。其温度在20-25度，湿度在70-75度，并在受到拉伸时相应碳化深度要达到30MM时间单位，进而按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定结合世界先进的研究成功《混凝土长期性能试验》，得出桥梁墩台身和立柱以及相应结构主梁等混凝土结构保护层厚度要求[4]。

表1：新桥梁规定关于混凝土最小保护层及强度等级要求

环境类别等级	环境条件	最低混凝土强度等级	主筋最小保护层厚度	考虑施工允许误差后的最小保护层厚度
一级	温暖或寒冷地区的大气环境，并无侵蚀性水和土壤接触	C25	30MM	25-35MM
二级	严寒高或高海拔地区大气环境，需要使用除冰盐环境和滨海环境	C30	40MM	35-45MM
三级	海水因素环境	C35	45MM	40-50MM
四级	受侵蚀性物质影响的环境	C35	45MM	40-50MM

表1中的对耐久性材料和构造参考值是最低标准，并不包括对构件抗裂性分析，其厚度越大相对抗裂性越大，需要对抗裂性盐酸和用料经济性进行同时考虑。（表2）

表2 国内典型地区桥梁混凝图构件内就行措施分析

项目	参数范围	备注
各区域的气候条件	采用全国各地温度和湿度统计数据	符合实际
混凝土强度登记范围	C25—C55	为桥梁构件常用
混凝土保护层厚度	25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、	为桥梁构件截面常用
构件所处的局部环境影响系数(实际反映了构件受水侵蚀的影响程度）	m=1(构件处于室外遮掩状态，不受雨的侵蚀）	适用在受桥面良好遮掩，防水条件好，例如内梁
	m=2(构件处于室外遮掩状态，受雨的侵蚀）	适用于部分受桥面遮掩的情况，例如高桥墩
	m=3(构件处于半裸露状态，经常受雨水影响）	适用于时常受雨淋的构建，例如部分边梁外侧面以及主梁悬臂板下
钢筋直径	22mm	为桥梁构件常用
钢筋位置	按非角部钢筋考虑	角部钢筋锈蚀速度明显快，其截面耐久性寿面在非角部计算数据处于1.51
分析工程情况	（1）在典型气候条件下，m分别取1.2.3，其相应参数取与材料耐久度定义相同的条件，保护层取30mm时，分析截面耐久性寿面的分布情况
	（2）m分别取1.2.3时，在当地实际气候条件下，混凝土及保护层分别常用参数时，考察不同组合下的截面耐久性寿面td2的分布情况

2.3 对公路桥梁结构的疲劳和损耗分析需要关注

公路桥梁面对外界环境作用，自身的结构会随着使用周期的增加出现一定程度的抗疲劳性能降低。其面对内部环境影响和结构积累性应力影响而趋于降低这种疲劳损耗机制的破坏，对公路桥梁的结构稳固影响是直接的也是缓慢的。同时结构体所使用的材料的不同和局部应用不同，在这种疲劳应力水平下降时，会发生断裂和硬性的破损。这些结构的逐渐损耗对其安全性和耐久性影响非常强烈，会从破坏混凝土结构开始延伸，逐渐开始对整个公路桥梁的结构体进行侵蚀和脆性破坏。因此，需要开始对混凝土结构进行抗耐腐蚀性研究和动态模拟研究以及公路桥梁结构疲劳抗性研究，在设计阶段对选择工程材料进行模拟实验和数据分析，得出应用材料体的准确分析研究。

2.5 截面抗震和抗裂性

公路桥梁的截面抗震抗裂性计算需要对每个不同结构进行取值判定，其预应力混凝土结构裂痕分为三个级数结构，三级是可以出现裂缝的预应力混凝土结构。二级是可以出现标准组合和非标准组合两种共存标准，第一级是不能出现裂缝的混凝土结构，在对每个横截面进行计算后要考虑轴心受压力结构和受弯曲结构再裂缝宽度的模拟推算并判定实施。

2.6 桥梁防水层考虑

桥梁需要对抗渗透和抗剪力以及抗拉伸及性能考虑并设计出针对性强的防水层，在每个沥青混凝土铺装层以及防水涂层进行交融性考虑。要考虑两者间与水泥混凝土有一个合理的粘结力，桥面体铺设时，要对梁体负弯矩段是否考虑防水层合理设计以及缝隙排水的设计进行分析，对排水管的布局进行规划合理设计。

3.实例分析：

选定我国河北某处进行桥梁建设，桥梁总体要求是普通公路桥梁，设计负荷为公路二级，其安全等级也是耳机，进而得出，跨径需要15.5M，桥面净空7.0+0.5乘以2，确定为8米。相应的设计参数，是混凝图选择C30.为13.80MPA，纵力钢筋选择HRB335级，车道设定为N=2主梁数为N=8，相应截面如图、

耐久性设计要求，按照对混凝土结构耐久性和受碳化影响程度分析，看看河北年平均温度16摄氏度，年平均湿度在78%，此桥梁设计使用寿面在60年，主梁在30年不发生钢筋锈蚀。通过《公路工程机构可靠度设计统一标准》和德国在2013年国际学术其抗上关于自重效应判定公式得出相应的标准差和变异系数，进而到处汽车荷载横向分布系数为0.236，冲击系数在1.30.进而参考《公路可靠度统一规范》和德国在2012年对车辆荷载推导公式研究出依赖时间的随机变量，得出设计基准最大参数[6]。

表3：车辆荷载效应设计基准期最大值概率分布统计:

效应种类	车辆运行状态	分布类型	统计参数
			平均值	标准差	变异系数
弯矩	一般运行状态	极值I型	0.6861	0.1092	0.1569
	密集运行状态		0.7995	0.06	0.0862

根据上述资料和对主梁结构钢筋生锈要求，对抗碳化耐久度对应世界著名桥梁学者Apiddm提出的参数推导公式，应要达到42年，通过其Apiddm相应方法计算值在44.6年，高于30年设计。在对截面耐久性极限状态研究，通过国际桥梁专家Sefds在世界发表的专业学术验算方法，得出开裂时间在81年，是不符合寿命计算值要求的。并进一步推出在混凝土标号提高到C35时，保护层厚度要增加到35mm，才能满足桥梁寿命要求。

结论：我国公路桥梁设计是工程建设和竣工后工程质量的关键开始环节，不能对外观和成本以及承载量进行考虑，也要对安全性和耐久性进行重视，才能有效的保障公路桥梁的有效运行和发挥其实际价值。

参考文献：

[1]龙挺枝.钢筋混凝土桥梁耐久性评估方法研究[D].广东工业大学，2013.

[2]朱绩超.氯离子环境下钢筋混凝土桥梁耐久性研究[D].湖南大学，2011.

[3]吴海军.桥梁结构耐久性设计方法研究[D].同济大学，2010.

[4]龙挺枝.钢筋混凝土桥梁耐久性评估方法研究[D].广东工业大学，2013.

[5]朱绩超.氯离子环境下钢筋混凝土桥梁耐久性研究[D].湖南大学，2011.

[6]吴海军.桥梁结构耐久性设计方法研究[D].同济大学，2012.