公路橋梁設(shè)計(jì)中的耐久性分析

王勇

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國橋梁建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)水平也逐步達(dá)到國際領(lǐng)先水平，按照可持續(xù)設(shè)計(jì)理念，在橋梁的結(jié)構(gòu)安全、材料耐久、造型美觀、功能適用等方面有了較大的突破，并形成了科學(xué)合理的設(shè)計(jì)規(guī)范。但是在橋梁的實(shí)際使用過程中，隨著承載軸次的增加，或多或少的出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)疲勞老化、安全性降低、局部破損、耐久性不足等問題，這一方面與施工質(zhì)量管理及后期的管理養(yǎng)護(hù)有關(guān)，另一方面與設(shè)計(jì)過程中沒有采取合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，因此本文從設(shè)計(jì)角度來分析公路橋梁的耐久性問題，探討提高橋梁耐久性設(shè)計(jì)的措施。

1 公路橋梁設(shè)計(jì)中耐久性分析的重要性

公路橋梁的耐久性是指橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中對環(huán)境作用及荷載作用的抵抗能力，在一定的時(shí)間內(nèi)，保障其安全和適用性。橋梁在使用過程中經(jīng)受環(huán)境因素和荷載的反復(fù)作用，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，材料性能降低，疲勞損傷等狀況，影響橋梁的使用安全。在工程實(shí)踐中尋找影響橋梁耐久性的原因，并積極尋求解決措施，在設(shè)計(jì)中采取合適的措施來提高公路橋梁的耐久性，有利于增加橋梁的使用年限，提高通行的安全性，提高投資利用率，也有利于完善我國橋梁耐久性設(shè)計(jì)的規(guī)范方法，提高橋梁設(shè)計(jì)水平。

2 目前耐久性設(shè)計(jì)中存在的問題

國內(nèi)外大量研究分析和實(shí)踐證明引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足及失效的原因在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通常表現(xiàn)在混凝土產(chǎn)生裂縫、破碎，鋼筋發(fā)生銹蝕、脆化，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固作用減小等[1]，如圖1所示，橋梁耐久性不足不僅影響到其正常使用，也導(dǎo)致資金的浪費(fèi)。目前耐久性設(shè)計(jì)中存在的問題主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)發(fā)面：

1）公路橋梁方案設(shè)計(jì)中在結(jié)構(gòu)體系、受力分析、經(jīng)濟(jì)性預(yù)算方面考慮的較多，在結(jié)構(gòu)材料、維護(hù)及耐久性等方面缺少考慮，因此就會(huì)導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的橋梁整體性不足、局部受力不均、構(gòu)件截面尺寸不滿足要求等，導(dǎo)致橋梁的耐久性下降。

圖1 公路橋梁耐久性不足引起的病害

2）目前關(guān)于橋梁設(shè)計(jì)的耐久性理論還有待完善，大部分橋梁在設(shè)計(jì)使用年限到達(dá)之前就做了拆除或更換，因此設(shè)計(jì)人員和管養(yǎng)人員往往對橋梁使用的耐久性認(rèn)知不足，只重視強(qiáng)度的極限狀態(tài)，而不重視使用的極限狀態(tài)。設(shè)計(jì)中往往將耐久性當(dāng)作一種概念，或者按照規(guī)范套用滿足耐久性要求即表示所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合要求，并沒有根據(jù)實(shí)際使用條件去深度挖掘可能會(huì)導(dǎo)致橋梁耐久性下降的因素和解決措施，例如在沿海地區(qū)氯離子含量高，就需要設(shè)計(jì)嚴(yán)格的條件，進(jìn)行鋼筋的保護(hù)處理，不能只按照規(guī)范簡單的套用。

3）設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素質(zhì)有待于提高，目前設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員的學(xué)歷水平較好，大多都是應(yīng)屆畢業(yè)生，這就產(chǎn)生了這部分設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)不足的現(xiàn)象，在耐久性分析中許多細(xì)節(jié)的處理上存在欠缺。此外盡管國內(nèi)外進(jìn)行了諸多的研究，但是研究成果并沒有轉(zhuǎn)化，與實(shí)際建設(shè)存在脫節(jié)現(xiàn)象，目前國內(nèi)橋梁的耐久性構(gòu)造也比較少，對實(shí)際的應(yīng)用研究也帶來困難。

