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桥梁设计中的安全性及耐久性研究

2023-10-22甄国君

交通科技与管理 2023年19期
关键词:耐久性桥面构件

甄国君

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300381)

0 引言

桥梁是我国交通网络的重要组成部分。随着人们交通出行需求增加,城市高架桥、跨河跨海大桥等项目亦增多。在桥梁结构设计环节,安全性、耐久性关系到出行安全和便利,可降低交通事故的发生风险,是最基础、最重要的设计内容[1]。其中,安全性指的是正常使用环境中,在各种荷载作用下桥梁结构不会破坏损坏。耐久性指的是在设计寿命内,采用正常维护管理方案,桥梁结构能发挥出相关功能,且这个过程中不需要大修。以下结合实践,探讨了桥梁设计中的安全性及耐久性问题,供同业人员参考。

1 安全性及耐久性设计目标及重要意义

1.1 安全性设计目标

桥梁的安全性设计包括两方面内容:一是保证桥梁结构自身的使用安全,二是保证使用者的生命安全。综合考虑材料构件、疲劳极限、使用环境等因素,桥梁结构能承受设计荷载,才能满足安全性要求。依据《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG2120—2020),一级、二级、三级安全等级的桥梁,其结构重要性系数分别是1.1、1.0 和0.9[2]。安全性设计中,以规定的目标可靠指标为依据,见表1。

表1 桥梁结构的承载能力极限状态目标可靠指标

1.2 耐久性设计目标

在《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》(JTG/T 3310—2019)中,明确指出耐久性要求包括6 个方面:①合理设计桥梁结构型式,优化构造细节,以减轻外部环境作用和干扰;②桥梁结构的钢筋混凝土部位,其保护层厚度>最小设计值;③大体积混凝土浇筑期间,采取有效的防裂措施,减少水化热带来的不利影响;④注重防水、排水设计,能及时排除桥面积水,避免降水渗透结构内部;⑤采用后张法施加预应力,要采取科学的防护措施;⑥在作业空间设置上,既满足现场施工需求,又要考虑到后期检修维护的要求,预留出一定的操作空间。在公路桥梁工程中,公路的等级不同,桥梁的使用年限设计值也有差异,见表2。

表2 公路桥梁结构的设计使用年限 /年

1.3 安全性及耐久性设计的重要意义

(1)提升经济效益。做好桥梁的安全性及耐久性设计,不论是结构型式还是材料使用均符合要求,可以保证现场施工顺利进行,有助于缩短建设周期、避免资金浪费,并在运行阶段减少养护频率、降低维护费用,从而提升经济效益。

(2)提升社会效益。做好桥梁的安全性及耐久性设计,能提升社会效益,主要体现在以下方面:①能保证区域交通运输能力,让人们获得良好的交通出行体验;②能加快商品流通速度,促进周边第一、第二、第三产业发展;③能完善城市的基础设施体系,有助于招商引资。

2 桥梁结构的安全性设计要点

2.1 高架桥工程概况

某城市高架桥项目,采用双幅桥设计,其中左线桩号起点为ZK15+146.920,止点为ZK19+776.450,长度共计4 629.53 m;右线桩号起点为YK15+146.780,止点为YK19+785.680,长度共计4 638.90 m。单幅桥宽18.5 m,上部采用预应力混凝土工字梁,整体支架施工;下部采用U 形桥台、花瓶墩及群桩基础。以下重点介绍该桥梁工程的安全性设计方案。

2.2 结构设计

2.1.1 上部结构设计

经现场勘查,该高架桥项目的上部结构拟采用预应力混凝土工字梁、预应力混凝土箱梁、钢混组合梁三种方案。其中,预应力混凝土工字梁的优点是构件刚度大、施工难度小,结构的整体稳定性好;缺点是梁体的尺寸较大,需要配置高性能的吊装设备[3]。预应力混凝土箱梁的优点是单个梁体的稳定性强,尤其抗扭刚度大,具有较高的观赏价值;缺点是施工难度大,对预制作业的精度提出高要求,箱梁自重较大,对吊装机械的要求高。钢混组合梁的优点是自重轻,抗压和抗剪能力强,施工时的场地占用面积小;缺点是钢构件易腐蚀,会增加后期维护作业量及成本。综合比选后,上部结构最终选择预应力混凝土工字梁,见表3。

