浅谈公路桥梁结构设计方法
前言
桥梁结构设计的任务就是以最经济的途径来满足结构的功能要求,使桥梁结构在施工和使用期内能承受各种预期的荷载作用。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、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。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设计上的缺陷。桥梁出现安全性和耐久性差的现象，既有施工方面的问题，同时在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。
一、满足结构混凝土耐久性的基本要求
近些年来,不少桥梁发生倒塌的严重事故,造成很多不该有的人间悲剧。通过调查分析结果表明,很多事故是因为设计不规范或施工不注意质量控制造成的。施工中的偷工减料、工程腐败,设计中的态度不严谨,计算错误等等都是造成桥梁出现安全隐患的重要因素。目前,桥梁设计的耐久性设计,常常只是作为一个参考价值,而不是具体计算出其应有的安全使用年限,更不会对桥梁的耐久性进行一系列的实验研究。这种现象在一定程度上导致了桥梁事故发生频繁、结构使用性能差、耐久性差的严重后果,也背离了国际上对桥梁的结构的耐久性、安全性、适用性日益重视的发展趋势。
提高混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前提和基础混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。《桥规JTGD62》明确规定了不同使用环境下，结构混凝土的基本要求，对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定，这是《桥规JTGD62))对公路桥涵结构耐久性设计的基本要求，设计时应遵照执行。
二、加大钢筋的混凝土保护层厚度
钢筋混凝土是钢筋与混凝土构成的一种复合型建筑材料,由钢筋外边缘到混凝土表面的最小距离称为保护层厚度。钢筋保护层的主要作用是满足混凝土构件截面受力需要,保护钢筋不被锈蚀,保证结构的正常使用。一般情况而言，只有保护层混凝土碳化，钢筋表层钝化膜破坏，钢筋才有可能锈蚀。钢筋混凝土保护层厚度对结构使用的寿命、使用的安全性有着直接关系。国家现行规范对钢筋混凝土受力钢筋保护层厚度又提高了一级，这更说明受力钢筋保护层对结构使用的耐久性、安全性、抗腐性、抗碳化、抗火灾等有重要作用。钢筋混凝土的碳化深度与使用时间成正比。受碳化影响的混凝土表面强度、密实度降低，使水蒸汽或其他有害气体容易侵入混凝土。当保护层完全碳化，水蒸汽或其他有害气体就直接侵蚀到钢筋，钢筋就会锈蚀，保护层越薄碳化所需时间表越短。钢筋表面锈蚀而产生膨胀力（其膨胀力在混凝土体积中一般要增加2～4倍），锈蚀形成向外胀力，拱裂混凝土保护层，使气体直接渗入，侵蚀受力钢筋，影响结构安全和使用寿命。因此，加大钢筋的混凝土保护层厚度，是保护钢筋免于锈蚀，提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一。鉴于此，《桥规JTGD62》给出了钢筋最小混凝土保护层厚度，但其与国际上较为通用的设计规范相比，还是有点差距。设计时适当加大钢筋的混凝土保护层厚度对提高混凝土结构耐久性是非常有益的。
三、加强构造配筋
混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表，反过来，裂缝的存在会增加混凝土渗透性，提供了使侵蚀破坏作用逐步 升级．混凝土耐久性不断下降的渠道。当混凝土开裂后，侵蚀速度将大大加快，形成导致混凝土结构耐久性的进一步退化的恶性循环。因此，防止和控制混凝土的裂缝，对提高混凝土结构的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂缝，除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外，更重要的是要采取构造措施，控制混凝土施工及使用过程大量出现的非工作裂缝。《桥规JTGD62》突出强调了加强水平防缩钢筋和箍筋在控制裂缝中的作用，提高了水平防收缩钢筋的配筋率和箍筋间距的规定，其指标都比老桥规有所提高，这是防止和控制收缩裂缝的重要构造措施。
