混凝土橋梁耐久性設計研究

阿布來提.卡德爾 吾買爾江.阿不都熱西提

1. 新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計院 新疆 烏魯木齊 830000

2. 新疆交通職業技術學校 新疆 烏魯木齊 831401

引言

隨著我國經濟的不斷發展，橋梁設計已達到世界領先水平。遵循橋梁可持續的設計理念，在橋梁的安全性，適用性以及耐久性等方面均取得重大的突破，所形成的設計規范合理可靠。但實際中，由于不斷增加的承載周期，使得橋梁結構出現了或多或少的老化，局部損傷等等，導致其安全性以及耐久性降低。該種情況主要與兩方面有關，一方面是施工質量以及后期養護，另一方面則是與設計有關。本文主要從設計角度對混凝土橋梁的耐久性進行研究，以探討提升混凝土橋梁的耐久性措施。

1 混凝土橋梁耐久性退化機理分析

混凝土橋梁結構在使用時，抵抗外界環境以及荷載的作用，并且保證在一定時間內其安全性以及耐久性的能力即耐久性。橋梁在運營期間常反復遭受環境以及荷載的作用，導致橋梁結構的材料性能以及強度有所下降，使橋梁的安全性受到影響。在橋梁實際運營中探索影響其耐久性的因素，并努力找尋解決該問題的措施，并在設計時運用以使橋梁耐久性有所提升，可使得橋梁的使用年限有所提高，進一步保證其安全性，提高其經濟性以及設計水平。

橋梁的耐久性主要包括兩方面的內容，一方面是材料和結構耐久性的退化，一方面是結構耐久性的設計方法。在環境因素的影響下，引起的混凝土結構的物理變化，如表層出現破損以及凍融的破壞等，以及混凝土結構的化學變化，如溶解或溶出類型的侵蝕等等，導致混凝土材料的耐久性不斷降低。結構耐久性的退化主要是因為構件間不斷降低的聯結強度，以及因銹蝕等因素導致裂縫寬度不斷增加。此外，若在評估橋梁的耐久性時選取了較少的環境因素，或是選取了不恰當的環境參數，也是使得橋梁的耐久性有所不足，使其破損提前出現的原因之一。

2 耐久性設計存在的問題

影響橋梁耐久性的因素較為廣泛，涉及到了設計，施工以及養護等各個部分，一般表現為橋梁混凝土有裂縫以及破碎的現象，并且鋼筋與混凝土的連接作用降低，如下圖1所示，橋梁耐久性不僅對其正常使用有所影響，更加導致了工程上資金的浪費。針對混凝土橋梁耐久性的設計，目前主要存在如下所述的幾方面內容：

（1）混凝土橋梁在設計時，鑒于結構受力以及經濟預算等方面的內容所需考慮因素較多，而較少考慮結構在耐久性方面的問題。因此就容易導致所設計橋梁缺乏整體性，具有有不均勻的受力以及構件的截面尺寸不符合規范等情況，使得混凝土橋梁的耐久性有所降低。

圖1 橋梁耐久性不足導致的病害

（2）目前在設計時，關于橋梁的耐久性理論還需完善，大多數橋梁在到達其設計使用年限之前就以及進行更換。而設計人員對于橋梁的耐久性缺乏一定的認知，只看重橋梁的強度極限狀態進行考慮，而并不重視橋梁的使用極限狀態。在設計時僅以概念形式去運用耐久性設計，即僅按規范套用耐久性設計而沒有根據實際情況去挖掘現場可能導致耐久性降低的因素以及解決方法，如針對沿海地區而言，鑒于其較高的氯離子含量，對于鋼筋的保護環境應采取更高的設計條件，而不能僅簡單的套用規范要求。

（3）設計人員素質還需提升，目前設計院里的設計人員具有較好的學歷，但大多均為應屆畢業生，從而出現了部分設計人員缺乏現場經驗的現象，對于耐久性設計缺乏細節上的處理。盡管對于耐久性有較多的研究，但這些成果尚且未能轉化，與實際有脫節，在應用時有較大困難。

