基于耐久性探討混凝土橋梁結構設計要點

湯 偉

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

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基于耐久性探討混凝土橋梁結構設計要點

湯 偉

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

基于混凝土材料的耐久性退化機理，分析了材料在橋梁結構設計中的作用，闡述了混凝土橋梁構造的設計要點，旨在滿足橋梁運行強度的要求，提高橋梁結構的耐久性。

橋梁結構，混凝土，碳化速率，耐久性

混凝土結構耐久性主要從構件、材料與結構三方面來展開研究。在我國，對房屋建筑的混凝土耐久性研究較多，而對混凝土橋梁的結構耐久性研究較少。本文希望從混凝土材料的耐久性退化機理、耐久性設計等方面來探討混凝土橋梁結構的相關技術設計要點，進而全面了解并做到對橋梁壽命周期的適當控制。

1 混凝土橋梁結構材料問題分析

在我國，混凝土的碳化、堿集料反應、鋼筋腐蝕等等方面都取得了一定成果。本文基于耐久性退化機理對混凝土橋梁結構的材料問題進行逐一分析，希望能進一步了解混凝土橋梁結構設計的耐久性影響因素。

1.1 混凝土碳化問題分析

混凝土碳化是影響橋梁結構耐久性的關鍵問題。隨著時間的變化，混凝土強度中的結構抗力參數就會發生改變，因此也可以這樣理解，混凝土的耐久性是建立在其服役結構抗力的變化模型基礎之上的。

通常情況下，來自于材料因素的影響主要以混凝土的堿度為主，它會影響混凝土的碳化速度，例如水泥、骨料等等。

首先說水泥，水泥隨著品種的不同其水化產物中的堿性物質含量、對混凝土的滲透性都不盡相同，但它們對混凝土的碳化速度是存在一定影響的。

其次，水泥的用量也會直接影響混凝土吸收二氧化碳的能力，如果水泥用量增加，混凝土的碳化速度也就會隨之降低，碳化速度變慢。表1給出了不同水泥用量對混凝土碳化程度的具體影響比值。

表1 不同水泥用量狀況下混凝土碳化程度數據表

由表1可以引出下列觀點，即水灰比決定了混凝土的主要性能，且對混凝土的碳化速度影響也相當大。水灰比直接決定了混凝土的孔結構特性，也決定了二氧化碳在混凝土中的擴散速率。在這里，混凝土的碳化速度會隨著水灰比的不斷增加而增大。以下是經過暴露試驗后所得出的混凝土碳化速率與水灰比之間的關系表達公式：

其中，X為混凝土的碳化程度；t為混凝土的碳化時間；k為碳化速率；W/C為混凝土的水灰比例。根據上述計算推理，當混凝土的碳化速度被推算出以后，就可以進一步獲得混凝土的水灰比。

最后是骨料，在混凝土耐久性研究方面，骨料的孔隙、粒徑與級配都是能夠影響其耐久性的關鍵。比如說孔隙率越小，混凝土的漿體界面結合也就越好，耐久性越高。

1.2 堿—集料反應問題分析

在堿—集料反應中，混凝土中的活性礦物集料會與混凝土空隙中的堿性溶液發生化學反應并形成具有破壞性的膨脹效果，所以說堿—集料反應也是影響混凝土耐久性的主要因素之一。就目前的混凝土耐久性防護技術來看，堿—集料反應可以造成碳酸鹽反應，其能夠形成混凝土結構的整體性開裂病害，還沒有比較好的應對補救方法。但相對來說，根據堿—集料反應的發生機理，本文給出了以下幾點防治措施：

第一，利用低堿性水泥，在國內根據混凝土工程中要求的基本環境條件對堿—集料反應實施了相應的混凝土堿含量限制，其標準見表2。

表2 混凝土含堿量在不同環境條件下的安全限制標準數據表

第二，也可以利用摻合料來降低混凝土中的堿性。經試驗證明，如果在混凝土的水泥原料中摻入5%～15%的硅灰就可以達到有效控制堿—集料反應的發生。同理，摻入20%～30%的粉煤灰也能達到相同效果。這是因為摻入超量水泥的混合物可以強化混凝土的強度與稠度[1]。

2 橋梁構造設計要點分析

耐久性結構設計對橋梁的重要性就在于設計過程中不但要考慮影響混凝土構造的各個因素，還要重視混凝土橋梁在建成后可能存在的結構缺陷。本文基于耐久性設計探討了混凝土橋梁構造的幾點設計要點。

2.1 考慮荷載與傳力效果的橋梁構造設計要點

在混凝土橋梁中的拉壓桿構造設計中，它的主應力跡線保持與桿件軸線呈平行關系，且確保傳力路徑始終與桿件長度相等。如果桿件受力彎曲時，橋梁梁內的任意一點就應該處于二向的基本受力狀態下。所以說，混凝土橋梁的拉壓桿傳力路徑相當復雜。在對橋梁結構進行設計時，無論是橋跨結構亦或是支撐結構，它的橫截面內或細部構造受力都應該與梁受力相互吻合，使得傳力路徑簡易化，這有利于延長混凝土橋梁的生命周期，同時優化它的耐久性[2]。

2.2 考慮應力均勻流暢的設計要點

大跨度混凝土橋梁一般構造相對復雜，所以它的結構體系是否合理也直接影響到了混凝土結構的受力特性和耐久性能。如果橋梁內部的某些幾何及力學不連貫部位其荷載受力作用點區域呈現彎折、開口或缺口區域，則證明此處是橋梁耐久性相對薄弱的環節。此處應該借鑒國外的“壓桿—拉桿—模型法”來對橋梁的混凝土結構應力與鋼筋應力實施重新配置，建立橋梁支座與拉壓桿模型，使得橋梁的拉壓桿位置都能擁有足夠的受拉鋼筋，保護其結構耐久性。

另外，混凝土橋梁的橋跨結構一般都會受到較大的拉應力，存在鋼筋腐蝕、結構疲勞等問題，因此要求在設計過程中充分考慮其耐久性問題，盡量縮短橋梁的應力傳力路徑，并提高材料強度，充分考慮幾何分線性對橋梁混凝土結構的具體影響，控制其內力作用，合理設計橋梁中各個構件之間的荷載受力，使得整個橋梁的受力均勻，傳力簡捷[3]。

3 結語

在我國，關于混凝土橋梁結構的耐久性設計及研究在持續進行，并已經研究出了許多實用的防治對策。本文旨在希望今后的混凝土橋梁設計過程中，不僅要滿足其橋梁運行強度的基本要求，也應該充分考慮它在體系與構造方面的耐久性要求，深入分析混凝土材料的耐久性退化機理，并靈活運用到對橋梁的合理設計當中去。

[1] 官卡利.基于耐久性探討混凝土橋梁結構設計方案[J].城市建設理論研究(電子版),2015,5(12):2032-2033.

[2] 李 健.云南某混凝土梁橋的耐久性設計研究[D].重慶：重慶交通大學,2013:22-23.

[3] 劉逢成.基于耐久性混凝土橋梁結構設計研究[D].武漢：華中科技大學,2013:7-14.

Discussion on concrete bridge structure design key points based on durability

Tang Wei

(CCCC Highway Planning and Design Institute Limited Company, Beijing 100088, China)

Based on the durability degradation mechanism of concrete material, this paper analyzed the role of material in bridge structure design, elaborated the design key points of concrete bridge structure, to meet the requirements of bridge operation intensity, improved the durability of bridge structure.

bridge structure, concrete, carbonation rate, durability

1009-6825(2016)12-0139-02

2016-02-16

湯 偉(1981- )，男，碩士，工程師

U441

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