市政道橋設計中存在問題與改進措施研究

吳思凱

(湛江市規劃勘測設計院，廣東 湛江 524002)

0 引 言

當前在經濟技術與交通運輸技術快速發展的趨勢下，市政道橋的數量越來越多，種類越來越豐富，道橋建筑規模也日益增大。市政道橋的結構設計相對復雜，在質量與使用性能中存在一定不足[1]?；诖?，本文對市政道橋設計中存在的問題與不足進行了分析，并提出了相應的改進措施，為我國市政道橋的進一步發展做出貢獻。

1 市政道橋設計中存在的問題

市政道橋設計若是不夠完善，會嚴重降低道橋的使用性能，存在較大的安全隱患[2]。目前的市政道橋設計中存在設計理念過于落后、規劃布局缺乏清晰性與合理性、設計人員專業度較低等問題?；谠O計合理性分析，有些設計人員在方案比選中，過于重視建設成本，而對后期運維管理等長期成本的重視度較低，這就降低了道橋的使用壽命[4]；在設計過程中，缺乏對使用環境、使用條件的綜合考慮與創新，導致道橋整體美觀性較差，無法符合現代化城市發展的高要求[5]。此外，傳統的道橋設計方法對于使用極限狀態、結構的疲勞性能等方面研究較少，導致部分道橋未達到使用年限就出現了性能問題[6]。

道橋設計規劃布局缺乏清晰性與合理性，包括規劃選址不夠合理與規劃針對性不夠清晰，不符合所在城市總體規劃的要求[7]。部分道橋設計沒有以當地經濟發展與交通出行的需求為主，導致道橋與城市用地規劃布局形成的交通運輸網存在一定的偏差。在道橋設計階段，未能綜合考慮建設地區的地形、水文條件、景觀配置等，無法保證道橋設計與城市環境、面貌相符，降低了城市環境的整體美觀[8]。也有一些橋梁在深化設計中忽略了對道橋走向、斷面形式的調整，降低了規劃針對性的清晰性。

道橋建設行業蓬勃發展，對相關設計人員的需求不斷增大，然而，越來越多缺乏實踐經驗與專業技術的設計人員不斷涌入道橋建設行業，導致道橋建設的人才隊伍過于混亂，不利于道橋建設的發展。設計人員的專業知識與自身能力存在不足，在設計中通常只考慮道橋設計的基本安全要求，忽略了材料選擇、道橋結構耐久性設計以及后期運維等問題，造成道橋耐久性較差、建設成本高，甚至存在安全隱患。

在道橋模型計算中，傳統的道橋設計方法缺乏對實際運營中超載情況引發的結構疲勞損傷的計算，無法對道橋運行的交通量進行預測，導致設計結果與實際脫節情況的出現。部分道橋在瀝青面層設計中，瀝青鋪設的厚度設計與標準要求存在偏差，導致道橋后續使用階段，不能很好地吸收道橋板塊間釋放的應力，降低了道橋瀝青路面的使用性能與使用壽命。受到反復荷載的作用，道橋的彈性模量會大幅度降低，道橋彈性模量設計不足，導致道橋路面會形成一些破碎的網裂，嚴重情況下道橋穩定層會出現剝落現象。

在傳統的道橋設計中，部分設計人員未能綜合考慮道路橋梁銜接位置的結構物材料設計，導致道橋的剛度與縮脹度存在一定差異，在路基與橋臺之間出現沉降現象，存在較大的安全隱患。另一方面，市政道橋新舊路基拼接方面的設計也存在較大的缺陷，缺乏對舊路基土體固結、沉降速度、應力釋放的綜合考量，增加了應力釋放與應力分布，形成一系列的路面裂縫，對市政環境造成嚴重的影響。