3 提高混凝土橋梁耐久性設計的措施

3.1 規范耐久性設計的過程

混凝土橋梁耐久性設計與承載能力設計的差別有：對于橋梁的耐久性設計主要考慮：環境作用下，耐久性極限狀態時橋梁結構的壽命等級，并且不得低于設計使用壽命概率；對于橋梁的承載能力設計主要考慮：荷載效應作用下，承載能力極限狀態下橋梁結構的技術等級，并且不得低于可靠度指標。基于橋梁耐久性設計和承載能力設計的區別，確定橋梁耐久性設計的過程為：

（1）確定橋梁使用壽命。橋梁的使用壽命需結合建設水平，運營狀態以及經濟性等因數進行考慮。橋梁使用壽命的確定較為復雜，并且構件所處環境不同也會導致其使用壽命的不同，如沿海地區具有更加突出的耐久性問題，因而其耐久性要求較高；大型橋梁工程由于具有較高的重要性等級，因而也是具有較高的使用壽命要求。一般情況下橋梁構件的使用壽命建議值如下表1所示。

構件 實際壽命 建議壽命鋼伸縮縫 10-25 25橡膠支座 15-45 45 RC 基礎 45-80 80 RC 橋墩立柱 35-60 60主梁 PC 70-90 80 RC 50-70 60鋼50-90 80

（2）明確橋梁耐久性極限狀態。基于橋梁承載能力極限狀態，對于耐久性極限狀態也應從安全性，使用性以及經濟性三方面出發。如在考慮耐久性極限狀態下的適用性時，可從鋼筋腐蝕程度以及混凝土保護層的損壞程度出發進行確定。

（3）計算環境效應。環境作用是影響橋梁耐久性的重要因素，環境因素包括有溫濕度以及冰凍等，此外還需綜合考慮人為因素的影響等，這些因素均是影響橋梁耐久性設計的關鍵。

（4）計算橋梁的耐久性以及確定耐久性參數。橋梁耐久性的計算可以通過宏觀模型進行，如氯離子侵蝕等。根據宏觀模型對影響橋梁耐久性的物理參數的變化過程進行計算，以對壽命期橋梁結構各種參數的退化情況。

（5）修正常規力學計算的結果。根據橋梁耐久性的計算參數，對常規力學的計算可靠度以及安全性指標進行反饋，結合計算結果對橋梁的耐久性參數進行修正，以保證橋梁結構的可靠性，進一步提高橋梁的安全性。

3.2 完善橋梁耐久性設計參數

橋梁設計中有鑒于環境類別以及混凝土強度等級所設計的最小混凝土保護層厚度，但在設計時設計人員往往根據習慣而在選取設計采用值時均采用最小值。據相關研究有，空氣濕度是影響混凝土橋梁性能的主要因素，根據國內城市的溫濕度調查中，即使是年平均溫濕度相近的城市，仍然具有差距較大的環境類別劃分，因而在進行混凝土橋梁的耐久性設計時需進行參數的完善設計，除了需要對現有階段的環境因素進行考慮之外，還需增加某些考量因素，以確保在設計時盡可能的對真實環境進行模擬。

3.3 加強橋梁的防水設計

確保橋梁構造以及防止橋梁被腐蝕的第一道屏障是橋梁的防水工程。在進行橋梁的耐久性設計時應首先加強其防排水的設計。橋梁的防排水設計需保證整體性原則，所建立的防水體系應確保具有可檢，可修，可換的性能，主梁內的通風以及排水系統應較為良好，以保證主梁所處環境的干燥性，橋臺以及背墻應滿足快速排水要求，設置防水措施于橋面板以及邊梁，采取可更換的構件或者涂層確保鋼筋不被腐蝕。更加需要看重橋梁細節的設計，確保構件的可靠性。

4 結語

設計的合理性，施工控制質量的良好等均是保證混凝土橋梁耐久性的重要因素。橋梁的耐久性設計有助于橋梁服務年限的提升以及全壽命周期成本的降低，因此橋梁耐久性設計的水平以及理念方法等的提高是非常有必要的。文中所涉及的耐久性設計以及參數完善方法等均可運用于現有橋梁耐久性的設計過程，以使其得到改善。橋梁耐久性的設計屬于系統工程，其設計方法仍需在今后的研究中不斷完善。