水利工程中橋梁耐久性設(shè)計

段振東 虞凌超 倪宏偉

（1、杭州市蕭山區(qū)交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000 2、杭州蕭山城市建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 杭州 310000）

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，中國橋梁的數(shù)量已十分龐大。其中不少橋梁暴露出缺陷，更有一些橋梁在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計預(yù)期壽命時出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)倒塌等毀滅性事故，造成非常嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。橋梁的耐久性能不足，已引起社會各界的高度關(guān)注。耐久性的提高將是21世紀(jì)橋梁技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。2004年新頒布的橋梁規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》((JTGD62-2004)，在總則的1.0.7條增加了公路橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所處的環(huán)境條件進(jìn)行耐久性設(shè)計的內(nèi)容，確立了各類環(huán)境類別，并明確規(guī)定了結(jié)構(gòu)混凝土在最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土強(qiáng)度等級、最大氯離子含量和最大堿含量等方面的耐久性基本要求。在總則1.0.4條更增加了設(shè)計基準(zhǔn)期為100a的內(nèi)容。另外，2004年5月出版的中國土木工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南((CCES01-2004)，進(jìn)一步提出了混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的耐久性應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計年限、相應(yīng)的極限狀態(tài)、不同的環(huán)境類別及其作用等級進(jìn)行設(shè)計的概念，明確提出了環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工的基本原則與要求。

1 耐久性研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)耐久性研究大致可以分為兩個層次:①從材料機(jī)理上研究結(jié)構(gòu)的老化損傷過程及主要因素;②從結(jié)構(gòu)全局出發(fā)，以材料的耐久性研究為基礎(chǔ)，研究耐久性設(shè)計、評估、維修決策與優(yōu)化等一系列的應(yīng)用問題。材料的耐久性研究主要集中在大氣環(huán)境中混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕問題。在混凝土碳化深度計算模型、凍融循環(huán)作用下混凝土宏觀損傷模型均取得一些研究成果。在鋼筋銹蝕方面，研究主要集中在銹蝕鋼筋的力學(xué)性能、鋼筋銹蝕量的預(yù)測以及裂縫對鋼筋銹蝕的影響等方面。目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的絕大多數(shù)成果是在材料學(xué)科方面取得的，這些研究總體可歸結(jié)為兩個方面:①對建筑材料的耐久性退化機(jī)理進(jìn)行了大量研究;②對混凝土結(jié)構(gòu)性能蛻化后的耐久抗力進(jìn)行了一些研究。結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的研究主要是解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的耐久性計算問題，主要分為抗力與荷載變化的研究。研究的目的主要在于解決新建結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計、計算和已建結(jié)構(gòu)的耐久性評估問題。

總的來看，目前耐久性研究存在以下問題:

只能取得某一因素影響下單一材料的破壞過程，但實際結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中是多種因素共同作用的，多個因素的耦合作用不等同于單因素作用的簡單疊加;僅通過研究單一因素影響下某一材料的破壞過程來解決混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題是困難的。此外，實驗室研究只模擬了外界侵蝕對耐久性的影響，而沒有考慮結(jié)構(gòu)在實際工作中受力和運(yùn)營狀態(tài)的影響。因此，對快速試驗的結(jié)果能否反映結(jié)構(gòu)實際的退化過程還有疑問。

這些研究大多是從材料和統(tǒng)計分析的角度進(jìn)行的，但對如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度去改善橋梁耐久性卻很少有人研究。而大量的病害實例證明，除了施工和材料方面的原因，影響結(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素是來自構(gòu)造上和體系上的缺陷。

現(xiàn)有的混凝土耐久性研究成果與結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工控制以及結(jié)構(gòu)剩余壽命評估等明顯脫節(jié)，即材料層面的研究成果未能與結(jié)構(gòu)層面的研究相結(jié)合，對實踐中迫切需要解決的結(jié)構(gòu)耐久性問題缺乏有效地指導(dǎo)。

大量的研究主要針對房屋建筑結(jié)構(gòu)而專門對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行研究的較少，而橋梁結(jié)構(gòu)從運(yùn)營環(huán)境、承受荷載及結(jié)構(gòu)體系特性等方面都有其獨(dú)特之處，需要進(jìn)行專題研究?？傊F(xiàn)有的研究成果只能解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的局部問題，存在的不足就是需要進(jìn)行努力的方向。筆者將主要研究考慮材料耐久性研究成果的橋梁耐久性設(shè)計方法問題。

