甄國君

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司,天津 300381）

0 引言

橋梁是我國交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著人們交通出行需求增加，城市高架橋、跨河跨海大橋等項目亦增多。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，安全性、耐久性關(guān)系到出行安全和便利，可降低交通事故的發(fā)生風(fēng)險，是最基礎(chǔ)、最重要的設(shè)計內(nèi)容[1]。其中，安全性指的是正常使用環(huán)境中，在各種荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)不會破壞損壞。耐久性指的是在設(shè)計壽命內(nèi)，采用正常維護(hù)管理方案，橋梁結(jié)構(gòu)能發(fā)揮出相關(guān)功能，且這個過程中不需要大修。以下結(jié)合實踐，探討了橋梁設(shè)計中的安全性及耐久性問題，供同業(yè)人員參考。

1 安全性及耐久性設(shè)計目標(biāo)及重要意義

1.1 安全性設(shè)計目標(biāo)

橋梁的安全性設(shè)計包括兩方面內(nèi)容：一是保證橋梁結(jié)構(gòu)自身的使用安全，二是保證使用者的生命安全。綜合考慮材料構(gòu)件、疲勞極限、使用環(huán)境等因素，橋梁結(jié)構(gòu)能承受設(shè)計荷載，才能滿足安全性要求。依據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG2120—2020），一級、二級、三級安全等級的橋梁，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別是1.1、1.0 和0.9[2]。安全性設(shè)計中，以規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)為依據(jù)，見表1。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)目標(biāo)可靠指標(biāo)

1.2 耐久性設(shè)計目標(biāo)

在《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3310—2019）中，明確指出耐久性要求包括6 個方面：①合理設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)型式，優(yōu)化構(gòu)造細(xì)節(jié)，以減輕外部環(huán)境作用和干擾；②橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土部位，其保護(hù)層厚度＞最小設(shè)計值；③大體積混凝土澆筑期間，采取有效的防裂措施，減少水化熱帶來的不利影響；④注重防水、排水設(shè)計，能及時排除橋面積水，避免降水滲透結(jié)構(gòu)內(nèi)部；⑤采用后張法施加預(yù)應(yīng)力，要采取科學(xué)的防護(hù)措施；⑥在作業(yè)空間設(shè)置上，既滿足現(xiàn)場施工需求，又要考慮到后期檢修維護(hù)的要求，預(yù)留出一定的操作空間。在公路橋梁工程中，公路的等級不同，橋梁的使用年限設(shè)計值也有差異，見表2。

表2 公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限 /年

1.3 安全性及耐久性設(shè)計的重要意義

（1）提升經(jīng)濟(jì)效益。做好橋梁的安全性及耐久性設(shè)計，不論是結(jié)構(gòu)型式還是材料使用均符合要求，可以保證現(xiàn)場施工順利進(jìn)行，有助于縮短建設(shè)周期、避免資金浪費，并在運(yùn)行階段減少養(yǎng)護(hù)頻率、降低維護(hù)費用，從而提升經(jīng)濟(jì)效益。

（2）提升社會效益。做好橋梁的安全性及耐久性設(shè)計，能提升社會效益，主要體現(xiàn)在以下方面：①能保證區(qū)域交通運(yùn)輸能力，讓人們獲得良好的交通出行體驗；②能加快商品流通速度，促進(jìn)周邊第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展；③能完善城市的基礎(chǔ)設(shè)施體系，有助于招商引資。

2 橋梁結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計要點

2.1 高架橋工程概況

某城市高架橋項目，采用雙幅橋設(shè)計，其中左線樁號起點為ZK15+146.920，止點為ZK19+776.450，長度共計4 629.53 m；右線樁號起點為YK15+146.780，止點為YK19+785.680，長度共計4 638.90 m。單幅橋?qū)?8.5 m，上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁，整體支架施工；下部采用U 形橋臺、花瓶墩及群樁基礎(chǔ)。以下重點介紹該橋梁工程的安全性設(shè)計方案。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該高架橋項目的上部結(jié)構(gòu)擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁、預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、鋼混組合梁三種方案。其中，預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁的優(yōu)點是構(gòu)件剛度大、施工難度小，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性好；缺點是梁體的尺寸較大，需要配置高性能的吊裝設(shè)備[3]。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的優(yōu)點是單個梁體的穩(wěn)定性強(qiáng)，尤其抗扭剛度大，具有較高的觀賞價值；缺點是施工難度大，對預(yù)制作業(yè)的精度提出高要求，箱梁自重較大，對吊裝機(jī)械的要求高。鋼混組合梁的優(yōu)點是自重輕，抗壓和抗剪能力強(qiáng)，施工時的場地占用面積??；缺點是鋼構(gòu)件易腐蝕，會增加后期維護(hù)作業(yè)量及成本。綜合比選后，上部結(jié)構(gòu)最終選擇預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁，見表3。

