公路橋梁耐久性設計研究

張學棟

摘 要：為了有效解決橋梁耐久性方面存在的問題，選擇公路交通中常用的混凝土橋梁為對象，通過現場調查和資料查閱確定病害發生的主要部位，分析了產生原因，并提出了耐久設計的主要內容和具體的應對措施，設計時材料和結構相結合不能僅僅從材料優化方面來考慮混凝土橋梁的耐久性。

關鍵詞：橋梁；耐久性設計；結構；混凝土

前言

橋梁作為道路跨越天然或人工障礙物的建筑物，在交通連接中發揮著重要的作用。然而，由于所處環境的特殊性及受力的復雜性，大多數橋梁并沒有達到預期的效果，在壽命周期內出現大量的病害類型，導致強度降低、壽命縮短、經濟損失嚴重。上述問題的出現，除了與設計、施工、環境因素及車輛荷載等因素有關外，更主要的是由于結構的耐久性不足引起的。隨著我國西部大開發戰略的不斷推進，交通基礎設施建設將迎來全面發展的時期，由于西部地區地理、地質等條件的限制，橋梁在道路中比重會有所提高，因此加強對橋梁結構耐久性方面的研究就顯得十分必要和更有意義。

1 公路橋梁耐久性

資料顯示，世界上大多數國家和地區采用的橋梁結構，混凝土橋占有很大的比重，其中歐洲混凝土橋梁的比例為70%，美國混凝土橋梁比重為52%，我國的混凝土橋梁占80%以上，結合國內外實際，以下僅以混凝土橋梁為例來說明橋梁的耐久性設計。通過對某地現役混凝土橋梁調查發現，混凝土橋梁以下部位容易產生病害現象，制定措施時要根據部位特點采取合理的方法，混凝土橋梁的上部主體結構和橋面系為病害發生的主要部位，基礎和附屬結構發生病害的概率并不是很高，只占到26.0%，但也應引起足夠的重視。

對于混凝土橋梁而言，影響結構耐久性的主要問題有：凍融循環、鋼筋銹蝕、堿集料反應、結構構造、施工周期及結構維護等，這些問題涉及橋梁結構的設計、施工、養護、管理及使用等方面。

2 橋梁耐久性設計

查閱文獻發現，目前關于橋梁結構耐久性的研究大多是從材料方面來考慮，而對結構設計改善混凝土橋梁耐久性的研究比較少。在橋梁設計階段，設計者往往只重視結構強度是否滿足規范要求，很少從結構方面來考慮橋梁的耐久性，結果導致橋梁在服役期內出現大量的病害，這也再次印證材料和結構設計的重要性，僅僅從材料角度來改善橋梁的耐久性是行不通，需重視混凝土橋梁的結構設計。

2.1 耐久性設計內容

橋梁的耐久性設計涵蓋的內容比較多、涉及的面比較廣，主要包括以下內容：

（1）根據橋梁的使用要求及所處的環境，合理確定結構的使用年限、作用等級及環境類別。（2）在保證強度的前提下，優選環境作用影響比較小的橋梁結構類型、材料及布置方式。（3）根據橋梁結構及跨徑，確定合理的鋼筋混凝土耐久性要求。（4）參照確定的耐久性要求，選擇混凝土的保護層厚度。（5）合理確定混凝土橋梁上部結構、下部結構及附屬設施的裂縫控制指標。（6）確定橋梁結構防、排水要求，選擇合理的排水設施及結構。（7）對于特殊的環境條件，采取一定防腐及防護措施。（8）確定合理的結構施工、驗收及養護標準。（9）根據環境條件及車輛荷載作用情況，確定結構在服役期內的檢測、養護及維修標準。

2.2 具體措施

耐久性設計貫穿于橋梁的設計、施工及養護等階段，并根據各階段的特點提出了具體的設計要求及標準，其中設計階段主要包括：

（1）鋼筋配筋率及截面尺寸。混凝土橋梁結構比較重，設計時為了提高承載能力，一般采用較小的構件截面尺寸、較密的鋼筋配筋率，結果給混凝土澆筑帶來困難，不易振搗，集料分布不均，密實度達不到規定的要求，影響混凝土的耐久性，為病害的發生留下隱患。因此設計時一定要根據構件承重的要求選擇合理的截面尺寸，并結合采用的集料最大粒徑選擇合理的鋼筋配筋率。