3 耐久性退化機(jī)理分析

橋梁耐久性與材料及結(jié)構(gòu)耐久性退化及結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法有關(guān)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在環(huán)境條件下會(huì)引起物理變化發(fā)生表面磨損、凍融破壞，發(fā)生化學(xué)變化溶出型、溶解型侵蝕，此外由于碳化及CL-侵蝕引起鋼筋銹蝕，自身的堿-骨料反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致材料的耐久性下降[2]。結(jié)構(gòu)的耐久性退化一方面是由于構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度下降，銹后構(gòu)件的承載能力、粘結(jié)錨固性能、銹蝕量增大等會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土強(qiáng)度下降，裂縫寬度加大。另一方面在進(jìn)行耐久性評估時(shí)采用環(huán)境指數(shù)評定法、隨機(jī)動(dòng)態(tài)可靠度方法時(shí)選擇的環(huán)境因素過少，或者環(huán)境參數(shù)選擇的不恰當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致橋梁的耐久性不足，提前出現(xiàn)破損狀況。

4 提高公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)的有效措施

4.1 規(guī)范耐久性設(shè)計(jì)過程

在橋梁的耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確耐久性設(shè)計(jì)過程的主要工作，規(guī)范化設(shè)計(jì)流程，增加設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)程度。首先需要確定橋梁的設(shè)計(jì)壽命，明確橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性極限；第二，需要進(jìn)行環(huán)境效益分析，分析橋梁耐久性的劣化因素并進(jìn)行機(jī)理分析，找出原因加以克服；第三需要選擇合適的耐久性模型，確定耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行常規(guī)計(jì)算，并對結(jié)果加以修正；最后將耐久性參數(shù)應(yīng)用到最終的設(shè)計(jì)中。

在確定耐久性壽命時(shí)，需要明確構(gòu)件耐久性終結(jié)的極限狀態(tài)，可分為材料的耐久性極限狀態(tài)、截面的耐久性極限狀態(tài)及結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)，如圖2所示為曲線1、2為氯離子和碳化作用引起的鋼筋混凝土性能隨時(shí)間變化，曲線3表示預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的變化，在設(shè)計(jì)過程需要明確不同情形下的耐久性極限，合理的確定耐久性壽命，積極借鑒現(xiàn)階段研究成果，將研究成果應(yīng)用于橋梁的耐久性設(shè)計(jì)中。

圖2 不同條件下的極限轉(zhuǎn)態(tài)對比

4.2 完善橋梁耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)

現(xiàn)行規(guī)范中根據(jù)環(huán)境類別設(shè)計(jì)最低混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋的最小保護(hù)層厚度，但是設(shè)計(jì)者往往習(xí)慣于直接取最小保護(hù)層厚度作為設(shè)計(jì)采用值。根據(jù)相關(guān)研究表明[3]，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能與空氣濕度有較大關(guān)系，在全國的重點(diǎn)城市進(jìn)行溫度濕度調(diào)查，年平均氣溫和濕度相近的城市在環(huán)境類別劃分上差距較大，因此在耐久性設(shè)計(jì)中需要完善參數(shù)設(shè)計(jì)，既要考慮現(xiàn)階段環(huán)境因素的影響，也要適當(dāng)?shù)脑黾涌剂恳蛩兀M可能在設(shè)計(jì)中模擬真實(shí)環(huán)境的影響。

4.3 加強(qiáng)橋梁的防水設(shè)計(jì)

橋梁防水是保障橋梁構(gòu)造和防腐的第一道屏障，在設(shè)計(jì)中需要加強(qiáng)橋梁的防水和排水設(shè)計(jì)。橋梁的防水設(shè)計(jì)需要遵循整體性原則，建立可檢、可修、可換的防水體系，在主梁內(nèi)需要建立良好的通風(fēng)和排水系統(tǒng)，保持主梁的干燥環(huán)境，橋臺(tái)和背墻要達(dá)到快速排水的要求，在橋面板和邊梁做好防水措施，采用可更換構(gòu)件和涂層來保護(hù)鋼筋。要注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可施工性。

5 結(jié)語

公路橋梁的耐久性需要合理的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工控制、良好的管養(yǎng)條件才能夠保證，耐久性設(shè)計(jì)有利于提高公路橋梁的服務(wù)年限，降低全壽命周期成本，因此有必要提升橋梁的耐久性設(shè)計(jì)水平、理念及方法。本文所提出的耐久性設(shè)計(jì)過程、耐久性參數(shù)完善方法及防排水設(shè)計(jì)可有效改進(jìn)現(xiàn)階段的橋梁耐久性設(shè)計(jì)，同時(shí)作為一個(gè)系統(tǒng)工程，耐久性的設(shè)計(jì)方法還需要在今后的研究與實(shí)踐中不斷總結(jié)和完善。