【摘要】市政橋梁是城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，在城市交通建設(shè)中占比較大，關(guān)系著城市經(jīng)濟發(fā)展和文化建設(shè)。市政橋梁運營后往往受諸多因素影響，比如環(huán)境侵蝕、車輛超載等，導(dǎo)致橋梁自身材料逐漸劣化，使橋梁壽命縮短，市政橋梁面臨著安全性與耐久性問題。本文就市政橋梁的設(shè)計特點進行闡述，分析市政橋梁設(shè)計中安全性與耐久性不足的原因，并從設(shè)計者角度提出可行的應(yīng)對策略，確保市政橋梁工程建設(shè)的安全性與可靠性。

【關(guān)鍵詞】市政橋梁設(shè)計;安全性;耐久性

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.02.015

引言：

市政橋梁工程建設(shè)，對于推動城市發(fā)展、促進社會穩(wěn)定具有重要作用?，F(xiàn)今市政橋梁工程的建設(shè)水平呈上升趨勢，但在設(shè)計方面仍存在一些問題，即對橋梁的耐久性設(shè)計研究不足，從而間接導(dǎo)致橋梁使用壽命縮短，嚴重的甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、橋梁跨塌等安全事故。2018年《公路鋼筋混凝及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》修訂后，將耐久性設(shè)計內(nèi)容單獨列出，突出耐久性設(shè)計重要性。由此可見，提升市政橋梁安全性與耐久性硬性要求，設(shè)計中必須得到重視，使橋梁在設(shè)計期內(nèi)較好完成其功能，避免造成不必要的損失或事故。

1、市政橋梁的設(shè)計特點

1.1設(shè)計規(guī)范存在差異性

市政橋梁與公路橋梁規(guī)范相近又存在差別?，F(xiàn)行《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》以《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》為參照而編制，強調(diào)城市交通環(huán)境的獨特性，例如，在城市中車輛密度高且通行緩慢，高峰期交通擁堵幾率大，人群荷載密度大，人行道及市政管線鋪設(shè)等，這些差異體現(xiàn)在規(guī)范參數(shù)取值上。因此在市政橋梁設(shè)計中選取與城市交通環(huán)境實際相符合的參數(shù)值，是保證安全性和可靠性的重要關(guān)鍵點。

1.2設(shè)計高程影響因素眾多

市政橋梁高程控制存在一定復(fù)雜性，其高程受市政道路的設(shè)計時速、坡度、坡長等因素的影響比較顯著，對于有航要求或跨線的市政橋梁，同時還須考慮通航凈空、道路凈空、橋下游道凈空等因素，這就要求橋面高程與梁底高程二者共同控制，從而確定市政橋梁的整體高程。

1.3結(jié)構(gòu)選型影響因素廣泛

在市政橋梁設(shè)計中，結(jié)構(gòu)選型居于首要地位。市政橋梁設(shè)計既要考慮交通環(huán)境、施工工藝及技術(shù)經(jīng)濟指標，還需要結(jié)合周邊環(huán)境與建筑風(fēng)格，力求在外觀美學(xué)上與環(huán)境的和諧。以城市中小橋為例，一般多采用線條簡單輕巧的橋型，如預(yù)制板梁或小箱梁，二者梁高較矮能節(jié)省空間，而預(yù)制梁可快速安裝，減小施工對城市的交通阻礙?，F(xiàn)澆梁整體性好且跨越能力強，更適合城市立交橋和高架橋，同時具有良好的景觀性。對于跨河橋梁，結(jié)構(gòu)自身的景觀要求相對更高，通長采用造型圓潤古樸的拱橋、優(yōu)美大氣的斜拉橋，但二者經(jīng)濟成本高且施工難度較大。因此，市政橋梁選型需兼顧多重因素，做到實用性與美觀性的統(tǒng)一。

1.4排水系統(tǒng)設(shè)計的必要性

市政橋梁的排水系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，雨水不可隨意排泄。由于城市交通環(huán)境的特殊性，暴雨、洪澇及冰凍等自然環(huán)境因素對市政橋梁影響顯著，排水設(shè)計是否考慮充分，不僅直接關(guān)系到車輛交通、行人出行的安全與便利，而且影響著橋梁自身的使用壽命。對于跨線橋、高架橋，因橋梁總長較長，排水設(shè)計應(yīng)盡量利用橫、縱坡度，將雨水匯集至市政管網(wǎng)，對于跨越水系或溝渠的橋梁，雨水可通過泄水管收集后直接排放。通過合理的排水設(shè)計，消除橋梁在使用過程中的安全隱患，避免對周圍基礎(chǔ)設(shè)施和建筑結(jié)構(gòu)造成不良影響。