（2）保護層厚度。混凝土橋梁結構內通常布置著大量的鋼筋，一旦保護層破壞或者厚度不合理，將導致水分、空氣及其他物質進入腐蝕其鋼筋，導致結構的耐久性下降。對比國內外關于混凝土保護層厚度的規定可以發現，我國相關規范規定的最小保護層厚度比較低，不論是主筋還是箍筋外的保護層均存在著這種現象。我國規范規定主筋外保護層厚度為：30？艽c≤50mm，箍筋外保護層厚度不低于15mm，而美國相關規范規定主筋外保護層厚度為：50？艽c≤70mm，箍筋外保護層厚度不低于25mm，差距非常明顯。

綜合考慮我國的自然環境、車輛軸載、耐久性的需要、施工工藝及水平，在結構承載能力滿足使用的前提下，建議適當提高混凝土保護層的厚度，降低相關病害的發生。

（3）裂縫控制。混凝土結構由于自身的特性不可避免地產生裂縫，影響結構的耐久性。對于混凝土橋梁而言，不僅包括環境作用與車輛荷載引起的荷載型裂縫、非荷載型裂縫，還包括橋面板設置伸縮縫等，上述結構是受力的薄弱部位，處理不慎將導致使用壽命嚴重下降。對于混凝土自身產生的干縮裂縫、溫縮裂縫可以通過施工、材料優選等措施來控制，這里就不再詳述。針對設置的伸縮縫，設計采用合理措施，使其降低對耐久性的影響。

①伸縮縫兩側盡量不和橋面鋪裝層相連接，而應通過預埋鋼筋使其與主梁端部連接起來；②對于變形量較大混凝土橋梁，伸縮縫構造采用橡膠和鋼板的組合結構，使車輛荷載通過鋼板結構來傳遞。

（4）橋面鋪裝。橋面鋪裝層是比較容易產生病害的，設計時必須予以充分考慮。橋面鋪裝層直接裸露于環境中，不僅要經受車輛荷載的反復作用，而且要與下部結構的受力相協調。如果產生病害，將導致降水、橋面積水等下滲，影響下部混凝土結構穩定性。目前橋面鋪裝層通常采用雙層結構，具體為：環氧瀝青混凝土+SMA混凝土，澆筑式瀝青混凝土+SMA混凝土等，在使用過程發現，或多或少都存在一定的問題。因此設計時不能單純從材料性能出發，要結合橋梁結構的受力特點，通過受力分析選擇合理的鋪裝結構和厚度組合，使其滿足耐久性的要求。

（5）橋梁防排水系統。水是引起混凝土橋梁結構發生病害的最主要因素之一，而防排水系統則是橋梁耐久性和防腐的優良屏障，良好的防排水系統可以保證降落的水迅速排除到橋梁結構以外，使其對橋梁的危害降到最低。設計時應堅持整體性、可檢、可換、可修復的原則。將橋面部分、伸縮縫、接縫等部位作為整體來考慮設計防排水系統，防止出現局部防排水缺陷。具體措施如下：

①結合剛性防水層和柔性防水層的優點，采用新型防水構造，即雙層防排水系統；②橋面設置一定的坡度，水匯集后集中排出橋面，同時在鋪裝層設置專門的排水管道和防水層，以免水分下滲。

3 結束語

根據混凝土橋梁耐久性影響因素，調查和分析了橋梁結構病害發生的主要部位和原因，據此提出耐久性設計的主要內容和相應措施，主要結論：

（1）我國規范規定的混凝土厚度太薄，建議適當增加混凝土保護層厚度。

（2）伸縮縫是影響耐久性的主要因素之一，建議從設置方式和防排水要求方面考慮確定合理的形式。

（3）結合橋梁受力特性，選擇合理鋪裝結構和厚度組合。

參考文獻

[1]吳海軍.橋梁結構耐久性設計方法研究[D].上海：同濟大學，2006.11.

[2]李海峰.混凝土橋梁耐久性設計與施工關鍵技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2012.04.

[3]唐先習.混凝土橋梁合理耐用結構構造的研究[D].西安：長安大學，2010.