表3 桥梁上部结构设计方案对比

2.1.2 下部结构设计

该项目所在场地的抗震烈度为7°,遂采用8°设防标准。通过地质勘察,发现桩基的持力层是粉砂,黏性差,具有透水性,总体上地质条件较差,很容易发生不均匀沉降。为保证桥梁结构的安全性,综合现场地质水文条件,确定下部结构采用花瓶墩+群桩基础。其中,花瓶墩不仅强度高、抗冲击性强,而且线条流畅、造型精美,兼顾稳定性与美观性。群桩基础的特点是承台质量较大,桩身部分露在冲刷线以上,桩与土的相互作用明显,能进一步提高承载力。

2.2 材料设计

材料设计以混凝土为例,科学确定混凝土的配合比,才能保证混凝土构件的抗压、抗弯、抗劈裂强度,满足安全性设计要求。

(1)水泥。该项目选用水化热低、含碱量小的PO 42.5 水泥,且水泥中不掺杂石灰粉,严格控制水泥的细度,从而预防水化热带来的问题,避免构件早期开裂。经过计算,将混凝土中的碱含量控制在1.8 kg/m3以内。

(2)骨料。对骨料的要求是级配良好、密集坚硬,其中粗骨料的堆积密度>1 500 kg/m3,空隙率<40%,压碎值<10%,吸水率<2%,针片状颗粒占比<5%,最大粒径为25 mm[4]。细骨料控制好细度模数,累计筛余量0.16 mm 达到95%,0.653 mm 达到40%~70%,5 mm达到5%。

(3)粉煤灰。在混凝土材料中加入适量粉煤灰,能提高混凝土的安全性和耐久性。这是因为,粉煤灰作为矿物掺合料,能控制混凝土的水化热问题,降低内部空隙率,从而增强防护性能。该次工程中,粉煤灰等级为1级,烧失量<4%,需水量<95%,SO3含量<3%,7 d、28 d 混合砂浆活性指数分别>75%、>85%。

2.3 抗震设计

桥梁抗震设计能提高结构的抗震性能,避免或减轻地震作用带来的危害和影响。首先落实现场调查,收集工程地质、气候、水文条件,综合现有资料编制抗震设计方案。其次要计算桥梁的使用寿命,综合地震风险、安全事故风险、耐久性影响等因素,计算公式:

式中,L——桥梁使用寿命;L0——桥梁寿命建议使用数值;C——修正系数;C1——气候影响系数;C2——桥位小环境影响系数;C3——养护系数;C4——重要性系数;C5——更换难度系数。

2.4 加固设计

(1)桥面加固。桥面与通行车辆直接接触,随着车辆荷载增加,受到摩擦、振动因素的影响,容易造成桥面损坏,甚至引起内部结构损害。对桥面加固设计,一是设计标准防水层,如流水槽、排水系统,将桥面的降水及时有效排除,防止积水浸泡桥面结构。二是在桥面与路面交界处加固设计,解决裂缝、平整度不足等问题,避免发生桥头跳车事故,提高行车舒适度[5]。

(2)钢筋混凝土构件加固。针对局部钢筋混凝土强度不足的问题,需对此类构件加固处理,常用方法如下:①在原构件基础上增大截面,或对内部钢筋配置进行优化,从而增强结构的承载力和稳定性。该方法的缺点是对构件结构的改变明显,需要重新进行受力分析;②强度较低的混凝土、有质量缺陷的混凝土,将其剔除后重新浇筑,选用品种相同但强度等级更高的混凝土,增强混凝土结构的局部强度。该方法的缺点是工程量大,适用于改建扩建项目,不适用于新建项目;③针对受力不合理的部位,使用结构胶粘剂向内部灌注,形成整体受力体系。该方法的缺点是施工工艺复杂,加固效果无法准确预测;④在钢筋混凝土表面粘贴钢板或复合纤维材料,提高延展性和承载力,产生表面防护屏障。该方法不仅操作简单,而且不会影响构件的受力特征,能产生良好的加固效果。该项目中,最终选择粘贴复合纤维材料的方法,对局部钢筋混凝土构件进行加固。