2、市政橋梁設(shè)計中安全性與耐久性不足的原因

從近年來發(fā)生的橋梁垮塌事故或者橋梁病害案例來看，在橋梁設(shè)計方面尚有一些亟待完善之處。市政橋梁工程建設(shè)中，往往重視結(jié)構(gòu)安全，忽視橋梁耐久性。安全性與耐久性問題的出現(xiàn)，主要有以下幾個方面原因。

2.1設(shè)計理論的局限性

結(jié)構(gòu)設(shè)計理論系建立在符合諸多基本假定的理想狀態(tài)下，但在實際應(yīng)用過程中會受到眾多復(fù)雜因素影響，包括自身因素與外界因素，以致結(jié)構(gòu)計算效應(yīng)值與理論值存在偏差，這種偏差是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一。耐久性是一個設(shè)計概念，一般通過設(shè)計規(guī)范中給出的具有安全儲備的經(jīng)驗值來保證結(jié)構(gòu)耐久性，但在不同環(huán)境、不同受力狀態(tài)下無法以組合系數(shù)、計算公式等形式予以量化，所以耐久性無法精確計算。這種由設(shè)計理論帶來的局限性是無法避免的，因此在設(shè)計時需要從材料、結(jié)構(gòu)體系等自身因素與運營環(huán)境、施工條件等外界因素出發(fā)，準確掌握各項影響參數(shù)，細化分析得到與實際相近的計算值以消除誤差，必要時在滿足規(guī)范要求且經(jīng)濟合理的前提取保守值。

2.2設(shè)計理念的偏差

設(shè)計人員普遍的主觀認知也對橋梁安全性與耐久性有著重要影響。在市政橋梁設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往著重于橋梁結(jié)構(gòu)強度剛度驗算，對結(jié)構(gòu)材料與細部構(gòu)造分析、耐久性與抗疲勞性設(shè)計、結(jié)構(gòu)維護與保養(yǎng)等方面予以忽視，如材料配比不佳、混凝土強度與抗?jié)B性不夠、保護層厚度偏小、鋼筋直徑或間距偏小等。認知與設(shè)計理念上的偏差是安全隱患的源頭，導(dǎo)致橋梁運營后因耐久性不夠，引發(fā)橋梁病害，最終影響結(jié)構(gòu)安全。因此結(jié)構(gòu)安全性與耐久性問題在設(shè)計中應(yīng)當充分重視，保證橋梁結(jié)構(gòu)計算安全性的同時，重點關(guān)注橋梁后期的耐久性問題。

2.3結(jié)構(gòu)選材的不嚴謹

在不少運營多年的市政橋梁中，尤其是跨水系橋梁，下部結(jié)構(gòu)被腐蝕現(xiàn)象嚴重，有害物質(zhì)如氯離子以水為載體破壞結(jié)構(gòu)防水，經(jīng)由碳化的混凝土保護層再進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使鋼筋銹蝕膨脹，加劇結(jié)構(gòu)開裂，形成惡性循環(huán)，從而降低橋梁整體質(zhì)量與耐久性。而材料自身的指標性能是影響結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)在因素，水泥品種及用量、混凝土配制質(zhì)量、防水層質(zhì)量及外加劑種類、參量等共同決定著混凝土結(jié)構(gòu)碳化與裂縫發(fā)展，因此在上承雨水下跨河流的市政橋梁設(shè)計中應(yīng)重視結(jié)構(gòu)材料的選取與質(zhì)量標準的把握。

2.4遠期交通量預(yù)測不足

近年來隨著城市經(jīng)濟發(fā)展，汽車數(shù)量快速增長，城市交通環(huán)境呈現(xiàn)車輛密集度高、車行緩慢、交通擁堵概率大的態(tài)勢，重載、超載現(xiàn)象時有發(fā)生，而運營多年的老舊橋梁在當初設(shè)計時，未能及時預(yù)測未來交通量，即設(shè)計標準不能滿足當前汽車荷載要求，超載或滿載、車輛沖擊力等均加大了橋梁的應(yīng)力幅度，若橋梁本身存在病害如細小裂縫，在擁堵交通狀況下，將繼續(xù)發(fā)展擴大，對結(jié)構(gòu)長期使用性能和耐久性產(chǎn)生極不利影響，這也是上世紀八九十年代建造的橋梁，于近幾年大批量維修加固的原因之一。

