基于耐久性視角研討公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

宋洪霞

（滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北滄州061000）

基于耐久性視角研討公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

宋洪霞

（滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北滄州061000）

耐久性是衡量公路橋梁設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一，對(duì)橋梁工程的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益有直接的影響，如果橋梁設(shè)計(jì)的耐久性不達(dá)標(biāo)，將會(huì)對(duì)行人和車(chē)輛安全造成極大的威脅。為有效解決公路橋梁的耐久性問(wèn)題，論文在分析有關(guān)公路橋梁耐久性影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他公路橋梁工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)橋梁的耐久性問(wèn)題，提出相關(guān)的設(shè)計(jì)建議。

公路橋梁；設(shè)計(jì)；耐久性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.036

1 公路橋梁耐久性影響因素分析

影響公路橋梁耐久性的因素，常見(jiàn)的有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、侵蝕性介質(zhì)幾種。

1.1 鋼筋銹蝕

公路橋梁建設(shè)，鋼筋是主材之一，同時(shí)使用的還有混凝土。初期使用的混凝土，其孔隙內(nèi)的Ca（OH）2溶液處于相對(duì)飽和狀態(tài)，覆蓋在混凝土內(nèi)的鋼筋，在Ca（OH）2溶液覆蓋范圍內(nèi)，表面會(huì)形成預(yù)防銹蝕的鈍化狀保護(hù)層。但隨著公路橋梁的長(zhǎng)時(shí)間使用，覆蓋于鋼筋上面的混凝土，受到外界荷載和氣候變化的影響，以及混凝土化學(xué)性質(zhì)的潛移變化，會(huì)逐漸出現(xiàn)大小不一的裂縫，成為侵蝕性物質(zhì)滲入的通道，Ca（OH）2溶液的濃度也會(huì)因此被稀釋?zhuān)绕鸬戒摻畹谋Ｗo(hù)作用逐漸削弱，某些部位的鋼筋失去保護(hù)后，就會(huì)發(fā)生銹蝕。據(jù)筆者了解，造成鋼筋銹蝕的主要化學(xué)成分是氯離子，只要游離狀態(tài)的氯離子超標(biāo)，并達(dá)到一定的臨界值，就會(huì)和鋼筋的鐵離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成鐵銹（見(jiàn)圖1）。

圖1 混凝土橋梁鋼筋銹蝕示意圖

受到侵蝕影響的鋼筋，受力面面積縮小，不僅強(qiáng)度降低，與混凝土間的膠結(jié)作用也會(huì)變?nèi)酰詈箬F銹的膨脹張力和混凝土的約束力抗衡，當(dāng)前者超過(guò)后者，橋梁的耐久性就會(huì)越變?cè)饺酰罱K會(huì)嚴(yán)重影響到橋梁的承載能力[1]。

1.2 凍融循環(huán)

已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的橋面，或者由于質(zhì)量不過(guò)關(guān)，橋面的孔隙、毛細(xì)孔數(shù)量比較多，滯留在橋面的冰霜融化后，會(huì)逐漸滲透進(jìn)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。滲入的水分來(lái)不及消散，假設(shè)外界溫度突然下降，這些水分會(huì)結(jié)冰膨脹，產(chǎn)生的膨脹力和混凝土

的約束力抗衡，當(dāng)前者超過(guò)后者，會(huì)緩緩破壞橋面的混凝土結(jié)構(gòu)，這個(gè)水分凍結(jié)和融化的交替過(guò)程稱之為凍融破壞。

凍融循環(huán)的破壞，出現(xiàn)的時(shí)間具有周期性特征，對(duì)公路橋梁的破壞影響非常直接和嚴(yán)重，如果凍結(jié)的水分不融化，其凍脹破壞的影響就會(huì)越大，使得橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能和保溫性能變?nèi)酰踔習(xí)?dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生風(fēng)化現(xiàn)象。據(jù)筆者了解，橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)，大約在經(jīng)過(guò)2000次凍融循環(huán)之后，整體結(jié)構(gòu)將損失5%的質(zhì)量，彈性模量和強(qiáng)度也會(huì)大幅度降低。而這些指標(biāo)，都是橫梁公路橋梁耐久性的重要標(biāo)準(zhǔn)，但這些指標(biāo)變?nèi)鹾螅f(shuō)明橋梁的耐久性已經(jīng)達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 侵蝕性介質(zhì)

