王文辉
山东德州市公路事业发展中心武城分中心 山东省德州市 253300
摘要：在公路桥梁设计中，安全性与耐久性是必须予以充分考虑的重要因素。如果桥梁结构的安全性达不到规范要求，将会导致桥梁的稳定性降低，各种问题也会随之出现，而桥梁结构的耐久性则与使用寿命密切相关。为提高桥梁的整体稳定性，并延长使用年限，应当做好安全性和耐久性设计。基于此点，文章分别从安全性和耐久性两个方面，对公路桥梁结构设计方法和要点进行论述。期望能够对桥梁设计水平的进一步提升有所帮助。
关键词：公路桥梁；安全性；耐久性；设计
0 引言
近年来，随着我国交通运输业的快速发展，使得公路桥梁项目不断增多。部分桥梁在投入使用后不久，便出现了一些质量问题，比较常见的有混凝土开裂、桩基下沉等等。导致这些问题的主要原因是桥梁设计中，对安全性和耐久性的考虑有所欠缺。为解决上述问题，应当对公路桥梁设计的安全性和耐久性予以高度重视。
1 公路桥梁安全性设计
1.1 结构安全性设计
公路桥梁是重要的交通基础设施之一，其每天除了需要承受车辆荷载之外，还会受到环境因素的影响，这些都会对桥梁的安全性造成影响。如果桥梁在进行结构设计时，未对影响安全性的因素予以充分考虑，则会给桥梁埋下安全隐患。鉴于此，在桥梁设计时，必须对所有可能导致结构安全性降低的因素进行综合考虑，并根据桥梁所在地对结构进行合理选择，从而最大限度地提升桥梁结构的安全性。比如，可将桥梁的结构设计与铺装进行结合，以此来改善铺装层的抗疲劳损伤情况[1]。同时，混凝土可以选用强度等级为C30以上的，并对钢筋网进行加密布设，这样能够有效预防混凝土结构裂缝的产生，有助于结构安全性的提升。此外，可按照主梁的结构布局进行适当优化，如采取有效的防水措施，避免雨水渗透影响主梁的承载力，可在箱梁上布设排气孔，降低温度对结构造成的损伤。
1.2 强化桩基础设计
桩基是公路桥梁最为重要的组成部分之一，它的设计是否合理，不但影响施工质量，而且还与结构安全性密切相关。因此，为提高桥梁的整体安全性，必须对桩基础的设计予以强化。具体设计时，应当对所有的环节进行综合考虑，遵循统筹兼顾的原则，保证桩基础设计的安全性和稳定性。由于公路桥梁上部结构的自重较大，致使桩基需要承受自重荷载，为避免出现局部沉降的问题，在桩基设计的过程中，要对桥梁所在地的地质情况进行分析，根据地质分析结果对单桩承载力进行确定，保证桩基的承载力足够。此外，应对桩基础进行静载荷试验，看是否与相关规范及设计要求相符[2]。
1.3 结构抗震设计
在桥梁设计中，抗震是安全性设计的重要内容之一，尤其是汶川大地震发生后，国家对公路桥梁的抗震问题给予了高度重视，现行的规范标准也明确规定：公路桥梁应当达到大震不倒、小震不坏的要求。在具体的桥梁设计中，要使桥梁结构具有良好的整体性，这样可以有效防止地震时，个别构件在地震作用下掉落。若是桥梁建在地震高发的区域，除了要在设计时，采用深基础之外，还要保证桩基埋设到稳定的土层当中。若是跨径较大的桥梁，则应将消能减震设施设置在纵梁之间，确保其具有足够的强度，满足位移的要求[3]。
2 公路桥梁耐久性设计
耐久性是公路桥梁重要的技术指标之一，与桥梁结构的使用年限密切相关。为此，在桥梁设计过程中必须保证耐久性。具体的设计方法与要点如下：
2.1 明确设计内容与注意事项
2.1.1 设计内容
公路桥梁是以钢筋混凝土作为主要材料，它的耐久性可以转化为混凝土结构的耐久性，具体的设计内容如下：
（1）对桥梁混凝土结构的设计使用年限、结构作用等级以及环境类别进行合理确定，并选取能够最大限度减轻环境对桥梁混凝土结构作用的类型和布置方式[4]。
（2）对桥梁整体结构中的钢筋和混凝土的耐久性要求进行确定，据此对混凝土保护层厚度进行设计。由于混凝土裂缝对结构的破坏性比较大，所以在桥梁耐久性设计时，要对裂缝的控制目标加以明确。
（3）水对桥梁混凝土结构具有一定的影响，在设计时要提出合理可行的防排水措施，从而最大限度地减轻水患对结构耐久性的影响。如果桥梁建在比较恶劣的环境当中，且环境中存在腐蚀性气体，应当在设计时，采取防腐蚀措施[5]。
2.1.2 注意事项
在对桥梁混凝土结构的耐久性进行设计的过程中，应当重点注意以下事项：
（1）耐久性设计前，要对桥梁工程所在地的地方标准进行明确，并对混凝土结构设计的使用年限加以确定。同时，要选择耐久性高的原材料，并根据桥梁的耐久性等级，对混凝土、水灰比以及水泥用量等进行合理确定。