3、市政橋梁設(shè)計中安全性與耐久性的提升策略

3.1優(yōu)化橋型結(jié)構(gòu)

橋型選擇是市政橋梁設(shè)計的重點，總體上決定了結(jié)構(gòu)安全耐久性方向。選擇合理的橋型結(jié)構(gòu)，使各構(gòu)件應(yīng)力均勻，使材料的性能充分發(fā)揮。2018年《公路鋼筋混凝及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》修訂后，補充了相關(guān)規(guī)定，對結(jié)構(gòu)選型提出了要求，以有效保證橋涵結(jié)構(gòu)的安全耐久性。

以城市中小橋為例，受彎的橋跨結(jié)構(gòu)如簡支梁、連續(xù)梁等在荷載作用下應(yīng)力不均勻，梁橋材料強度不能充分發(fā)揮，跨越能力低，一般單跨不超過40米，若要加大結(jié)構(gòu)跨徑，需要通過優(yōu)化截面來調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，其中結(jié)構(gòu)振動、荷載的橫向分部是設(shè)計重點。受壓的橋跨結(jié)構(gòu)如拱橋，則應(yīng)力均勻，混凝土抗壓性能發(fā)揮較好，適用于跨徑不大且有橋下凈空要求中小橋，若需增大拱橋跨徑，寬跨比減小，則存在失穩(wěn)問題，其中合理拱軸線、基礎(chǔ)水平推力平衡是設(shè)計的重點。對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，盡量采用全預(yù)應(yīng)力或A類預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，保證不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者限制拉應(yīng)力，以防止裂縫出現(xiàn)，截面轉(zhuǎn)角節(jié)點處采用圓弧過渡，避免應(yīng)力集中。

橋型結(jié)構(gòu)不同，設(shè)計側(cè)重點也不一樣，尤其是如加強截面變化處配筋、加強泄水管或伸縮縫處防水設(shè)計、橋頭路基處理等，處理好振動、線形平順、橋頭跳車等細節(jié)問題，應(yīng)充分考慮，以完善細節(jié)設(shè)計來提高結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量及耐久性。

3.2轉(zhuǎn)變設(shè)計理念

橋梁耐久性不足導(dǎo)致后期維護成本高、安全隱患大的案例不在少數(shù)，實踐證明，橋梁耐久性設(shè)計與結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計同等重要。設(shè)計人員需要轉(zhuǎn)變“重結(jié)構(gòu)輕使用”的固定理念，統(tǒng)一考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計與耐久性設(shè)計，對營運期間橋梁性能有預(yù)見性認識，使結(jié)構(gòu)便于檢修與維護，降低橋梁建設(shè)綜合成本。

鑒于設(shè)計理論建立背景與實際工程環(huán)境存在差異，在橋梁設(shè)計時，因掌握影響結(jié)構(gòu)耐久性的主導(dǎo)因素，如雨雪冰凍氣候條件、地表水侵蝕性介質(zhì)含量及對下部結(jié)構(gòu)影響程度等，全面考慮影響耐久性的各項條件。

耐久性設(shè)計雖然是抽象的設(shè)計概念，但體現(xiàn)在橋梁設(shè)計的全過程中，只有對橋梁耐久性有了正確認識，才能將其貫徹在設(shè)計過程中，這便要求設(shè)計人員統(tǒng)籌考慮，把握細節(jié)。

3.3確定合理保護層厚度

混凝土保護層厚度，是體現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)抗拒外部環(huán)境侵蝕的重要指標，其取值對結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性有直接影響。保護層厚度取值小，則增加了截面有效高度，對提高承載力有利，但易碳化使鋼筋銹蝕;保護層厚度取值過大，則能減慢碳化速度，保護鋼筋免遭銹蝕，但降低了截面有效高度，對承載力有不利影響。因此，保護層厚應(yīng)合理取值，當結(jié)構(gòu)位于侵蝕性環(huán)境中時，保護層厚度取值可在規(guī)范給出的最小厚度基礎(chǔ)上適當增大10%-20%，這樣能延緩混凝土碳化過程時間與氯離子侵入至鋼筋時間，使結(jié)構(gòu)免于侵蝕時間則增加，有助于提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