侵蝕性介質(zhì)，指的是自然界中的各種化學(xué)物質(zhì)，譬如酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)、壓力流動(dòng)水等，當(dāng)環(huán)境變化，這些化學(xué)物質(zhì)就會(huì)直接影響公路橋梁，譬如溶出性侵蝕、溶解性侵蝕和膨脹性侵蝕等，削弱其耐久性能，破壞橋梁的穩(wěn)定和承載性能。受到侵蝕性介質(zhì)影響的公路橋梁，其破壞形式見(jiàn)圖2。

圖2 侵蝕破壞的疲勞裂縫形式

在所有的侵蝕性介質(zhì)當(dāng)中，酸性物質(zhì)的侵蝕性破壞力最大，尤其是酸雨降雨量比較大的區(qū)域，短時(shí)間內(nèi)集中破壞混凝土表面，長(zhǎng)時(shí)間則會(huì)滲入混凝土內(nèi)部，進(jìn)一步破壞混凝土內(nèi)部及其內(nèi)部的鋼筋，影響橋梁的耐久性。

2 提高公路橋梁耐久性的設(shè)計(jì)思路

為防控鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)及侵蝕性介質(zhì)對(duì)公路橋梁耐久性的破壞影響，下面將從設(shè)計(jì)的角度，研討提高公路橋梁耐久性的設(shè)計(jì)方法。

2.1 預(yù)防鋼筋銹蝕設(shè)計(jì)

混凝土的合理選擇，是預(yù)防公路橋梁鋼筋銹蝕的重要手段。除了材料選擇，配合比設(shè)計(jì)，同樣是確保混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。（1）選擇最為合適的水灰比，控制混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的數(shù)量，建議盡可能減少活性骨料的選擇，以非活性骨料代替；（2）堿含量較低水泥的選用，同時(shí)在攪拌水泥時(shí)，加入適量的引氣劑，雙重的設(shè)計(jì)保障，即可有效保護(hù)鋼筋；（3）鋼筋的使用，有必要在除銹后，進(jìn)行防腐處理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)混凝土表面是否存在損傷狀態(tài)，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用年限，設(shè)定結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)率。完成以上設(shè)計(jì)后，橋梁結(jié)構(gòu)的橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系

基于圖3所顯示的橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)，有必要強(qiáng)化鋼筋與模板的結(jié)合程度，確保在混凝土澆筑和振搗時(shí)，能夠減少鋼筋的位移狀況。至于連接件和緊固件等，由于暴露在混凝土外，也要重點(diǎn)做好防腐措施[2]。除此之外，伸縮縫的設(shè)計(jì)，要根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)年限，圍繞結(jié)構(gòu)的適用性標(biāo)準(zhǔn)，同步進(jìn)行橋面結(jié)構(gòu)和橋臺(tái)的防腐，設(shè)計(jì)出足夠數(shù)量的排水通道。

2.2 預(yù)防凍融循環(huán)設(shè)計(jì)

考慮到混凝土裂縫，是提供凍融循環(huán)的破壞通道，在預(yù)防凍融循環(huán)的設(shè)計(jì)中，首要前提是徹底解決橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題[3]。一方面是配筋控制，橋梁結(jié)構(gòu)的界面，配筋率要合理，既不能太多，也不能太少，太多會(huì)影響混凝土的澆筑和振搗，太少則起不到結(jié)構(gòu)保護(hù)效果。應(yīng)該根據(jù)混凝土保護(hù)層的厚度，以及所選用鋼筋的直徑大小，分析每個(gè)截面面積的鋼筋含量，如果所選用鋼筋直徑太小，則要增加適當(dāng)數(shù)量的鋼筋數(shù)量，確保構(gòu)件抗裂強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。橫隔板與U肋的連接形式見(jiàn)圖4。

