海洋環境下橋梁結構安全性和耐久性設計

朱愛東 （華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

在我國基礎設施建設不斷推進的大背景下，近年來，越來越多的跨海大橋建成通車，這對于我國交通事業的進一步發展無疑起著重要作用，不僅方便了人們的出行，同時也推動了社會經濟的發展。但由于近海地區的環境因素較為復雜，橋梁所處的環境條件惡劣，結構耐久性是需要重點考慮的問題。因此，我們要根據海洋環境的實際情況，進行科學合理的橋梁結構安全性和耐久性設計。

1 橋梁安全性和耐久性設計的重要性

影響橋梁安全性的因素很多，有設計原因、施工原因以及不可抗力因素等；而影響橋梁耐久性的因素則更為復雜，在混凝土的制備過程中，任何一個環節的細微變化都可能引起結構耐久性的變化。目前，我國正在大規模建設橋梁工程，有些項目不但規模大，而且結構復雜，在橋梁工程的建設中，難免會出現一些安全隱患問題，不僅影響橋梁的使用壽命和通行安全，嚴重時甚至可能出現坍塌事故，造成人員傷亡和財產損失。根據有關資料，導致部分橋梁工程建設質量不達標的原因可分為以下兩個方面：一方面，在橋梁設計階段，由于一些設計人員缺乏橋梁施工經驗，設計時考慮不周全，導致橋梁運營時出現功能性缺失[1]；另一方面，由于施工單位在施工時未能完全按照設計圖紙施工，存在較多的不規范行為，往往導致橋梁工程在建設中就埋下安全隱患，進而對整體的工程質量造成影響。為了有效解決這一問題，在橋梁工程的設計、施工和管理的全過程中，要時刻重視橋梁的安全性和耐久性，這不僅是確保橋梁工程建設質量和運行安全的關鍵，而且對推動我國經濟進一步發展也起著重要作用。

2 提高橋梁設計安全性的措施

2.1 完善設計規范、加強質量控制

在橋梁工程項目建設中，設計階段是至為關鍵的階段，要提高橋梁結構的安全性，首先要建立完善的設計規范，以確保橋梁工程設計的科學合理。在設計過程中，要嚴格按照設計、復核、審核流程對設計成果層層把關，相關人員要積極履行自身職責，對橋梁項目設計過程進行有效監督，避免因主觀因素造成設計圖紙有質量缺陷。

2.2 重視結構疲勞損傷問題

目前，我國機動車保有量仍在持續增長，給橋梁工程的使用帶來很大壓力，隨著橋梁的長期運營，難免不受到汽車超載的影響[2]。長此以往，在汽車動荷載作業下，橋梁一定會受到不同程度的疲勞損傷[3]。目前，鋼筋混凝土仍在橋梁建設中大量使用，鋼筋混凝土的材料特性，決定了它會出現細微的裂縫。在橋梁運行過程中，若不能及時對裂縫進行修補，任其發展，必然會導致橋梁結構安全性降低。因此，設計人員在設計時，必須進行嚴格的設計驗算，確保結構疲勞性能指標符合要求，確保橋梁結構安全有效。

3 提高橋梁耐久性的措施

3.1 混凝土橋梁

橋梁耐久性設計應該以預防為主，同時兼顧經濟效益。鋼筋銹蝕是混凝土結構耐久性破壞的主要表現形式之一[4]。目前，近海環境下混凝土橋梁耐久性措施包括采用高性能混凝土；提高混凝土保護層厚度；控制混凝土裂縫寬度；提高施工質量；鋼筋表面加防腐層；摻加鋼筋阻銹劑；混凝土表面涂層；陰極保護類電化學技術等。這些措施都各有優缺點，也有其使用的局限性，而混凝土橋梁耐久性設計是一個系統性的工程，需要綜合考慮到環境氣候特點、工程所處的腐蝕特點、施工工藝和管養運營等各方面的條件，因地制宜，對橋梁結構進行耐久性設計。表1對常用的耐久性措施進行了比較。

表1 混凝土橋梁常用耐久性措施對比表

3.2 鋼結構橋梁

海洋大氣環境氣溫高、濕度大，富含氯離子、氧氣和水汽，在海水鹽霧等因素長期作用下，鋼結構橋梁容易受到較強的腐蝕。為此，我們需要重視海洋環境下鋼結構橋梁的耐久性設計。

在海洋環境下，鋼結構橋梁常用的耐久性措施包括防腐涂層、表面熱噴涂、鋼材冷鍍鋅、采用耐候鋼、預留腐蝕余量、采用陰極保護類電化學技術、包裹層防腐等。這些措施有各自的優缺點，也有其使用的局限性，表2對常用的耐久性措施做了對比。