2 橋梁耐久性設(shè)計

以可靠性理論為基礎(chǔ)的全壽命管理，是指在結(jié)構(gòu)的壽命期間，全過程地跟蹤結(jié)構(gòu)上的荷載或其他作用(如溫度、支座沉降等)隨時間變化的情況，同時考慮材料性能參數(shù)也是以時間為變量的隨機(jī)函數(shù)，根據(jù)相關(guān)可靠性理論計算出結(jié)構(gòu)在各個階段的可靠度指標(biāo)，從而判斷出結(jié)構(gòu)是否安全、耐久。這個管理過程，對于橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量保證、效果費(fèi)用分析、科學(xué)管理提供了統(tǒng)一的準(zhǔn)則。

具體涉及到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的耐久性設(shè)計，可從以下幾個方面著手:正確認(rèn)識和掌握結(jié)構(gòu)本質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施對構(gòu)件耐久性的影響。優(yōu)先選用高性能鋼材 (HPS:High-PerformanceSteel)。高性能鋼材具有高屈服強(qiáng)度，高水平的斷裂韌性、焊接性能好、耐腐蝕。優(yōu)先選用高性能混凝土 (HPC:High-PerformanceConcrete)。耐磨的HPC可以使橋面有更好的耐久性;一般來說，HPC能減少結(jié)構(gòu)的尺寸，增加結(jié)構(gòu)的使用壽命和耐久性。對重要的水中下部結(jié)構(gòu)(如樁基、承臺、墩柱及帽梁)，建議用高性能混凝土取代普通混凝土，以滿足《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]157號)的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的要求。對耐久性要求較高的結(jié)構(gòu)物，選用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)上限值1.1。

對重要性結(jié)構(gòu)，如果業(yè)主對造價控制得不是很嚴(yán)，地面以上的混凝土構(gòu)件外表面建議作混凝土涂裝防護(hù)。混凝土表面防腐涂層執(zhí)行交通部JTJ275-2000標(biāo)準(zhǔn)。

在廣東地區(qū)，設(shè)計要滿足結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求，即按新橋規(guī)JTGD62-2004第二類環(huán)境(濱海環(huán)境)選用。

最小混凝土保護(hù)層厚度，按新橋規(guī)JTG D62-2004表9.1.1中第二類環(huán)境選用。例如:主梁和墩柱主筋40mm、箍筋25mm;樁基可用凈保護(hù)層50mm、或70mm。對深圳灣公路大橋，由于位處海洋環(huán)境中，可略加大混凝土保護(hù)層，甚至在構(gòu)件外包一層素混凝土，以防止構(gòu)件的腐蝕和破壞。

要考慮超載問題+考慮到過境的大型貨柜車比較多，橋梁設(shè)計荷載可以適當(dāng)放大，如1.5X公路-1級或2X汽-超20等。

配合比設(shè)計，不僅要考慮混凝土強(qiáng)度的要求，還要考慮混凝土的耐久性。

選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)斷面，配置適當(dāng)間距的鋼筋，可使混凝土粗、細(xì)骨料分布均勻，容易振搗，保證混凝土的密實度和強(qiáng)度+如地下水對混凝土有腐蝕性，應(yīng)對樁基混凝土采取以下措施:采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度不低于C42.5級;水泥含量不小于370Kg/m3，C3A 含量不大于8M;水灰比不大于0.45。

3 結(jié)束語

國內(nèi)外大量調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及維修的各個環(huán)節(jié)。雖然新頒布的《橋規(guī)JTGD62》已將橋涵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計納入其中，但影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素十分復(fù)雜，貫穿設(shè)計、施工、維修保養(yǎng)整個過程，需要在設(shè)計、施工、維修保養(yǎng)中多方面地考慮結(jié)構(gòu)耐久性問題。目前，正處在大規(guī)模建設(shè)橋梁之際，要充分認(rèn)識到混凝土結(jié)構(gòu)耐久性對實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、節(jié)約能源、資源和保護(hù)環(huán)境所帶來的積極和負(fù)面影響，深刻領(lǐng)會加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要意義。

[1]彭棟木，章友俊.新橋梁規(guī)范下的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計[J].市政技術(shù)，2006，24(5):282-285.

[2]吳海軍，陳艾榮.橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法研究[J].中國公路學(xué)報，2004，17(3):57-61.