表3 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比

2.1.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

該項目所在場地的抗震烈度為7°，遂采用8°設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。通過地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)樁基的持力層是粉砂，黏性差，具有透水性，總體上地質(zhì)條件較差，很容易發(fā)生不均勻沉降。為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，綜合現(xiàn)場地質(zhì)水文條件，確定下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩+群樁基礎(chǔ)。其中，花瓶墩不僅強(qiáng)度高、抗沖擊性強(qiáng)，而且線條流暢、造型精美，兼顧穩(wěn)定性與美觀性。群樁基礎(chǔ)的特點是承臺質(zhì)量較大，樁身部分露在沖刷線以上，樁與土的相互作用明顯，能進(jìn)一步提高承載力。

2.2 材料設(shè)計

材料設(shè)計以混凝土為例，科學(xué)確定混凝土的配合比，才能保證混凝土構(gòu)件的抗壓、抗彎、抗劈裂強(qiáng)度，滿足安全性設(shè)計要求。

（1）水泥。該項目選用水化熱低、含堿量小的PO 42.5 水泥，且水泥中不摻雜石灰粉，嚴(yán)格控制水泥的細(xì)度，從而預(yù)防水化熱帶來的問題，避免構(gòu)件早期開裂。經(jīng)過計算，將混凝土中的堿含量控制在1.8 kg/m3以內(nèi)。

（2）骨料。對骨料的要求是級配良好、密集堅硬，其中粗骨料的堆積密度＞1 500 kg/m3，空隙率＜40%，壓碎值＜10%，吸水率＜2%，針片狀顆粒占比＜5%，最大粒徑為25 mm[4]。細(xì)骨料控制好細(xì)度模數(shù)，累計篩余量0.16 mm 達(dá)到95%，0.653 mm 達(dá)到40%~70%，5 mm達(dá)到5%。

（3）粉煤灰。在混凝土材料中加入適量粉煤灰，能提高混凝土的安全性和耐久性。這是因為，粉煤灰作為礦物摻合料，能控制混凝土的水化熱問題，降低內(nèi)部空隙率，從而增強(qiáng)防護(hù)性能。該次工程中，粉煤灰等級為1級，燒失量＜4%，需水量＜95%，SO3含量＜3%，7 d、28 d 混合砂漿活性指數(shù)分別＞75%、＞85%。

2.3 抗震設(shè)計

橋梁抗震設(shè)計能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，避免或減輕地震作用帶來的危害和影響。首先落實現(xiàn)場調(diào)查，收集工程地質(zhì)、氣候、水文條件，綜合現(xiàn)有資料編制抗震設(shè)計方案。其次要計算橋梁的使用壽命，綜合地震風(fēng)險、安全事故風(fēng)險、耐久性影響等因素，計算公式：

式中，L——橋梁使用壽命；L0——橋梁壽命建議使用數(shù)值；C——修正系數(shù)；C1——氣候影響系數(shù)；C2——橋位小環(huán)境影響系數(shù)；C3——養(yǎng)護(hù)系數(shù)；C4——重要性系數(shù)；C5——更換難度系數(shù)。

2.4 加固設(shè)計

（1）橋面加固。橋面與通行車輛直接接觸，隨著車輛荷載增加，受到摩擦、振動因素的影響，容易造成橋面損壞，甚至引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)損害。對橋面加固設(shè)計，一是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)防水層，如流水槽、排水系統(tǒng)，將橋面的降水及時有效排除，防止積水浸泡橋面結(jié)構(gòu)。二是在橋面與路面交界處加固設(shè)計，解決裂縫、平整度不足等問題，避免發(fā)生橋頭跳車事故，提高行車舒適度[5]。

（2）鋼筋混凝土構(gòu)件加固。針對局部鋼筋混凝土強(qiáng)度不足的問題，需對此類構(gòu)件加固處理，常用方法如下：①在原構(gòu)件基礎(chǔ)上增大截面，或?qū)?nèi)部鋼筋配置進(jìn)行優(yōu)化，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。該方法的缺點是對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的改變明顯，需要重新進(jìn)行受力分析；②強(qiáng)度較低的混凝土、有質(zhì)量缺陷的混凝土，將其剔除后重新澆筑，選用品種相同但強(qiáng)度等級更高的混凝土，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度。該方法的缺點是工程量大，適用于改建擴(kuò)建項目，不適用于新建項目；③針對受力不合理的部位，使用結(jié)構(gòu)膠粘劑向內(nèi)部灌注，形成整體受力體系。該方法的缺點是施工工藝復(fù)雜，加固效果無法準(zhǔn)確預(yù)測；④在鋼筋混凝土表面粘貼鋼板或復(fù)合纖維材料，提高延展性和承載力，產(chǎn)生表面防護(hù)屏障。該方法不僅操作簡單，而且不會影響構(gòu)件的受力特征，能產(chǎn)生良好的加固效果。該項目中，最終選擇粘貼復(fù)合纖維材料的方法，對局部鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固。