此外，鑒于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因施工質(zhì)量因素存在偏差，導(dǎo)致保護層厚度不夠，設(shè)計時還應(yīng)考慮施工誤差對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。保護層厚度取值可在規(guī)范給出的最小厚度基礎(chǔ)上，增加一個1.1-1.2的誤差修正系數(shù)，對于重要構(gòu)件或處于侵蝕性環(huán)境的結(jié)構(gòu)取較大值1.2，一般構(gòu)件可取1.1，以此來消除施工誤差，保證結(jié)構(gòu)耐久性。

3.4合理選擇原材料

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期暴露在空氣中，受外界有害物質(zhì)腐蝕存在材料劣化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為混凝土碳化、鋼筋銹蝕、堿集料反應(yīng)以及凍融破壞等。而在城市環(huán)境中，高濃度二氧化碳、有害氣體排放、熱島效應(yīng)等人為因素加速了材料的劣化，因此在橋梁耐久性設(shè)計時，應(yīng)針對性分析，從抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、堿集料反應(yīng)等幾方面著手。

水泥品種，選用純硅酸鹽水泥與自選的礦物摻和料作為膠凝材料，減小水泥水化熱，降低混凝土構(gòu)件內(nèi)外溫差，從而減少溫度裂縫。配比時適當增加水泥用量，可改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實度，增加混凝土的堿性儲備，從而增強了抗碳化能力。在水泥用量不變的條件下，選擇合理的水灰比，減小水灰比可減小混凝土空隙率，增加密實度，提高了抗碳化能力。設(shè)計時應(yīng)嚴格控制水泥中含堿量、氯離子含量，尤其是下部結(jié)構(gòu)選用抗?jié)B性能好的水下抗?jié)B砼。實踐表明，混凝土中摻入適量粉煤灰可提高混凝土抗?jié)B性與耐久性。配比時適當合理的外加劑，能較好與混凝土結(jié)合，增加其牢固性，通長選用優(yōu)質(zhì)的加氣劑和緩凝劑，可加強混凝土質(zhì)量，降低碳化效率。骨料選用熱膨脹系數(shù)小、含泥量低、連續(xù)級配的骨料，可減結(jié)構(gòu)孔隙，增加混凝土密實度，從而增加抗碳化能力。

對于暴露于侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中的構(gòu)件，可采用高性能材料，如伸縮縫用鋼纖維混凝土澆筑固定，其預(yù)埋筋采用耐腐蝕鋼筋。在高腐蝕性環(huán)境如高氯離子濃度水中，可適當使用環(huán)氧涂層鋼絞線和鋼筋，研究表明，環(huán)氧涂層鋼筋配合高性能混凝土，結(jié)構(gòu)使用壽命可提高40%。

3.5加強防水層設(shè)計

橋面防水是橋梁耐久性的一個重要方面，對于延長橋梁壽命起到關(guān)鍵性的作用，橋面防水必須和橋面排水配合，做到防排結(jié)合。

橋面排水，主要利用橋梁橫縱坡度協(xié)助排水，在橫、縱坡符合規(guī)范要求前提下，可適當加大橋梁縱坡來提高橋面排水效率。與市政道路對接的橋梁，在確定道路縱坡時，應(yīng)統(tǒng)籌考慮橋梁縱坡，在橋梁設(shè)計范圍內(nèi)合理避開凹型曲線，以免橋面積水。

橋面防水設(shè)計中，將現(xiàn)澆水泥混凝土鋪裝層添加抗?jié)B劑形成剛性防水層，下設(shè)有良好的抗?jié)B、抗剪、抗拉的防水層，即柔性防水和剛性防水相結(jié)合。同時，橋面防水混凝土層鋼筋網(wǎng)應(yīng)設(shè)必要的抗裂、抗剪鋼筋，保證橋面鋪裝整體性，在墩頂負彎區(qū)的防水混凝土層是防水薄弱環(huán)節(jié)，該區(qū)域宜增設(shè)鋼筋網(wǎng)層，提高其抗裂性能，從而阻止裂縫產(chǎn)生。其次，在處理好排水管口、伸縮縫、防撞墻處防水細節(jié)，保證防水層的連續(xù)性也至關(guān)重要。

