桥梁设计问题及解决方案

摘要： 桥梁是铁路、公路或城市道路的重要组成部分，特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义。因此，公路桥梁应根据所在公路的作用、性质和将来发展的需要，除应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求外，还应按照美观和有利环保的原则进行设计，并考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素。国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观，这些要求基本上含了人们关心的所有重要问题。

现在城市桥梁的设计过程按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。前者是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力、设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值，必须小于或等于结构抗力的设计值。利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备，是一个半概率的极限状态设计法。可以认为是对安全性要求的保证。后者控制结构在正常使用状态时应力、裂缝和变形小于一定的限值，对应于适用性的要求。

国内的结构设计过程中，有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计（从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性，并明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性）。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性（考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用）的要求。

桥梁安全性、耐久性差的主要原因 1）施工和管理水平低

国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。

而大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出现了影响正常使用的病害与劣化；特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题，这也与施工质量低下有重要关系，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题（主要原因包括：水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等）。

节段桥梁施工技术具有对环境交通影响小、对施工的地理位置要求低、施工工期短等优点，可基本实现无支架化施工，不影响现有交通，特别适合于对环境要求极高的城市桥梁的施工。

1 节段桥梁预制拼装法

首先，可以大幅度的缩短工期。与现浇箱梁相比，在进行下部结构施工的同时即可进行节段的预制。

其次，减小对环境的影响。节段拼装时占用的地面道路较少，施工过程中对地面交通与行人的干扰也较小，特别适合城市范围内的高架桥梁施工，除采取必要的安全措施外，可保持原有的交通运行，提高了文明施工程度。 再次，节段预制拼装工艺可保证桥梁的线型美观。由于预制时采用密贴镶合匹配浇筑法，而且整根梁的每个节段由同一套模板浇筑而成，保证了梁体的线型一致。 节段预制拼装工艺目前还存在一些局限性，减少这些局限因素应是今是改进和提高的目标。

设备一次性投入大。施工中涉及的主要设备包括预制模板、小平车、架桥机等，工厂化的预制模板包括能够自动脱模的内、侧模和自动找平的底模，这些都需要由专业的制造工厂进行设计、制造。 另外，通用性较差。在节段预制拼装施工中，模板系统和架桥机是一笔极大的投资，只有达到一定的工程量，才能达到一次摊销的目的。因为，每套模板是针对本次施工节段的长度和横断面，如果在以后的施工中运用该项工艺，就需对模板和架桥机进行重新改造。 其次，架桥机对纵坡、线性都有一定的限制条件，当桥梁的设计参数不满足要求时，将不能采用此项施工工艺。 2 节段桥梁悬拼拼装法

节段桥梁的施工方法很多，但就城市桥梁而言，悬臂拼装法是具竞争力的方案，即主梁在预制场地分段预制，留好预应力孔道，下部结构施工完成后，把梁段运到工地拼装，同时张拉所需的钢束。整个过程的结构体系为先是悬臂结构，合龙后形成连续体系。节段桥梁的分段长度可根据结构的受力要求及施工机具灵活划分。

设计方面，可采用高标号混凝土，预应力体系可多种多样，计算机的使用已使桥梁的结构分析及挠度控制十分简便。与满堂支架法相比，结构由简支到连续，存在结构体系转换问题，预应力及徐变引起的次内力已不容忽视。钢束既可布置在腹板内，也可布置在顶底板内，结构自重大大降低，跨越能力增强。

施工方面，可以节省大量的支架、型钢和模板，混凝土质量可以得到保证。对城市桥梁而言，不必用挂篮进行张拉钢束等作业，只需简单的移动支架即可。节段的预制可与下部构造同时进行，一方面大大加快了施工进度，另一方面可减少徐变带来的负面影响，充分发挥力筋的高强性能。节段的安装可充分利用机械化设备，安排在车流量较小的时段进行，对交通影响较小。

但是，节段式桥梁的技术要求较高，影响结构的因素较多，施工控制也很严格，对小跨度桥梁由于梁高较低，无工作面张拉连续力筋，不适宜采用节段桥梁。 不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外，还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。

1）应该更加重视结构的耐久性问题

桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域，国内从上世纪80年代以来，修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少，但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索，既影响了使用又增大了经济损失。 需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明，除了施工和材料方面的原因，影响结构耐久

性的决定性因素是来自构造上（也即设计上）的缺陷。 2）重视对疲劳损伤的研究

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。 由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。

疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲劳引起的钢材开裂案例较多，亦有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子。近20年来，疲劳损伤的研究已进入混凝土结构，但对于使用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能和疲劳性能的研究还需加强。 对疲劳损伤的研究不仅仅指对整个结构而言，事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效，例如斜拉桥拉索锚固端的疲劳损害。

3）充分重视桥梁的超载问题 汽车超载主要有三种情况：其一是早期修建的老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行的车流量超过原设计；另一种是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加；后者是车辆使用者违法超载营运，后两种超载现象在我国公路运输中较为普遍。

桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。例如，混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯距降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响，因此除了交管部门要加强管理外，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。