（2）桥梁构造设计中，要对最小钢筋的直径进行确定，并保证施工阶段模板的支设质量。如果工程中采用的是商品混凝土，则应在施工前对混凝土的工作性能进行检测，并对外加剂的使用进行严格控制[6]。
2.2 耐久性极限设计
极限是一种状态，主要是针对混凝土结构而言，以极限为依托的桥梁设计方法，即极限设计法。可以用极限来描述混凝土构件的耐久性劣化过程，并通过相关数学模型的构建完成设计，具体的设计步骤如下：建立一个桥梁混凝土结构耐久性的极限方程，并将相关作用的特征值、分项系数带入到方程当中，然后通过验算的方法，得到耐久性设计值，以此作为依据对桥梁的混凝土结构进行设计，从而使结构达到耐久性要求[7]。
2.3 全寿命设计
在桥梁设计的使用寿命之内，保证混凝土结构不出现耐久性失效是最为基本的要求。然而，如果当桥梁达到设计的使用年限后，对钢筋混凝土结构进行整体性更换，不但耗时长，而且成本也比价大，与经济性原则不符。所以对于此类桥梁通常都是采用的维修加固的方法，来延长其使用寿命。当混凝土结构超过设计的使用年限之后，本身的耐久性存在失效的可能，除了会影响到桥梁的使用功能之外，还会导致结构的稳定性下降，这在一定程度上增大了维修加固的工程量。若是可以延长混凝土结构的耐久性寿命，则可使结构达到设计的使用寿命后，经过简单的维修重新投入使用。而桥梁混凝土结构的耐久寿命受诸多因素的影响，如环境因素、材料性能、使用频率等等，这些因素全部都是随机变量。当桥梁混凝土结构的使用寿命延长之后，需要根据现行规范标准的规定要求，对结构抗力进行设计，而为了延长混凝土结构的耐久寿命而增大的前期投入是否能够带来长远的效益，需要在结构的全寿命设计中予以充分考虑。
2.4 重点考虑性能衰退
在忽略其它影响因素的前提下，桥梁混凝土结构的使用年限与时间有关，随着时间的不断推移结构性能会持续衰退，具体如图1所示。
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图1 桥梁混凝土结构性能随时间衰退的过程
在图1当中，T1代表的是桥梁混凝土结构中，钢筋产生锈蚀的起始时间；T2代表的是钢筋从锈蚀到混凝土表面开裂，直至保护层裂缝达到一定宽度的时间；T3代表的是混凝土结构承载力失效的时间。从图1中可以看出，桥梁在服役期间，存在几个关键的时间节点，即T1、T2和T3。而与图1中t1、t2、t3相对应的状态均为桥梁混凝土结构的适用性极限，与t4相对应的则是桥梁结构的安全性极限。对桥梁耐久性极限进行确定是预测其使用寿命的主要方法之一，预测的依据包括钢筋出现锈蚀、保护层开裂、粘结失效、承载力达到下限等。
2.5 桥梁寿命预测
桥梁混凝土结构的使用寿命可以细分为以下三种情况：物理寿命、功能寿命、经济寿命，这三种寿命之间既有联系也有区别，在研究桥梁的结构耐久性时，主要是以物理寿命作为分析重点[8]。对物理寿命进行预测时，可以采用以下方法：经验法、类比法、试验法、模型法、概率法等等。通过物理寿命预测，能根据预测结果，为耐久性设计提供参考依据。
3 结论
综上所述，公路桥梁设计是一项较为复杂且系统的工作，在具体设计中，应当对安全性和耐久性予以充分考虑，并结合实际情况，确保设计出来的桥梁结构达到规范标准中给出的规定要求，从而延长桥梁结构的使用寿命。
参考文献
[1] 郭纪康. 某高速公路大桥桥梁中分带绿化填土对护栏安全性影响设计[J]. 广东建材,2020(2):47-49.
[2] 张稳. 山区公路桥梁抗震设计与抗震加固措施研究[J]. 工程技术研究,2020(2):32-34.
[3] 张淼. 基于结构化方法的公路桥梁设计策略探析[J]. 公路工程, 2019(10):143-145.
[4] 李贵峰. 基于新版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的桥梁抗倾覆设计分析[J]. 渤海大学学报(自然科学版),2019(9):89-91.
[5] 王少鹏,赵尚传,申林,武俊彦,王来永. 某高速公路改扩建中桥梁混凝土空心板耐久性评定实例分析[J]. 公路交通科技(应用技术版),2019(8):98-100.
[6] 柴乃杰,鲍学英. 基于改进相似权-未确知测度理论的公路桥梁耐久性评估[J]. 铁道科学与工程学报,2018(10):109-111.
[7] 穆柏林. 寒冷地区碳化与冻融对混凝土桥梁耐久性影响试验研究[D]. 河北建筑工程学院,2018.
[8] 孙艳云. 干寒地区混凝土梁桥病害机理分析及耐久性评估[D]. 兰州交通大学,2018.