四、提高后张法预应力钢筋管道压浆质量
后张法预应力钢筋管道压浆质量是影响预应力混凝土粱耐久性的关键因素之一。《桥规JTGD62》规定，预应力钢筋管道压浆用水泥浆的抗压强度不应低于30MPa，其水灰比为0.4～0.5，为减少收缩，还可通过试验掺入适量膨胀剂《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCESO1—2004认为，预应力钢筋的锈蚀会导致结构的突然破坏，事先不易发现，在耐久性设计中必须特别重视，并采用多重的防护手段。对此，对于可能遭受氯盐侵蚀的预应力混凝土结构，预应力筋、锚具、连接器等钢材组件应采用环氧涂层或涂锌，后张预应力体系的管道必须具有密封性能，不使用金属的螺旋管，宜采用有良好密封性能的高密度塑料波形管。同时，管道灌浆材料和灌浆方法要事先通过试验验证，尽可能降低浆体硬化后形成的气孔，并采用真空灌，必要时还可以在灌浆材料中掺入适量的阻锈剂。
五、在结构局部使用防腐材料
目前，我国大量地修建L=l6～25m的多跨现浇连续钢筋混凝土箱梁结构的桥梁，由于普通钢筋混凝土结构是一种必然地带裂缝工作的结构，因而在负弯矩区总会出现负弯矩裂缝，鉴于负弯矩区裂缝是一种向上开口的“v”。形裂缝，桥面水容易渗入，遭受长期浸蚀后，负弯矩钢筋的锈蚀问题是应予以重视的问题。近年来，由国外引进的环氧树脂涂层钢筋已在国内生产，应用于一般钢筋混凝土负弯矩区的钢筋中，这对保证结构的耐久性无疑是很好的事情。再如，英、美等国的调查均发现锚头区有钢丝锈蚀问题，甚至发生过桥梁倒塌事故，因而张拉结束后立用环氧树脂砂浆封堵锚头可有效防锈。
六、加强桥面铺装层的防水设计
桥面渗水的排除和防渗漏问题，都将涉及到桥梁的耐久性问题，应引起格外的重视。桥面铺装防水层对桥面的防护有重要作用，必需精心设计与施工。桥面铺装层应采用密实性较好的C30以上等级的混凝土，混凝土铺装层内应设置钢筋网，防止混凝土开裂。采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料(赛柏斯)，都能收到较好的防水效果。桥面铺装层顶面应设置防水层，特别是连续粱(或悬臂粱)的负弯矩段更应十分重视防水层设计。此外，还需加强泄水管设计，应特别注意泄水管周边的构造细节处，加强伸缩缝处的排水设计，防止水分从伸缩缝处渗入粱内。高速公路桥面铺装的早期破损以及板梁铰缝漏水现象，引起了人们对桥面防水层施工工艺、材料的关注。选择合适的防水层型式不仅能起到良好的防水效果，保证桥梁主体结构的安全，还能延长桥面铺装的使用寿命和降低造价。优良的桥面防水层应具有如下特性：
1、与桥面砼具有良好的粘结性，不起皮，不脱落。
2、与沥青混凝土桥面铺装能粘结成一个整体。
3、不透水、抗刺破，有一定的抗拉强度和延性适应变形。
4、对桥面砼表面质量无特殊要求，施工方便易行。
七、结束语
综上所述，安全性不足是桥梁结构设计迫切需要解决的问题。研究发现，引起混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构设计、施工及维修的各个环节。公路桥梁结构设计方法,其不仅考虑到设计参数中设计向量、目标函数和约束函数的随机性、模糊性和未确知性等,以及材料和施工质量的不确定性,使得设计人员在设计时利用桥梁结构的目标可靠度或失效概率,来描述更为科学和定量的安全可靠程度,实现安全、适用、耐久的设计要求;另外其还考虑到不同功能的失效概率和失效损失造成的失效损失期望、结构运行和维修费用等在内的经济指标,考虑如何以最低的造价实现最佳的经济效益,实现经济、合理和美观的设计要求。
