国道302线公路桥梁设计分析

摘要:通过调查阿尔山地区既有公路的交通事故分布规律及桥梁结构存在的病害，总结了交通事故及桥梁病害主要类型，初步分析了桥梁病害的主要成因，并提出相应防范措施。指出积雪冰冻区桥梁病害主要是由于该地区特有的不良地质、盐蚀、冻融、气候所导致，选择合理的桥梁结构类型，适应项目区建设条件的高性能材料，精细全面的设计可大幅度降低桥梁病害的产生。

关键词:阿尔山;公路桥梁;积雪冰冻;病害国道

302线阿尔山段公路地处内蒙古东部大兴安岭中段，设计标准为一级公路，设计速度80km/h。项目区属典型高寒山区，年最高气温34.5℃，最低气温－47.4℃，最冷月平均气温－27.6℃，年平均气温－2℃。冬季漫长，全年冰冻期和霜期8～9个月，无霜期70～120天，年平均最大冻土深度达3.1m。恶劣的的自然条件给桥梁施工、运营、养护及结构耐久性带来极为不利的影响，本文主要就冰雪严寒地区桥梁结构的普遍病害及该公路桥梁设计中采取的对策措施进行总结分析，以期为后续类似项目提供相应经验。

1桥梁平纵面设计经搜集整理并分析

2005～2014年阿尔山地区公路交通事故，冬季交通事故占全部事故率的76%。排除超速、超载、人为等因素后，路线纵坡大于4%路段或平曲线半径小于250m路段交通事故占比41%，主要是由于冰面行驶时车辆制动失效、车辆爬坡能力丧失导致下滑或弯道侧滑引起。纵坡小于3%且平面半径较大路段交通事故下降巨大，占比仅8%，说明在积雪冰冻地区路线指标对安全运营影响较大。桥梁作为架空结构，在严寒气候下桥面温度较路基段落路面温度低，桥面更易形成积雪冰冻现象。路线平纵拟定时桥梁路段宜提高标准并加强交通安全设施设置，保证后期运营安全。国道302线阿尔山段公路采用分幅设计，桥梁路段上坡时最大纵坡按3%控制，下坡路段最大纵坡按4%控制，平面半径不低于规范规定的一般值，同时在桥梁路段加强交通安全标志、标线设置，以加强后期运营安全。

2上部结构选型

考虑到项目区年施工周期短，设计时尽量采用可大规模生产的预制结构，以便在霜期仍可进行架梁施工。常规的预制结构主要有空心板、T梁及箱梁。空心板梁以其施工便捷，造价经济在国内中小跨径桥梁使用较多，但由于空心板铰缝配筋较少，在重载交通下铰缝易开裂，严寒地区铰缝进水后引起透水、泛白、冻胀等情况发生，大大降低结构耐久性，严寒地区尽量避免使用预制空心板结构。本项目对20m跨径以下桥梁上部均采用钢筋混凝土现浇板，20m及以上采用预制箱梁，避免空心板梁在该项目的使用。

3混凝土桥梁常见病害及相应对策措施

3.1基础冻胀

阿尔山地区广泛分布季节性冻土，冻胀是该地区桥梁的一种主要病害，寒冷季节桥梁基础地下水向上集聚并冻结成冰即发生冻胀，使桥梁基础产生上拔力，造成桥梁基础不均匀沉降，严重时甚至影响桥梁结构安全。影响冻胀的主要因素有地基土种类、土体含水量及地下水源、冻结时间、地基土压实度等。易发生冻胀的土体主要有粉土、粘土、砂土、腐殖土等，其中尤以粉土、腐殖土为重，粘土、砂土次之。粉土主要是由于土体中毛细水上升快，水流聚集严重，且含水量较高时土体强度降低较快，导致冻胀程度高。腐殖土主要是由于土体中含有大量腐殖质和易溶盐加大了水流聚集，导致冻胀程度高。粘土中毛细水上升高度虽高，但上升速度慢，发生冻胀的程度不强。砂土孔隙率较大，毛细水上升高度小，发生冻胀程度小。土体含水量越高，越易发生冻胀。地下水的高度及补给也是影响冻胀程度的重要因素，地下水位较高且补给充足时，冻胀易发生，反之则不易发生。如内蒙、新疆等干旱地区，土体、温度都满足冻胀要求，但由于地下水位低，土体干燥，则不会发生冻胀病害。冻结时间越长，表层土体冻结后下部毛细水仍源源不断向上聚集，冻胀越大。地基土压实度与土体含水量也有直接关系，压实度低则含水量大，冻胀程度大。冻胀对桥梁基础的病害主要有基础不均匀沉降、墩台侧移、结构开裂等，大大降低桥梁使用功能及耐久性，严重时甚至发生塌桥风险，设计时应应引起高度重视。设计防治措施:(1)冻胀严重路段墩台尽量采用桩基础，若采用扩大基础或轻型基础，基础底务必埋置于最大冻深线下不低于50cm。(2)墩台系梁、承台等埋置于最大冻深线下不小于50cm，同时，墩台四周1米宽度内换填不易发生冻胀的土体。(3)对于基础冻胀上拔力大于上部恒载的中小跨径桥梁，当桩长较短时，应适当加大桩基长度，并在桩基外侧冻土深度内增设分离式套筒，避免切向冻胀力。(4)台后路基采用不易冻胀的土体进行填筑，避免冻胀产生桥台侧向变形。