防水材料的選擇應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性、橋面鋪裝材料性能及施工特點來綜合考慮。例如圬工拱橋，拱上填料施工時的摩擦力或沖擊力，會對拱頂防水層產(chǎn)生不利影響，造成防水層穿破，因此圬工拱橋?qū)τ诜浪牧夏湍?、抗拉性能有更高要求，實踐經(jīng)驗表明，圬工拱橋采用SBS防水卷材的防水效果明顯好于傳統(tǒng)的油氈。

3.6重視疲勞損傷分析

橋梁在車輛荷載沖擊力和制動力等長期疲勞荷載作用下，主梁反復(fù)振動，橋面反復(fù)秏磨，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)與橋面鋪裝損耗，即產(chǎn)生疲勞損傷。疲勞損傷能提高混凝土的滲透性，如透水性、透氣性等，加速混凝土碳化及鋼筋銹蝕速度，從而大幅度降低橋梁混凝土耐久性。疲勞荷載和環(huán)境腐蝕的共同作用是加劇混凝土橋梁損傷與劣化的根本原因，有研究表明，疲勞荷載和環(huán)境共同作用下，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)壽命明顯低于單一疲勞作用下的壽命。因此，處于交通密集環(huán)境的城市橋梁，應(yīng)認識到疲勞性能設(shè)計的重要性，充分考慮疲勞荷載，進行疲勞驗算、橋面磨損驗算。

3.7做好交通量分析

區(qū)別于公路橋梁，城市橋梁有車輛密度與人群密度大特點，因此在結(jié)合規(guī)范設(shè)計時需考慮荷載的特殊性，如人行道鋪裝、管線鋪設(shè)、景觀裝飾荷載等。規(guī)范《城市橋梁設(shè)計規(guī)范2012版》對于車輛荷載及人群荷載的取值規(guī)定，高于《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》的取值，在規(guī)范《城市橋梁設(shè)計規(guī)范2019版》中，對車道荷載的集中荷載標準值下限進行了修訂，由180kN提高至270kN，表明新規(guī)范考慮了近年城市交通量變化對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)計規(guī)范證的修訂，證明了城市橋梁與公路橋梁的交通環(huán)境區(qū)別。

在城市交通環(huán)境中，應(yīng)該注意的是高峰期擁堵。研究表明，小型車輛與大客車形成的擁堵，實際車輛荷載效應(yīng)低于按橋梁規(guī)范設(shè)計值，即此類擁堵不會對橋梁的安全性與耐久性產(chǎn)生直接不利影響。但是，擁堵車輛中若含如渣土車、水泥攪拌車等重車，其產(chǎn)生的車輛荷載效應(yīng)可能超過橋梁規(guī)范設(shè)計值，致使橋梁的安全性與耐久性降低。此外，長期持續(xù)性的交通擁堵，對橋梁附屬構(gòu)件如伸縮縫、支座、橋面結(jié)構(gòu)層等產(chǎn)生累積性損傷，間接影響橋梁的耐久性能與使用壽命。

因此，對于城市橋梁設(shè)計，還應(yīng)結(jié)合城市交通規(guī)劃，預(yù)估遠期交通量，在合理經(jīng)濟指標允許范圍內(nèi)，適當加大結(jié)構(gòu)設(shè)計中的安全系數(shù)，也是提高橋梁安全性與耐久性的方式。

結(jié)束語：

市政橋梁占有城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較大比重，城市橋梁在設(shè)計基準期內(nèi)能否正常發(fā)揮其功能，不論從使用功能角度還是經(jīng)濟成本角度來看，都有著至關(guān)重要影響，而橋梁耐久性與使用功能密切相關(guān)。當前我國市政橋梁在安全性與耐久性設(shè)計方面仍存在較大提升空間，耐久性問亟待解決，為此，我們應(yīng)該借國內(nèi)外成功經(jīng)驗和案例，認識橋梁耐久性設(shè)計的重要性，從橋梁結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計理念轉(zhuǎn)變、工程環(huán)境分析、材料選用、結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計等方面入手，做深入研究、合理優(yōu)化，確保橋梁達到預(yù)期使用壽命。

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作者簡介：

張圃維（1988-），男，漢族，湖南常德，碩士研究生，工程師，主要從事道路與橋梁設(shè)計工作。