除此之外，橋梁所使用的碎石粒徑和其他材料性能等，在規(guī)格方面同樣有著嚴(yán)格要求，可參照以下標(biāo)準(zhǔn)：顆粒不大于0.075mm的材料顆粒，重量比不能超過(guò)5.0%；壓實(shí)后，材料顆粒的重量比，不能超過(guò)7.0%。為減少地表水和地下水侵入混凝土內(nèi)部，在混凝土的表面，要加入隔水材料，阻斷外界水分滲透的通道，并在結(jié)構(gòu)的表面，合理布排排水系統(tǒng)，確保在地

表水郁積時(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)排離混凝土結(jié)構(gòu)主體的表面。

圖4 橫隔板與U肋的連接形式

2.3 預(yù)防侵蝕性介質(zhì)影響設(shè)計(jì)

侵蝕性物質(zhì)的客觀存在，我們無(wú)法進(jìn)行消除，但可通過(guò)使用環(huán)境的控制和后期養(yǎng)護(hù)，提前做好預(yù)防侵蝕性介質(zhì)影響的設(shè)計(jì)工作。侵蝕性介質(zhì)主要在環(huán)境變化影響后，才會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響，想要徹底消除侵蝕性介質(zhì)的不良影響，首要前提是做好環(huán)境保護(hù)工作。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，就要提前做好環(huán)境保護(hù)工作，盡可能減少對(duì)環(huán)境的破壞影響。再如水灰比的適當(dāng)控制，增強(qiáng)混凝土的密度水平，阻斷二氧化碳侵入的數(shù)量，即可降低混凝土碳化的速度。在控制混凝土使用環(huán)境后，橋梁的橫向正應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 控制使用環(huán)境后橋梁的橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系

在材料選擇方面，可充分考慮材料的抗腐蝕性，如鎂氧水泥、礦渣水泥等，含有一定量的抗腐蝕介質(zhì)，同時(shí)還可以在混凝土澆筑后，在其表面均勻噴灑防腐的抗?jié)B砂漿，這些都是預(yù)防侵蝕性介質(zhì)腐蝕的重要舉措。在后期養(yǎng)護(hù)中，固定時(shí)間檢修橋梁，可利用現(xiàn)代化的檢測(cè)，參照有關(guān)的監(jiān)控機(jī)制，實(shí)施監(jiān)測(cè)橋梁的耐久性狀態(tài)，為橋梁質(zhì)量防治工作，提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，基本明確了如果通過(guò)公路橋梁的設(shè)計(jì)，提高橋梁耐久性的方法及相關(guān)建議措施，原則上可供其他公路橋梁設(shè)計(jì)工作參考借鑒，但考慮到不同公路橋梁的耐久性要求不同，以及設(shè)計(jì)主客觀環(huán)境的差異性，以上方法在其他橋梁設(shè)計(jì)工程中，務(wù)必緊扣有關(guān)工程實(shí)際情況，予以靈活地參考借鑒。

【1】吳立朋，楊進(jìn)波，閻培渝.混凝土抗氯離子滲透性PERMIT試驗(yàn)方法改進(jìn)及工程應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）：304-310.

【2】盧連連.基于灰色理論的在役橋梁剩余使用壽命預(yù)測(cè)及改建方案評(píng)價(jià)[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2008.

【3】劉珊.淺談公路橋梁伸縮縫的病害及養(yǎng)護(hù)管理[J].中國(guó)科技博覽, 2012（26）:443-443.

Based on the Perspective of DurabilityWeminarHighwayBridgeDesignElements

SONG Hong-xia
(CangzhouShuangsheng HighwayEngineeringConsultingCo.Ltd.,Cangzhou 061000,China)

Durabilityisoneofthemainindicatorstomeasurethehighwaybridgedesign,bridgeengineeringsocialandeconomicbenefits, therewillbeadirectimpact onthedurabilityofthedesign ifthebridgeisnot upto pedestrianandvehiclesafety,will cause greatthreats.To effectivelysolvetheproblemofthedurabilityofroadsandbridges,thearticlewillanalyzethedurabilityfactorsrelatedtoroadsandbridges, basedonthecombineddesignexperienceofotherroadsandbridgesprojects,forthedurabilityofthebridge,makerelevantdesignproposals.

roadsandbridges；design；durability

U442

A

1007-9467（2016）07-0141-03

2016-05-05

宋洪霞（1984～），女，河北滄州人，工程師，從事公路、橋梁設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）154900388@qq.com。