3.2冻融环境对结构的破坏

当混凝土抗渗能力不足时，水进入混凝土毛细孔或裂缝内，温度降低时，毛细孔或裂缝水体结冰膨胀，对周边混凝土产生挤压，长期冻融现场易导致混凝土结构疏松进而失去强度或剥落，导致钢筋外露锈蚀，影响结构安全及耐久性。当水体或土体有腐蚀性时此类情况更加严重，设计时应予以重视。设计防治措施:(1)通过混凝土内添加引气剂增强混凝土密实性，减少孔隙率。(2)加强主筋保护层厚度及主筋配置，降低裂缝宽度。对于大体积混凝土如承台、桥台等结构外侧增设防裂钢筋网，避免混凝土干缩裂缝。(3)采用高标号混凝土，并添加必要的添加剂，提高混凝土抗冻、抗渗性能。(4)对于土体或水体有腐蚀的路段，查明腐蚀性质，并在混凝土内根据腐蚀性质增加对应的添加剂，保证混凝土耐久性。

3.3受盐蚀结构的防护

阿尔山地区年降雪期长，路面冰冻积雪严重，公路养护时为除雪需大量使用除冰盐，除冰盐中氯离子对桥梁护栏、桥面铺装、伸缩缝等损害严重。若桥面防水措施未施做好，氯离子对梁体也产生损害。伸缩缝破损时，盐水自伸缩缝下渗至盖梁及墩柱处，引起桥墩盖梁及墩柱的盐蚀，以上种种大大降低桥梁结构的正常使用功能及耐久性。桥梁设计时主要从提高混凝土性能、提高保护层厚度、结构选型、材料选用解决盐蚀病害。(1)提高混凝土保护层厚度及混凝土密实性、抗冻、抗渗性，明确混凝土中氯离子含量及碱含量，并在混凝土增加阻锈剂。(2)加强桥面防水设计，桥面整体化层采用防水混凝土并在表层增加防水层，采用柔性防水和刚性防水相结合的双保险方案，同时要求做好精细化施工并严格控制施工工序。(3)防撞护栏内侧盐水腐蚀严重部位，刷涂防腐涂层，兼顾防腐及警示功能，提高护栏美观性。(4)取消桥面盲沟设置，避免盐水进入梁体与防水混凝土之间。同时适当增加泄水管数量，避免桥面积水。泄水管采用高性能抗冻PVC管材，不宜采用铸铁管。(5)做好伸缩缝防水设计，防水带采用天然橡胶或合成橡胶，保证低温环境的拉伸性能，防治脆性破坏。同时，加强伸缩缝下桥梁下部结构的混凝土性能。

3.4桥梁支座

在低温环境下，板式橡胶支座的剪切模量、容许转角、剪切变形、橡胶与钢板的剥离强度、滑板支座的摩阻力均较正常环境下降较大，支座较易发生破坏，经调研阿尔山地区公路桥梁支座使用情况，支座破损率达18%，主要破损部位是四氟滑板支座及联长较长的次边墩固定支座。破坏机理主要是剪切破坏，支座变形达不到实际梁体变形要求，导致支座剪切破坏。常规的氯丁橡胶支座已经不适用于严寒地区，而天然橡胶支座与合成橡胶支座则能够较好的适应低温环境，严寒地区应选用此类橡胶支座，如三元乙丙橡胶支座等。同时，考虑到项目区年温差大，桥梁联长不宜过长，以减少支座的变形要求，且应适当提高橡胶支座高度，减小支座剪切刚度，提高支座变形能力。

4结语

积雪冰冻地区桥梁病害类型多样，除设计人员对此类地区建设条件认识不足导致的桥梁先天不足外，混凝土材料、防水材料、橡胶、沥青等筑路材料的性能也是影响桥梁耐久性的主要因素，如何利用项目区地材合理配比出适合项目区建设环境的高性能材料也是设计人员应重点关注的问题。桥梁安全、耐久的使用除设计因素外，施工质量及后期管养也是桥梁结构安全耐久的控制性因素，只有优良设计、精细施工、精心保养三者结合才可减少桥梁病害的产生。

参考文献:

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［4］赵士辉，韩晓波，韩继国，等．寒冷地区公路桥梁水泥混凝土病害调查与分析．吉林交通科技，2014(4):43－45．

［5］袁东野．寒区桥梁板式橡胶支座低温性能研究．东北林业大学硕士论文，2013．

作者：白浩 高卓 李怀明 单位：中交公路规划设计院有限公司 中国民航机场建设集团公司