國內外混凝土橋梁壽命與耐久性設計進展

阮 靜，左新黛，張德龍，陳 軍

（1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京，210004；2.交通運輸部公路科學研究所，北京市，100088）

0 引言

橋梁老化不僅是中國橋梁面臨的挑戰，也是一項世界難題。很多國家在規范中規定了橋梁的設計使用壽命，但實際壽命往往難以滿足，主要由于橋梁結構面臨著環境侵蝕、超載、耐久病害顯著等問題[1]，規范中并未充分考慮橋梁的耐久性設計，由此造成了設計壽命和實際壽命間的差異。目前各國已從橋梁建設期轉入管養期，橋梁短壽問題造成安全性和經濟性問題突出[2-3]，各國逐漸意識到該問題的重要性，在規范或指南中紛紛納入了耐久性設計的內容。

本文圍繞國內外混凝土橋梁使用壽命與耐久設計方法展開調查研究，分析耐久性問題對使用壽命的影響，闡述國內外耐久性設計方法發展歷程，分析國內外相關規范或指南的共性和差異性，提出混凝土橋梁耐久性設計流程框架。

1 橋梁使用壽命現狀分析

1.1 設計使用壽命

橋梁設計使用年限是指結構或結構的一部分，在預期維護條件下，不需要進行必要的大修，即可按照其預定目的使用的給定期限。設計使用年限由以下要求組成[4]：（1）相關極限狀態的定義；（2）具體年限要求；（3）在這個年限內沒有達到極限狀態的可靠性水平。歐洲規范[5]規定了橋梁等主要結構物的設計使用年限（Design working life）為100 a，美國規范[6]規定橋梁的設計基準期（Design life）為75 a。中國規范[7]規定設計基準期為100 a，并給出不同等級的公路橋梁主體結構及可更換部件的設計使用年限表。

1.2 實際使用壽命

橋梁的實際使用年限很難滿足設計使用年限的要求，例如美國聯邦公路管理局（FHWA）網站資料統計，62萬座橋梁實際使用壽命平均橋齡43.2 a，橋齡超過50 a的橋梁有23.3萬座，超過100 a的橋梁有1.2萬座。大部分橋齡未達到規范規定的75 a設計基準期，如圖1所示。

圖1 美國公路橋的橋齡分布圖

我國2011年各省市區上報的危橋改造情況中有9 746座五類橋，統計得出平均使用壽命為30.23 a[8]，如圖2所示，遠未達到我國規范規定的設計年限要求。

圖2 我國各類橋梁平均使用壽命分布圖（2011年統計）

1.3 短壽成因分析

影響橋梁壽命長短的主要因素包括[9]：（1）設計和施工階段確定的材料耐久性水平和結構安全性水平；（2）服役過程中各種自然環境因素的負面影響；（3）服役過程中各種人為的影響。橋梁結構處于復雜的環境中，環境具有侵蝕作用，使橋梁材料、構件及結構性能出現不同程度的退化[1]。

以我國為例：橋梁在大氣環境和海洋環境下會出現鋼筋銹蝕，從而造成鋼筋與混凝土黏結力減小、混凝土表層開裂；凍融損傷造成混凝土表層剝蝕；硫酸鹽侵蝕導致材料強度降低，造成混凝土從材料到構件再到結構一系列的失效表現，最終結構使用性能、剛度及承載力下降，實際使用年限減少。圖3列出了我國混凝土橋梁在環境作用下耐久性失效的過程及成因。

圖3 我國公路橋梁主要耐久性失效的成因圖示

2 橋梁耐久性設計方法

2.1 經驗設計法和定量設計法

從20世紀八九十年代開始，各國逐漸意識到橋梁耐久性與壽命間的相關性，學者們對耐久性設計方法開展了大量的研究，并將研究成果體現在各國規范或指南中。表1列出了主要國家的現行混凝土橋梁（結構）耐久性設計規范。

表1 國內外現行混凝土橋梁（結構）耐久性設計規范一覽表

日本土木學會（JSCE）在1989年提出了累計評分方法（指數法），并于1990編制了《混凝土結構耐久性設計指南》[10]。該指南采用了與結構設計相同的思路，要求耐久性指數大于或等于環境指數，并為各耐久指數特征值制定了詳盡的打分規則。

1989年歐洲CEB也提出了耐久性設計方法。1995年歐盟資助了一項名為Duracrete的研究項目[11]，旨在發展以性能和可靠度分析為基礎的混凝土結構耐久性設計方法，并在2010年出版了《混凝土結構耐久性設計指南》[12]。

美國ACI 201委員會1992年提出了“混凝土耐久性設計指南”，2000年又對該指南進行了修改[13]。我國2004年頒布了《混凝土結構耐久性設計與施工指南》（CCES 01—2004）[14]，2008年頒布了國家標準《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T 50476—2008）[15]，2019年該規范修訂為GB/T 50476—2019[16]。

總結國內外現行耐久性設計規范中的設計方法，主要可分為兩種，一種為經驗設計法，另一種為定量設計法。從表1中可看出，大部分規范對耐久性設計采用經驗方法，即將耐久性設計作為常規設計的補充，對于不同環境作用等級下的混凝土構件，直接規定混凝土材料的耐久性質量要求和鋼筋保護層厚度等構造要求，以滿足結構的耐久性需要。它們的體系框架大致相同，條文規定的具體數值有所差異。