2 改進措施

2.1 確定市政道橋實體屬性

市政道橋設計由多個路段構成，其設計、養護與管理的方式存在一定的不同。本文對市政道橋的層次結構進行了劃分，構建的道橋層次結構圖如圖1所示。

圖1 市政道橋層次結構圖

如圖1所示，本文針對道橋的結構進行了劃分，包括車行道、人行道、橋梁、隧道等結構。在設計中，主要以道路、路段、橋梁及具體的部件為單位進行實施?；谑姓罉虻慕Y構特點與后期運維需求，在明確道橋實體屬性時，應當根據道橋實體的三個層次進行提取，道橋的實體組成的第一層抽象層次為道路；第二層抽象層次為橋梁；第三層抽象層次包含的實體屬性較多，為隧道、廣場以及分隔帶綠島、道路綠化帶、出租車站牌、公交車站牌、變電箱裝置、廣告燈箱、廣告牌、道路宣傳欄、自動售貨亭、報紙雜志欄、人行道樹木、大型停車場等。

為了實現對道橋設計的改進，首先要明確市政道橋實體屬性與實體之間的關系，為道橋實體增加屬性字段。本文對市政道路實體的等級進行劃分，劃分為4個類別：快速路、支路、主干路與次干路。針對等級劃分結果，獲取道路的長度與等級之間存在的關聯，為后續道橋改進措施的設計提供保障。

通過市政道橋實體屬性可知，市政道橋是由多個路段共同組成的，道橋與路段之間的實體關系為一對多的關系，不屬于某個具體路段。因此，在道橋設計改進措施中，需要全方位地考慮道橋的實體屬性。

2.2 計算道橋結構基本特征

道橋結構基本特征是道橋設計的重要組成部分，能夠為后續道橋性能約束條件提供基礎的數據支撐。首先，分析道橋的主梁截面特性，根據主梁截面幾何特性計算結構內力作用效應組合。道橋結構基本特征如圖2所示。

圖2 道橋結構基本特征

本文依據編制力學原理，采用有限元的方式，進行道橋結構基本特征計算。道橋結構在不同設計階段中，截面的幾何特性不同，本文將其劃分為不同的結構階段，分別進行計算求解。市政道橋截面總面積計算公式：

An=∑Ai

(1)

道橋全截面重心至梁頂距離計算公式：

(2)

道橋分塊截面至重心軸慣性矩計算公式：

Ix=Ai(yn-yi)2

(3)

道橋截面慣性矩計算公式：

I=∑Ix+∑Ii

(4)

式中：An為道橋截面總面積；Ai為道橋結構中各個分塊面積；yi為道橋分塊截面重心至梁頂距離；Ix為道橋截面分塊慣性矩；Ii為道橋分塊截面自身分塊重心軸慣性矩。根據上述計算公式，獲取道橋截面的幾何特性參數，采用力學函數公式，將各個特性參數進行組合求解。

依據市政道橋設計規范，在道橋設計中，應當保障道橋結構的穩定性與牢固性，使結構受力公式滿足道橋抗剪承載力要求，避免結構存在安全風險。設定X與Y分別表示道橋設計中未知和已知的變量參數，結合道橋結構抗彎承載力的要求，得出道橋受彎構件受壓區高度限制與配筋限制表達式：

(5)

u2≤u4≤u3Y5

(6)

式中：Y1為道橋混凝土抗拉強度標準值；Y3為道橋主筋強度設計值；u1為道橋受彎構件配筋百分率；u2為道橋受壓區鋼筋重心上緣距離；u4為道橋受彎受壓區變形高度；u3為道橋截面混凝土的有效高度；Y5為道橋相對界限受壓區高度。道橋結構除了需要滿足抗彎承載力以外，還需要滿足抗剪截面限制條件，以控制道橋截面箍筋的配筋率，表達式為：

Y6(u5+Y8)≤u6

(7)

式中：Y6為道橋結構抗剪截面的安全性系數；Y8為車輛引起的支點剪力；u5為道橋箍筋的抗剪力；u6為道橋結構中第一段抗剪力箍筋配筋率。

基于上述計算公式與表達式，獲取市政道橋設計的結構基本特征以及安全性約束條件，在道橋設計改進措施中，應當在滿足結構特征的同時，還要符合道橋承載能力極限狀態以及抗彎與抗剪承載力的需求。