3 桥梁结构的耐久性设计要点

3.1 跨海大桥工程概况

某跨海大桥工程,全长约4.5 km。该项目采用独塔斜拉桥结构,桥面最大宽度60 m,包括6 个车道、2 个超宽路肩车道、一个自行车道和行人道,设计使用寿命120 年。该桥梁采用钢混组合结构,桥墩、桥塔采用现浇+预制混凝土相结合的施工方法,主桥采用钢箱梁,所有桥墩墩帽采用预制钢结构。以下重点介绍该桥梁工程的耐久性设计方案。

3.2 耐久性设计面临的挑战

该桥梁在耐久性设计上,面临的挑战包括:

(1)环境恶劣。当地天气多变,降水量大,冬季气温最低为-25 ℃,易产生冻融循环现象,使用除冰盐对桥梁结构尤其是混凝土中的钢筋破坏性较大。

(2)工期紧张。该工程工期仅有48 个月,上下游通航时海面上不能搭建钢结构;且冬季结冰期接近3个月,会影响混凝土浇筑施工。

(3)使用寿命长。随着新技术、新设备、新材料的使用,该桥梁设计使用寿命为120 年,超过传统桥梁的50~80 年,这对耐久性设计提出高要求。

(4)养护成本低。该桥梁在设计之初就考虑到全寿命周期成本,为了降低后期养护成本,大量使用不锈钢钢材,将建成后30 年的养护成本包含在总预算中。

(5)环境保护严格。该桥梁建设除了满足经济、美观、功能等要求,还要考虑环境保护问题,采用预制拼装、驳船吊装等技术,将生态影响降至最低。

3.3 耐久性设计方法

为满足耐久性要求,该桥梁在设计中大量使用不锈钢钢筋,其中业主指定了三种型号的钢筋,分别是S32304 型、S32101 型和S30400 型。经过性能检测和成本核算,最终确定选用S32304 型双相不锈钢钢筋,全桥用量达到17 000 t,集中在桥面铺装层、引桥及伸缩缝周围、桥墩等部位。S32304 型钢筋的使用,能满足耐久性设计要求:

(1)耐蚀性强。相较于普通碳钢钢筋,S32304 型钢筋的耐蚀性更强。以耐点蚀当量(PREN)为准,普通碳钢钢筋的PREN 值为5,S32304 型钢筋的PREN 值达到27。进一步开展耐蚀性能试验,结果显示S32304 型钢筋的耐蚀性能是普通碳钢钢筋的65 倍[6]。

(2)耐高温、低温。S32304 型钢筋中的铬和镍比例较高,决定了其入编强度较高,在高温条件下依然能持续作业,在低温条件下不会发生脆性断裂,从而保证桥梁的运营安全,延长使用寿命。

(3)经济性好。一方面,S32304 型钢筋在制作中能节约镍、钼资源,因此材料成本降低,在工程建设中得到广泛应用。另一方面,该型号钢筋在后期基本不需要养护,桥梁混凝土结构中的阻锈剂不须过量添加、保护层厚度不须增大,因此养护成本降低。

(4)力学性能良好。相较于316 奥氏体、410 马氏体不锈钢钢筋,S32304 型钢筋的抗拉强度、屈服强度明显提高,兼具奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢的优点,更适合在混凝土结构工程中应用,见表4。

表4 不同类型不锈钢钢筋的力学性能对比

(5)可循环使用。S32304 型钢筋实现了100%回收利用,在节约资源的同时,施工期间无惧磕碰问题,满足绿色减碳的要求。

4 结语

综上所述,桥梁工程建设过程中,设计方案直接影响施工和运营环节,其中安全性与耐久性是两个设计要点。该文结合桥梁工程案例,分别介绍了安全性、耐久性设计方法,希望为实际设计作业提供新思路。在未来工作中,应积极转变设计理念,丰富专业知识,落实现场勘查,积极推行四新技术,以实现设计质量的提升。

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