表2 鋼結構橋梁常用耐久性措施對比表

4 橋梁結構安全性和耐久性設計——以某沿海地區橋梁工程為例

4.1 工程概況

該橋梁項目位于中國南部海濱城市，橋梁建設條件復雜，大部分處于陸域或近海灘涂區。陸域地形平緩，場地表層為人工填土及堆積物，土質不均。同時，由于該區域處于沿海地區，降水量較多，夏季炎熱，受臺風影響多，這些自然因素對于工程設計的安全性和耐久性都造成了不同程度的影響，均需要嚴加防范。

4.2 設計前的勘察和準備工作

為確保所建設的橋梁工程的安全性和耐久性符合要求，在設計工作開始前，有關單位對項目區域進行了詳細的實地考察，得到了大量準確而具體的勘察數據。在獲得充足的勘察數據的基礎上，結合當地現有的交通路網情況，設計人員經過研究分析，最終確定了公路橋梁的具體走向和結構形式。

4.3 樁基設計

樁基設計是整個橋梁工程施工的基礎，直接關系著橋梁的施工進度和施工質量。海中鉆孔灌注樁，一般處于水下區，環境作業等級為D 級，少數樁基處于潮差區，在落潮時會露出海面，夏季炎熱氣候條件下環境作業等級達到F級。為確保樁基安全耐久，設計時適當增大了鋼筋保護層厚度，并采用摻合料提高混凝土的密實度，降低氯離子的擴散能力。同時，保留樁基永久鋼護筒作為鉆孔灌注樁的防腐屏障。

4.4 橋墩設計

海水中的橋墩處于非常嚴重的腐蝕環境中，通常也是海洋環境下橋梁腐蝕最為嚴重的結構部位。設計時，除了增加了墩柱的保護層厚度外，還對墩柱水位變動區部位涂刷了防腐涂層。并結合國內工程施工經驗，采用透水模板布改善墩柱外觀質量，增強混凝土表面致密性，提供混凝土結構的抗滲性能。

4.4 箱梁設計

箱梁屬于上部結構，為降低自重，鋼筋保護層厚度不宜太厚，在炎熱氣溫下裂縫控制難度較大，僅使用海工高性能混凝土無法滿足耐久性設計要求，必須同時采用其他防腐措施。設計時，考慮預制箱梁在預制廠涂刷一次防腐涂層，現澆箱梁拆模后涂刷一次防腐涂層。同時考慮到預應力結構的長期使用安全，預應力管道后灌漿采用海工專用預應力管道灌漿材料。鋼箱梁根據情況選用噴涂環氧富鋅底漆或冷噴鋅的防腐措施。

4.5 抗震設計

抗震設計是公路橋梁設計中必不可少的一項重要內容。具體來看，本項目所處區域水平向地震動加速度峰值為0.12g，橋梁抗震設防類別為B類，橋梁抗震設防烈度為7度，抗震設防措施等級為8 級。設計時，設計人員根據抗震規范采取防落梁措施，合理確定帽梁尺寸，設置防震擋塊，加強各片梁之間橫向連接，提高上部結構的整體性。在伸縮縫處梁端、擋塊內側設置減震橡膠緩沖塊。在樁基設計中，進一步增加樁基長度，使得大部分樁基穿過液化的土層，樁端嵌入到下層基巖中，確保樁基安全穩定。

4.6 疲勞損傷設計

在橋梁的運營過程中，因交通情況的不同，會受到各種各樣的荷載，這些荷載往往是變化的，相應的橋梁結構所承受的應力也是變化的，在交變荷載的作用下，引起橋梁結構的疲勞損傷。這些疲勞損傷具有疊加效應，使得橋梁結構的疲勞承受力持續增加，一旦疲勞承受力超過臨界值，就會導致橋梁出現裂縫，嚴重時甚至還會導致橋梁斷裂或坍塌。一般來說，在橋梁疲勞損傷的早期，往往因為損傷不明顯而不易察覺，待損傷明顯時，往往為時已晚，難有有效的補救措施。針對這一問題，設計人員在設計時，充分考慮了疲勞損傷問題，對橋梁中各個部位的構件都進行了強化設計。

5 結束語

橋梁工程是我國重要的交通基礎設施，在交通運輸和經濟社會發展中都起著不可或缺的作用。為了提高橋梁工程的安全性和耐久性，避免出現不必要的問題，相關設計單位必須做到防患于未然，在橋梁設計之前，分析可能存在的安全隱患，并采取針對性的措施，將問題消滅在萌芽狀態，以確保橋梁工程的安全性和使用壽命。