公路桥梁安全性和耐久性设计研究

徐远贺

（江西赣北公路勘察设计院，江西九江 332000）

0 引言

公路桥梁的设计环节严重影响其耐久性与安全性。随着社会的迅速发展，公路桥梁的荷载量显著提升，公路桥梁结构破损时有发生，提高了安全事故的发生概率。优化设计方案是提升公路桥梁安全性与耐久性最有效的措施，能够大幅度延长公路桥梁的使用寿命，使公路桥梁具有较强的抗破损能力，避免在使用过程中出现问题。

1 转变设计理念

1.1 借鉴公路桥梁设计的成功经验

公路桥梁的安全性与耐久性在早期设计工作中并未受到重视，设计人员的设计理念较为陈旧，因此在公路桥梁设计时，应重视转变设计人员的设计理念，借鉴成功经验，创新设计方法。设计人员应了解国内外公路桥梁设计的成功案例，分析其设计方案中用于提升安全性与耐久性的设计细节，深入学习其先进的设计理念，并在公路桥梁设计工作中贯彻该理念，将安全性与耐久性作为设计工作的重点。发达国家公路桥梁建设项目发展时间早，研究安全性与耐久性设计时间长，已积累了较多的成功经验，吸取这些国家的成功经验有助于快速转变设计理念。发达国家的公路桥梁设计经验丰富，设计人员可研究其安全性与耐久性优势，借鉴其成功设计经验，优化设计方案。

1.2 明确设计规范

公路桥梁的设计规范是设计方案的最低标准，为保证设计人员的工作成果满足公路桥梁建设需求，在转变设计理念前应明确我国现行的设计规范。规范内容如下所述：第一，公路桥梁设计方案的使用寿命为100年，设计人员需按照公路桥梁的实际设计需要在一定范围内合理调整使用寿命。第二，公路桥梁设计方案的支座形式需依据公路桥梁的压力确定，压力在300t 以下尽量使用板式支座，压力在300～800t 之间优先考虑球型支座。第三，在设计方案中，公路桥梁搭板的厚度需高于250mm，长度应超过5m。第四，遵守公路桥梁的纵坡设计规范，桥上纵坡小于4%，桥头引道纵坡小于5%，保证公路桥梁纵坡与路线布设相互协调。第五，在公路桥梁设计中，应包含排水系统设计与防水层设计，减少水分对公路桥梁安全性与耐久性的影响。第六，在一级公路桥梁设计中，沥青混凝土铺装厚度应大于70mm，二级及二级以下公路桥梁铺装厚度大于50mm。

1.3 了解公路桥梁工程的现场情况

为提升公路桥梁设计方案的安全性与耐久性，设计人员应深入了解公路桥梁建设位置的实际情况，依据建设现场的环境转变设计理念，调整设计方案，提升公路桥梁设计方案的实际可行性，为公路桥梁建设提供具有较强安全性与耐久性的设计方案。

首先，设计人员应明确影响公路桥梁设计的外界因素，识别影响安全性与耐久性的外部条件，将解决外部隐患作为设计工作开展的基础。

其次，与公路桥梁项目管理人员保持紧密联系，掌握公路桥梁项目需具备的功能与质量，形成书面材料用于设计工作开展，制定公路桥梁设计工作的目标。

最后，借助现代化先进设备对公路桥梁建设现场进行勘测，详细记录现场情况勘测结果，综合考虑工程项目的建设需求与外部环境，确定公路桥梁的设计方向，为安全性与耐久性设计工作开展提供参考资料。

2 增加保护层厚度

2.1 明确保护层厚度的规定

设计人员在设计保护层厚度时，应重视研究公路桥梁保护层的厚度规定，明确公路桥梁不同结构的最小保护层厚度，以此为基础合理增加保护层的厚度，提升公路桥梁的安全性与耐久性，使用年限为100年的公路桥梁保护层设计最小厚度规范见表1，使用年限在50年以下的公路桥梁保护层最小厚度为表1 中数据的0.7 倍。在增加公路桥梁保护层厚度时，设计人员还应注意保护层材料强度对保护层厚度的影响，当所用保护层材料强度小于C25，应在规定基础上增加5mm，强度等级C25 代表材料抗压强度在25～30MPa 之间。除此之外，在设计公路桥梁保护层厚度时可增设基础垫层，增设垫层后，保护层厚度从垫层上表面开始计算，一般厚度不应小于40mm。公路桥梁保护层最小厚度与保护层材料强度关系紧密，设计人员在确定保护层厚度时，需结合材料性能合理调整保护层的厚度范围。