2.3 構建市政道橋耐久性模型

道橋耐久性是提高道橋使用時間與壽命的重要指標，也是反映道橋結構后期碳化深度與運維管理的主要形式。本文通過構建市政道橋耐久性模型，進一步對道橋設計進行優化改進。

首先，基于道橋設計的壽命，對混凝土橋梁的耐久性進行定量分析，設置模型的相關參數。結合橋梁T梁耐久性設計的計算方法，本文在耐久性模型中輸入以下參數作為耐久性的主要指標：道橋混凝土結構保護層厚度、道橋使用中的碳化深度、道橋混凝土表面的抗壓強度、道橋建設環境溫度與濕度。通過模型中輸入的性能指標，實時記錄道橋物理化學反應的變化過程，獲取道橋成分與化學性能的變化，進而掌握使用功能。相關研究表明，道橋混凝土碳化區的深度可達到鋼筋的表面，當鋼筋出現脫鈍現象時，表明此時為道橋耐久性的極限狀態，道橋耐久性的功能函數為：

s(t)=c-c0-c(t)

(8)

式中：s(t)為道橋T梁耐久性函數；c為模型中道橋保護層厚度；c0為模型中道橋碳化深度；c(t)為道橋受到應力時的碳化深度。通過函數表達式，獲取道橋耐久性保護層的相關數據，在此基礎上，基于大氣碳化環境的作用下，通過道橋結構受彎可靠度指標與受剪可靠度指標，取標定的基準值，獲取道橋可靠度統計參數，見表1。

表1 市政道橋耐久性可靠度統計參數

在道橋設計中，綜合考慮可靠度統計參數的變化，完成市政道橋耐久性改進措施。分析道橋耐久性失效的主要原因，判斷車輛荷載作用與道橋截面結構碳化作用時間之間的關系?；谛旭傑囕v的荷載作用，設計道橋后續的維護與管理方式，全方位提高我國道橋結構的穩定性。

綜上所述，本文在市政道橋設計改進措施中，在約束條件設計方面增加了道橋的耐久性設計，共同校正并修改道橋設計的不足。

3 對比分析

為了驗證本文設計的市政道橋改進措施的可行性，設計如下文所示的對比實驗。本次實驗以某地區項目建設橋梁為研究對象，該項目建設橋梁總長度為 752.03 m，橋面的整體凈寬為 2×15.35 m，橋梁整體寬度為 25.65 m，包括雙向 6 排車道，車道凈寬 2×12.35 m，邊支點及跨中梁高為 2.8 m，橋梁上部結構主要采用 25、30 m的裝配式預應力混凝土箱梁，箱梁頂板厚度為 0.35 m，下部結構為柱式墩，整體橋梁為連續橋面結構體系。首先，根據市政道橋設計的規范與要求，新建結構樣板項目，調整項目單位，采用毫米為單位建立橋梁 BIM 模型，獲取橋梁構件定位，以模型線的方式繪制橋梁中心線，如圖3所示。

圖3 橋梁中心線平面單位

如圖3所示，為本次實驗中，橋梁設計的中心線平面單位，以橋梁的起點和終點樁，作為BIM模型線的起始點。創建市政橋梁的箱梁族，并保存在族庫中，將道橋設計項目載入具體的箱梁族，并設置箱梁的具體參數，作為橋梁自動布置的起始參數。本次實驗的箱梁自動布置起始參數見表2。

表2 箱梁自動布置起始參數

完成上述實驗準備后，將本文設計的市政道橋改進措施應用到實驗中，結合傳統的道橋設計方法，對比兩種設計方法對橋梁改進處理后橋梁的應力值變化情況，對比結果見表3。

表3 橋梁應力值對比結果

根據表3可知，本文提出的市政道橋改進措，對橋梁改進處理后，上下緣最大應力值可達19.24，最小應力值可達13.97，與采取傳統方法的橋梁的應力值之間差異性較大，各項應力值均高于傳統方法改進的橋梁，因此證明了本文設計的改進措施能夠有效地提高道橋結構的應力值，保證結構的穩定性。

4 結束語

綜上所述，在我國交通運輸行業快速發展的趨勢下，道橋數量與種類越來越多，對道橋設計的標準與規范也在不斷提高。然而，現階段，我國部分市政道橋設計中仍然存在一定的質量與技術問題?；诖?，本文對當前市政道橋存在的問題與不足進行了全面的分析，并提出了相應的改進措施。本文的研究有效地提高了道橋結構的穩定性與安全性，改進了傳統道橋設計的不足，為我國市政交通的發展提供了一定的借鑒價值。