桥梁引道产生不均匀沉降,导致桥头产生跳车现象,在公路建设中是一个比较普遍的问题。对于高等级公路,桥头引道不均匀沉降量2cm以上就感觉到跳车,5cm以上就会感觉到严重跳车,此时会引起交通安全问题。也就是说,预防和治理桥梁引道不均匀沉降对高等级公路具有较高的要求,成为高等级公路建设的一个不可忽视的问题。 1 从思想上足够重视解决桥梁引道不均匀沉陷现象

在高等级公路的建设中,为了防止或减轻桥梁引道不均匀沉降量,避免桥头跳车现象,设计与施工必须从思想、技术和施工管理手段充分重视路基路面的设计和施工质量,认真做好路基沉降的预防工程,减少因设计和施工方面的原因而加重桥头跳车的现象。 2 设计必须考虑桥头路堤因工后沉降引发的纵坡变化值标准

桥台与路堤之间存在着不均匀沉陷,造成桥头路段纵坡变化,导致纵坡不顺畅及其构造物的附加变形,产生桥头跳车现象,必须制定相应对策和处治技术标准。交通部“七五”科技攻关项目“软基综合处理课题”指出,若由沉降引起的纵坡变化值不超过2‰,则驾驶员按120kmPh速度行驶时未感觉有桥头跳车现象。国外也有设计规范规定了由沉降引起的纵坡变化值不大于4‰的要求。纵坡变化值标准的高低直接涉及到软基处理费用,在设计中必须充分考虑技术和经济性,选择合适的技术标准。 3 加强桥台软基处治的研究

如果在桥台桩基成桩之前未对软土地基处理,则桥台桩基施工完成后,桩侧软弱土层受到桥头填土路堤竖向荷载的作用,使软弱土层的压缩下沉量大于桩的竖向位移值时,包括桩身压缩在桩底下沉位移,此时压缩土层将对桩产生向下的负摩擦力,从而增大桩所承受的轴向荷

载。与此同时,当土层中地下水位下降引起地面下沉以及土层的压缩下沉大于桩身的下沉速度时,也会对桩产生负摩擦力,增大桩所承受的轴向荷载。因此,必须认真对待桥台软土地基问题,加强研究其对路基路面工程的影响程度,寻找解决桥头跳车现象的软土地基处治方法。分析国内高速公路软土地基处治大多采用排水固结法,仍然存在软基路堤不均匀沉陷,桥头产生跳车现象,除软基路堤设计与施工细节欠妥之外,一个主要原因是未能保证充分的软基排水固结时间,往往在沉降尚未稳定的情况下就进行路面施工。因此,为了保证软基路段的施工质量,消除或减轻软基路堤不均匀沉降的现象,必须采取下述措施:

(1)尽可能地提前软土地基路段的施工时间,尤其是桥台地段的施工时间,争取更长的预压时间,以减少软基工后沉降量。

(2)根据软土的地质条件、土层性质和路堤填筑高度,一般路段采用袋装砂井或塑料排水板处理,采用不同的施打长度和施打密度,其间距在邻近桥头路段附近适当加密;在桥台处设置搅拌桩过渡段,并在搅拌桩过渡段末端与袋装砂井或塑料排水板加密区交接处设置土工织物砂垫层,以协调变形。

4 提高软基路堤的强度和稳定性,减少路堤和路面结构层的沉降

针对目前高等级公路软土地基处理较多采用排水固结法,结合桥梁引道存在不均匀沉降而引起桥头跳车现象,从提高软基路堤的强度和稳定性、减少软基路堤工后沉降的角度出发,设计阶段和施工过程必须解决好下述若干问题。

(1)在设计阶段,要尽可能考虑设置桥头搭板,在搭板与桥台连接处作构造处理,若有可能可将桥台处的伸缩缝移到桥墩上,使上部构造的桥面连续扩大到搭板内,减少桥台处的变形因素。同时,认真分析桥台地基土层情况,确定如何使桥台填土路堤更为密实的方法。邻接搭板的路堤一定长度内,路基采用水泥稳定碎石层处理,并设置一层钢筋网,使路基刚度逐渐过渡。设置桥涵构造物应允分考虑台背填方路基的地质情况、填方高度、路堤长度、填料来源及路堤沉降等问题,选择恰当的桥涵位置、跨径及桥台后部防护工程,尽量避免大河面小跨径桥涵。设计单位应严格执行现行的公路工程技术标准、规范和相关的规定要求;对桥头跳车的部位进行详细设计,提出施工指导意见;并且认真详细地进行设计交底。

(2)施工管理上的防治:施工单位要严格按设计文件、施工规范、合同条款及相关的技术标准进行组织施工;施工单位要根据产生桥头跳车的具体原因制定具体防治措施,在完善质量自检体系和质量自检程序的同时,要加强对施工原材料和施工工艺的控制,特别是要加强对产生桥头跳车部位的施工工序的检查,将产生桥头跳车的隐患消灭在工程施工过程中的每一个环节上。