表1 保护层最小厚度

2.2 制定保护层的控制措施

为使设计方案中保护层厚度在实际施工中不受影响，设计人员需制定控制保护层厚度的措施，充分发挥保护层设计方案在提升公路桥梁安全性与耐久性设计中的作用。保护层厚度控制措施如下所述：第一，按照公路桥梁质量验收标准设置合理的厚度偏差范围，保护层厚度允许偏差范围为5mm 之内。第二，按照公路桥梁保护层设计需求，加强施工人员培训力度，提升施工位置的准确性，有效控制公路桥梁保护层的厚度在合理范围内。第三，在设计方案时，规范施工所用设备，保证设备的性能符合公路桥梁施工的精度要求，使公路桥梁的保护层厚度与设计方案相符，充分发挥自身的保护作用，体现公路桥梁设计的安全性与耐久性原则。第四，规范保护层材料振捣的技术要点，振捣棒的落点位置需控制在距离钢筋10～15cm 位置范围内。

3 注重材料的选择

3.1 确定材料目标

材料的选择直接影响设计的结果，为保证公路桥梁设计方案的安全性与耐久性，设计人员需按照工程要求合理选择施工材料。第一，混凝土的选择。混凝土是公路桥梁施工的主要材料，设计人员在开展设计工作时，应对混凝土的性能进行规范，根据工程的建设需要确定混凝土的强度等级、水灰比等指标，避免混凝土性能不达标影响设计方案的实际应用效果。第二，钢筋的选择。设计人员应确定公路桥梁项目对钢筋的强度需求，合理选择性能与尺寸合适的钢筋，避免设计方案在实际执行过程中出现问题，影响公路桥梁的安全性与耐久性。

3.2 混凝土性能选择

混凝土材料的选择是设计过程中材料选择工作的重点，所选混凝土的性能直接决定设计方案的可行性。在选择混凝土时需遵循以下原则：

第一，计算公路桥梁项目对混凝土强度的需求，按照下述公式计算混凝土所需抗压强度：

式（1）中：k 为公路桥梁需承受的破坏荷载力；s 为公路桥梁的受压面积；得出的抗压强度值应精确到0.1MPa。

第二，制定材料性能选择标准后，设计人员应要求施工人员按照设计方案制作样本，检验混凝土的真实抗压强度，及时发现混凝土材料性能标准存在的问题，快速调整设计方案，保证公路桥梁的安全性与耐久性。

第三，检验混凝土的抗碳化能力，混凝土碳化现象的化学反应式为：

设计人员应明确混凝土的成分含量与酸碱性，科学规定公路桥梁项目混凝土材料的稳定性。以混凝土为主要材料的公路桥梁占我国桥梁总数的90%以上，因此选择高质量的混凝土是设计人员的主要工作任务，设计人员务必按照设计要求制定材料选购标准，为完成高质量公路桥梁设计奠定基础，提升公路桥梁设计方案的安全性与耐久性。

4 重视公路桥梁疲劳计算

4.1 明确公路桥梁的外力荷载因素

识别公路桥梁的外力荷载因素是计算公路桥梁疲劳值的前提条件，而外力荷载量也是影响公路桥梁安全性与耐久性的首要因素。造成公路桥梁疲劳的主要原因有以下几种，设计人员需精确掌握并以此为基础完成公路桥梁设计工作。第一，公路桥梁设计方案的荷载量极限值小于公路桥梁实际荷载量，使设计的公路桥梁长期处于超载状态，设计方案不符合实际情况，影响公路桥梁设计的安全性与耐久性。第二，车辆是公路桥梁受到的主要外力，因此设计人员在计算公路桥梁疲劳值之前，应调查公路桥梁建设路段的车流量，保证公路桥梁设计方案的极限荷载量高于实际车流量的10%。第三，公路桥梁实际使用会对荷载能力造成不良影响，因此在设计公路桥梁荷载能力时应适当提高设置的数值，延长公路桥梁的使用寿命。

