基于耐久性混凝土橋梁結構設計研究

吳昌星 王滿

1.武漢遠行通路橋工程設計咨詢有限公司 湖北武漢 430050

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1 混凝土結構耐久性的理論研究

現階段混凝土與鋼筋混凝土結構被廣泛應用在土木工程中，從根本上提升了工程結構整體力學性能，使工程成本得到管控，但由于混凝土結構原材料存在各項弊端，導致病害問題頻繁出現，嚴重影響到了混凝土結構耐久性。針對混凝土結構耐久性的研究，不同專家從材料耐久與結構耐久性設計兩方面入手進行評估，分析出影響混凝土結構耐久性的因素主要體現在以下幾方面：

混凝土碳化[1]。主要就是混凝土內水泥的水化產物與二氧化碳結合，生成碳酸鈣或其他物質，混凝土內環境發生變化，最終引起鋼筋鈍化或銹蝕，嚴重影響到混凝土結構的承載力；

氯離子對結構的侵蝕。氯離子從孔隙滲入到混凝土結構內，與鋼筋結構發生反應，出現銹蝕現象，致使混凝土結構耐久性下降；

混凝土結構的凍害。在混凝土結構長期處于外界低氣溫環境下，極有可能發生內部凍害問題，因受到熱脹冷縮影響，結構表面將會出現明顯裂縫；

鋼筋銹蝕。混凝土鋼筋結構的銹蝕是影響混凝土耐久性的直接因素。在鋼筋發生電化學腐蝕時，受到兩個電極共同反應的作用，鋼筋有效截面將會不斷縮小。

2 耐久性混凝土橋梁結構設計現狀分析

2.1 橋梁工程現狀

橋梁工程是當前社會城市化發展的重要組成部分，對加快社會主義市場經濟增長速率具有重要意義。受到運營環境與日漸增長的交通負荷量等因素影響，部分既有橋梁的力學性能無法滿足橋梁結構新要求，導致橋梁結構的可靠性下降。不僅如此，一大批橋梁面臨著老化風險，病害治理及維護難度極大，原有荷載標準與當前荷載狀況不相符，導致橋梁結構耐久性與承載力的評估不到位。

2.2 橋梁工程病害

混凝土橋梁結構耐久性降低的問題主要由結構設計環節、施工環節、維護環節等共同作用造成。現階段在橋梁結構設計過程中，存在忽視混凝土橋梁結構耐久性設計問題，沒有對混凝土及鋼筋質量進行嚴格檢測，導致混凝土結構施工效果與預期目標存在較大差距。

2.3 混凝土橋梁結構耐久性設計的定義

為加快橋梁工程發展進程，國家與有關部門對混凝土橋梁結構耐久性設計工作給予了高度關注，致力于從混凝土材料、構件以及結構三方面入手，通過分析橋梁結構的環境以及受力特征，總結出混凝土橋梁結構耐久性設計要點[2]。當前混凝土橋梁結構耐久性設計的定義為：在橋梁工程設計環節，通過細致分析橋梁建設材料質量、混凝土結構計算方式、施工工藝以及維護環節存在的混凝土耐久性影響因素，對橋梁混凝土結構設計方案進行不斷優化。

3 耐久性混凝土橋梁結構設計關鍵環節

3.1 耐久性材料設計

耐久性材料設計主要就是基于材料耐久性退化原理，對應用在混凝土橋梁工程施工期間的材料力學性能進行嚴格管控。舉例而言，結合耐久性材料設計成果，建立起高強混凝土、混凝土外加劑等材料入場標準，對材料的綜合品質進行全面管控。

3.2 耐久性計算與驗算

混凝土橋梁結構耐久性的計算與驗算工作需要嚴格遵守國家與有關部門頒布的現行法律規范，對混凝土結構橋梁耐久性影響系數進行定量分析，基于橋梁結構荷載、抗力隨時間變化規律等數值，計算出混凝土橋梁結構耐久性的時間函數。通過前期預算橋梁工程結構承載力的變化規律，制定出混凝土橋梁結構全壽命周期評估標準，針對此標準對混凝土結構橋梁耐久性設計方案進行不斷優化。

3.3 橋梁外觀構造設計

在混凝土結構橋梁外觀構造設計過程中，相關設計部門需注重分析橋梁結構方案與地理環境、周邊氣候條件等存在的矛盾，針對此些矛盾不斷優化橋梁結構設計方案[3]。具體來說，混凝土橋梁結構外觀主要包括各類地形條件下橋梁結構的布置與結構形式選擇、行車對混凝土橋梁結構的影響等。針對混凝土結構耐久性影響因素，計算出混凝土橋梁結構的內力與變形定量數值，保障混凝土結構內荷載傳力路徑均勻平滑，降低混凝土橋梁結構病害問題發生幾率。

4 耐久性混凝土橋梁結構設計主要內容

4.1 材料耐久性退化原理的結構設計

從混凝土材料角度研究結構的整體耐久性已經積累了諸多實踐經驗，通過材料耐久性退化原理，能夠更好分析出影響混凝土橋梁結構耐久性的因素，并針對此類因素對結構設計方案進行不斷優化。

應用科學手段減緩混凝土碳化速率。混凝土碳化是導致鋼筋銹蝕的重要條件，會隨時間的變化而變化，因此可建立起混凝土結構抗力變化模型，對混凝土內水泥、水灰比、外加劑等材料對混凝土堿性的影響進行評估。其中，因水泥品種的不同，水泥水化物內的堿性物質含量與混凝土滲透度呈現出較大差距，經過實際研究發現，在橋梁結構處于暴露環境的情況下，礦渣混凝土比普通水泥混凝土的碳化速度快50%～90%。

4.2 提升混凝土材料的抗滲性

為切實降低混凝土結構的氯離子侵蝕以及凍脹病害發生，在收集并研究施工實際案例中發現，在混凝土內水灰比大于0.55時，混凝土的滲透率將會不斷增長，因此需結合混凝土橋梁結構耐久性要求，將混凝土內水灰比控制在合理范圍之內。選擇更加適宜的水泥種類，如水泥稀土與顆粒較小的品種等，控制混凝土拌制期間的用水量。注重在混凝土橋梁結構表面涂抹防水材料以及防水砂漿，增強混凝土的抗滲透力。

4.3 加強防鋼筋銹蝕管理力度

嚴格監管混凝土結構內鋼筋銹蝕監管工作，分析出導致鋼筋銹蝕的各類影響因素，準確預測混凝土結構的使用壽命。適當增加混凝土保護層厚度，確保鋼筋不會輕易遭受到外部環境因素影響出現銹蝕情況，確實延長鋼筋結構的使用壽命，保障混凝土橋梁整體耐久性。

5 結語

總而言之，為從根本上提升混凝土結構橋梁的耐久性，需做好橋梁結構設計工作，結合工程具體建設要求，不斷優化混凝土結構組件剛性，延長橋梁工程整體使用壽命，保障工程的投入部門核心利益。