隨著對混凝土耐久性機理的進一步認識，一些國家提出了耐久性極限狀態的概念，認為耐久性設計存在著一個“設計—驗算—設計”的循環過程，這是定量設計法。定量設計法重視耐久性驗算，CEB-FIP 2010規范建議了4種方法對耐久性進行驗算，包括全概率法、分項安全系數法、條文說明法和避免退化方法。

全概率法在目前的設計階段中還處于理論研究階段，尚未有規范實際采用，僅有CEB-FIP 2010規范概括性地提出了用于耐久性設計的全概率法。在全概率方法下，必須保證混凝土碳化作用引起的耐久性失效概率小于目標值。

分項安全系數法對混凝土碳化過程的設計，CEB-FIP 2010規范提出了相應的分項安全系數法的驗算公式。日本的JSCE設計指南也采用了分項安全系數法，驗算過程中涉及到的時間點均采用設計使用壽命。

條文說明法是在編寫規范或指南時事先為設計人員制定可依據的標準，美國的AASHTO規范、我國的《混凝土結構耐久性設計規范》均采用了條文說明法。避免退化方法是在耐久性設計時，采取必要措施避免鋼筋的去鈍化，這樣就不用進行耐久極限狀態的驗算。

以上耐久性驗算的4種方法各具特點，也有各自的適用范圍和局限性：全概率法具備最全面的設計能力，可以全面表達結構耐久性設計狀態，但對基礎研究要求較高，目前研究水平完全無法達到；分項安全系數法不僅可以充分表達基于性能的設計思想，而且在當前研究條件下也是可實現的；條文說明法和避免退化方法則具備簡潔易用的特點，但其無法有效區分結構和構件在耐久性設計過程中的性能差異，達不到結構設計日益增長的精細化需求。

2.2 耐久極限狀態

橋梁結構耐久性定量設計應明確結構和構件的耐久性極限狀態。CEB-FIP 2010規范所考慮的耐久性極限狀態的類別分為正常使用極限狀態、承載能力極限狀態；日本JSCE指南與我國《混凝土結構耐久性設計規范》僅考慮正常使用極限狀態。

三種規范規定的耐久性極限狀態匯總于表2。從中可看出，CEB-FIP 2010規范規定了與耐久性有關的極限狀態驗算可使用全概率法、分項安全系數法，給出了碳化、氯離子侵蝕、凍融環境下的耐久極限狀態，定義了5種極限狀態；JSCE指南使用分項安全系數法驗算，規定了碳化、氯離子侵蝕、凍融環境下的3種耐久極限狀態；《混凝土結構耐久性設計規范》對定量計算方法給出了指導性建議，并未給出計算方法或計算模型，規定了碳化、氯離子侵蝕、凍融環境下的耐久極限狀態，定義了3種耐久極限狀態。

表2 耐久極限狀態及驗算方法比較表

3 耐久性設計基本流程

對國內外混凝土結構耐久性設計方法的調研結果顯示，大部分規范都選擇了類似的設計流程，總結為如圖4所示的耐久性設計流程圖。具體步驟如下：

圖4 橋梁耐久性設計流程圖

（1）首先確定橋梁及構件的設計使用壽命，以及所在區域的耐久性環境參數。

（2）根據給定的環境區劃形式對結構所受環境影響情況做出判斷，確定耐久性極限狀態，在滿足正常使用極限狀態設計前提下進行耐久性驗算。

（3）根據各規范和指南中明確提出的強制性規定和指導性建議，結合設計人員自身的經驗，從結構受力性能和耐久性能角度出發，對結構形式、構件尺寸、材料、施工等方面提出初步的設計要求。

（4）最后根據一定的耐久性驗算準則和方法對混凝土結構的耐久性能進行驗算。如滿足驗算通過，則進行構造及管養設計；如不通過，則重新選定耐久性設計參數，直至通過驗算。

4 結 語

本文圍繞混凝土橋梁使用壽命和耐久性設計方法開展研究，主要得出以下結論：

（1）典型環境作用于混凝土橋梁，導致從材料到構件再到結構一系列的失效表現，最終結構使用性能、剛度及承載力下降，影響橋梁使用壽命。耐久性問題是造成橋梁實際使用壽命不滿足設計使用壽命的主要原因。

（2）橋梁耐久性設計方法分為經驗設計法和定量設計法。定量設計法重視耐久性驗算，是更為科學的設計方法。4種定量設計法中目前以分項系數法最為實用。未來規范中的耐久性設計方法的發展趨勢，是由經驗設計方法向定量設計方法轉變，而定量設計法是由條文分析法和避免退化方法向分項系數法和全概率分析法轉變。

（3）我國橋梁耐久性規范僅采用經驗設計法和條文分析法，未給出具體的計算模型和方法，與歐盟規范有一定差距，仍有待進一步完善，以適應我國橋梁設計需求，保障橋梁設計使用壽命。

（4）本文給出了給定壽命的混凝土橋梁耐久性設計流程，將耐久性能設計與力學性能設計有機結合起來，為橋梁耐久性設計提供了一個整體系統的思路。