4.2 计算应力幅与应力范围

计算公路桥梁的应力幅与应力范围是优化设计质量的前提条件。设计人员应按照计算结果开展设计工作，提升公路桥梁的抗压强度，实现安全性与耐久性的设计目标。设计人员需按照下述公式计算公路桥梁的应力幅：

按照公式（4）能够计算得出公路桥梁应力平均值，确定公路桥梁所受压力的基本情况，而后按照公式（5）计算应力波动范围：

以此为基础确定公路桥梁抗压强度的极限值，使公路桥梁的设计方案可承载公路桥梁的实际外力，具有较强的安全性与耐久性。据调查显示，公路桥梁抗压强度的降低主要原因为部件的老化，由于金属部件导致公路桥梁抗压能力下滑的概率占90%以上。因此，设计人员在获取应力计算结果后，应按照实际设计需要强化公路桥梁金属结构设计，减缓部件老化与磨损的速度，有效增强公路桥梁的耐久性。

5 提升设计人员素养

5.1 加大培训力度

设计人员的素养对设计质量具有决定性作用，因此提升公路桥梁安全性与耐久性的同时应加大设计人员的培训力度，提升设计人员的业务能力。加大培训力度的方式如下所述：第一，邀请领域内优秀人士与专家召开讲座，组织公路桥梁设计人员学习设计相关内容，了解领域前沿设计思想和标准规范，提升自身的设计能力。第二，完善设计人员考核制度，建立与培训工作相匹配的考核方式与考核标准，对培训工作开展效果进行验收，及时发现培训工作中存在的问题，调整培训方式与培训内容，充分发挥培训对提升设计人员综合素质的作用。第三，将考核结果与设计人员薪资待遇相联系，引起设计人员对培训工作的重视，积极参与培训，不断提升自身设计水平，保证公路桥梁设计方案的安全性与耐久性。第四，设置专门负责培训检查的督导小组，保证培训制度的落实效果，打造高水平的公路桥梁设计人才队伍。

5.2 构建设计理论体系

设计人员所掌握设计理论体系结构影响公路桥梁设计工作的结果。随着公路桥梁设计理念的改革，相关部门应帮助设计人员建立全新的理论体系，使设计人员的设计水平满足公路桥梁的安全性与耐久性需求。首先，将安全性与耐久性作为公路桥梁设计的基础原则，使设计人员在设计过程中重视设计方案的安全性与耐久性，科学设置设计方案的各项参数，形成与公路桥梁建设需求相符合的工作模式。其次，将信息技术引入公路桥梁设计工作，借助信息技术的计算优势提升设计工作计算结果的准确性，保证公路桥梁设计方案的各项参数满足公路桥梁的实际运行需求，使公路桥梁的安全性与耐久性得到保证，可长期稳定运行并为安全出行创造基础条件。

5.3 完善人员管理制度

公路桥梁建设相关部门应建立完善的设计人员管理机制，创新设计人员的组织结构，清晰划分设计人员在公路桥梁设计工作中承担的责任。管理制度应包含以下内容：第一，规范设计工作的开展流程与开展目标，将公路桥梁的安全性与耐久性作为设计目标，强化公路桥梁设计工作的实用性。第二，结合设计理念改革后的工作需求调整设计人员的组织结构，建立适用于公路桥梁设计工作开展的管理层级，明确划分各个设计人员的工作职责。安全性与耐久性强的公路桥梁设计工作包含的工作内容多且设计难度大，增强人员管理力度至关重要，为保证设计成果的质量，精确划分设计人员的责任范围成为设计工作发展的必然结果，该管理制度下设计人员可针对性提升自身的工作能力，全面提高公路桥梁设计方案的质量。

6 结语

综上所述，设计人员在设计阶段可采用多种方式提升公路桥梁的安全性与耐久性，不断研究影响安全性与耐久性的因素，积极采取措施调整公路桥梁设计方案。在设计工作开展中，重视检查设计方案的质量，确保公路桥梁的设计成果满足建设标准，具有较强的安全性与耐久性，可用于公路桥梁建设，能够承受建设位置的实际荷载量。