3 橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計要點

3.1 跨海大橋工程概況

某跨海大橋工程，全長約4.5 km。該項目采用獨塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，橋面最大寬度60 m，包括6 個車道、2 個超寬路肩車道、一個自行車道和行人道，設(shè)計使用壽命120 年。該橋梁采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，橋墩、橋塔采用現(xiàn)澆+預(yù)制混凝土相結(jié)合的施工方法，主橋采用鋼箱梁，所有橋墩墩帽采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)。以下重點介紹該橋梁工程的耐久性設(shè)計方案。

3.2 耐久性設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

該橋梁在耐久性設(shè)計上，面臨的挑戰(zhàn)包括：

（1）環(huán)境惡劣。當(dāng)?shù)靥鞖舛嘧?，降水量大，冬季氣溫最低?25 ℃，易產(chǎn)生凍融循環(huán)現(xiàn)象，使用除冰鹽對橋梁結(jié)構(gòu)尤其是混凝土中的鋼筋破壞性較大。

（2）工期緊張。該工程工期僅有48 個月，上下游通航時海面上不能搭建鋼結(jié)構(gòu)；且冬季結(jié)冰期接近3個月，會影響混凝土澆筑施工。

（3）使用壽命長。隨著新技術(shù)、新設(shè)備、新材料的使用，該橋梁設(shè)計使用壽命為120 年，超過傳統(tǒng)橋梁的50~80 年，這對耐久性設(shè)計提出高要求。

（4）養(yǎng)護(hù)成本低。該橋梁在設(shè)計之初就考慮到全壽命周期成本，為了降低后期養(yǎng)護(hù)成本，大量使用不銹鋼鋼材，將建成后30 年的養(yǎng)護(hù)成本包含在總預(yù)算中。

（5）環(huán)境保護(hù)嚴(yán)格。該橋梁建設(shè)除了滿足經(jīng)濟(jì)、美觀、功能等要求，還要考慮環(huán)境保護(hù)問題，采用預(yù)制拼裝、駁船吊裝等技術(shù)，將生態(tài)影響降至最低。

3.3 耐久性設(shè)計方法

為滿足耐久性要求，該橋梁在設(shè)計中大量使用不銹鋼鋼筋，其中業(yè)主指定了三種型號的鋼筋，分別是S32304 型、S32101 型和S30400 型。經(jīng)過性能檢測和成本核算，最終確定選用S32304 型雙相不銹鋼鋼筋，全橋用量達(dá)到17 000 t，集中在橋面鋪裝層、引橋及伸縮縫周圍、橋墩等部位。S32304 型鋼筋的使用，能滿足耐久性設(shè)計要求：

（1）耐蝕性強(qiáng)。相較于普通碳鋼鋼筋，S32304 型鋼筋的耐蝕性更強(qiáng)。以耐點蝕當(dāng)量（PREN）為準(zhǔn)，普通碳鋼鋼筋的PREN 值為5，S32304 型鋼筋的PREN 值達(dá)到27。進(jìn)一步開展耐蝕性能試驗，結(jié)果顯示S32304 型鋼筋的耐蝕性能是普通碳鋼鋼筋的65 倍[6]。

（2）耐高溫、低溫。S32304 型鋼筋中的鉻和鎳比例較高，決定了其入編強(qiáng)度較高，在高溫條件下依然能持續(xù)作業(yè)，在低溫條件下不會發(fā)生脆性斷裂，從而保證橋梁的運(yùn)營安全，延長使用壽命。

（3）經(jīng)濟(jì)性好。一方面，S32304 型鋼筋在制作中能節(jié)約鎳、鉬資源，因此材料成本降低，在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。另一方面，該型號鋼筋在后期基本不需要養(yǎng)護(hù)，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中的阻銹劑不須過量添加、保護(hù)層厚度不須增大，因此養(yǎng)護(hù)成本降低。

（4）力學(xué)性能良好。相較于316 奧氏體、410 馬氏體不銹鋼鋼筋，S32304 型鋼筋的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度明顯提高，兼具奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，更適合在混凝土結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用，見表4。

表4 不同類型不銹鋼鋼筋的力學(xué)性能對比

（5）可循環(huán)使用。S32304 型鋼筋實現(xiàn)了100%回收利用，在節(jié)約資源的同時，施工期間無懼磕碰問題，滿足綠色減碳的要求。

4 結(jié)語

綜上所述，橋梁工程建設(shè)過程中，設(shè)計方案直接影響施工和運(yùn)營環(huán)節(jié)，其中安全性與耐久性是兩個設(shè)計要點。該文結(jié)合橋梁工程案例，分別介紹了安全性、耐久性設(shè)計方法，希望為實際設(shè)計作業(yè)提供新思路。在未來工作中，應(yīng)積極轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，豐富專業(yè)知識，落實現(xiàn)場勘查，積極推行四新技術(shù)，以實現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量的提升。