市政橋梁耐久性設計分析研究

楊顯

摘要 文章以研究東灌渠大橋耐久性設計為實例，對橋梁結構形式選擇、設計標準選用、環(huán)境作用等級劃分、鋼筋混凝土材料、保護層厚度確定方法、裂縫寬度控制、后張法預應力混凝土預制小箱梁、鋼筋混凝土防腐蝕措施等各項耐久性設計技術指標進行全面分析研究，滿足了市政橋梁耐久性設計的目標，該耐久性設計控制方法對類似市政橋梁的耐久性設計具備一定的借鑒意義。

關鍵詞 橋梁；耐久性；設計標準；環(huán)境等級；材料；保護層厚度；抗裂；防腐措施

中圖分類號 U442.5 文獻標識碼 B 文章編號 2096-8949（2023）16-0066-03

0 引言

城市化的發(fā)展催生了大量的市政橋梁建設，取得了豐富的設計經驗，但同時也暴露出橋梁耐久性設計的不足，例如橋梁運營后出現(xiàn)早期裂縫、支座破壞、混凝土碳化深度超標、鋼筋銹蝕等問題與橋梁耐久性設計存在一定的關系。根據(jù)有關文獻，國內橋梁中約30%以上的橋梁面臨結構性損傷缺陷及功能性失效等潛在隱患[1]。市政橋梁使用年限設計方面，小橋30年、中橋及重要小橋50年，特大橋、大橋、重要中橋100年。若橋梁建成通車后的耐久性不足，將造成重大安全隱患和經濟損失，因此重視落實橋梁耐久性設計工作是避免或減少橋梁病害的重要手段。在設計階段，根據(jù)橋梁類別合理確定耐久性設計技術指標至關重要，東灌渠大橋的橋梁結構耐久性設計貫徹了這一重要思想，提升了耐久性設計的水平。

1 工程概況

清遠市東灌渠大橋為河濱路控制性工程，其為跨越興徑水電站東灌渠而設，擬建橋梁全長約170 m。清遠市年平均氣溫20.7 ℃，最低氣溫為1月份，最高氣溫為7月份，年平均日照1 662.2 h，年平均降雨量1 900 mm，每年無霜期平均為314.4 d，年平均濕度70%～99%，在進行橋梁耐久性設計時，應充分考慮上述氣候特點。

2 橋梁結構形式比選

橋梁結構形式有拱橋、斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋、簡支梁橋等類型，不同類型橋梁耐久性設計特點有所差異、經濟性及施工質量控制難度不同。采用拱橋設計方案時，拱座存在巨大水平推力，根據(jù)地質勘察報告橋址范圍地質不適用拱橋方案。斜拉橋、懸索橋一般用在大跨度橋梁設計，工程造價高、施工難度相對大，擬建橋梁全長約170 m并不適合采用。連續(xù)梁橋設計方案可分為掛籃現(xiàn)澆箱梁、預制節(jié)段箱梁拼裝，采用現(xiàn)澆時不能與橋梁下部結構平行作業(yè)因此施工工期較長，采用節(jié)段拼裝時拼裝質量控制難度相對大。簡支梁橋具有受力體系明確可靠、維修方便、耐久性設計可靠、經濟等優(yōu)勢，上部結構采用預制梁設計時可平行于下構施工，對于170 m長的橋梁具有很強的適用性。因此，東灌渠大橋選擇采用簡支梁橋設計方案，上部結構采用4×40 m先簡支后橋面連續(xù)裝配式預應力混凝土小箱梁，按簡支梁橋結構特點進行耐久性設計控制。

3 橋梁設計標準確定方法

市政橋梁設計標準主要根據(jù)市政城市橋梁設計規(guī)范（2019版）[2]結合擬建橋梁特點進行確定。擬建橋梁全長約170 m，道路等級為城市主干路，擬建橋梁為大橋，橋梁設計基準期及使用年限應為100年，設計荷載采用汽車荷載城－A級、人群荷載3.2 kN/m²，橋梁設計安全等級采用一級，橋面防水等級Ⅰ級、防水層使用年限應大于或等于15年。管線過橋設計標準：污水管、電壓高于10 kV電纜、燃氣管（壓力大于0.4 MPa）；腐蝕性或有毒的氣、液體管不納入設計過橋范圍；其余管線過橋設計時采取有效的安全保護設計措施。

4 環(huán)境作用等級劃分

環(huán)境作用直接影響到橋梁結構耐久性，地下水和土腐蝕性影響最為明顯。環(huán)境溫度和濕度的變化，都會對橋梁造成影響，會腐蝕橋梁的建筑材料，長時間使用，就會影響橋梁的質量[3]。因此，地質勘察的準確性、環(huán)境作用等級劃分合理性對耐久性設計在一定程度上起到決定性作用。

4.1 地質環(huán)境等級

根據(jù)地質勘察，橋址處地下水無味無色、透明狀。經化學分析：場地內地下水類型為HCO₃^?gSO₄2^?—Na⁺gCa²⁺和HCO₃^?gC1^?—Na⁺gCa²⁺型水，pH=7.3～7.4，呈中性；礦化度屬于淡水；侵蝕性CO₂為3.92～4.91 mg/L。按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版）標準判定：該場地環(huán)境類別為Ⅱ類，土層透水性為B類；綜合判定地下水對混凝土結構以及鋼筋混凝土結構中的鋼筋都具有微腐蝕性。對土層取樣進行土易溶鹽化學分析結果為pH=7.0～7.4，中性～堿性，SO₄^2?=35～39 mg/kg，在Ⅱ類環(huán)境中對鋼筋混凝土結構具微腐蝕性。綜合判定土對混凝土結構和鋼筋混凝土結構中的鋼筋均具有微腐蝕性。

4.2 橋梁結構環(huán)境作用等級

市政橋梁缺乏耐久性設計規(guī)范，但市政橋梁與公路橋梁使用功能基本一致，因此采用公路工程混凝土結構耐久性設計規(guī)范[4]（下文簡稱“公耐規(guī)”）作為擬建市政橋梁耐久性設計的主要依據(jù)。擬建橋梁分類為大橋、使用壽命100年，結合地質勘察結論土和水對鋼筋混凝土結構具有微腐蝕性的特點，橋梁結構耐久性設計的環(huán)境作用等級類別應劃分為I類，即一般環(huán)境，影響結構劣化主要為混凝土碳化，設計時應控制碳化引起鋼筋銹蝕。橋墩處于水中，水位變化引起橋墩干濕交替，因此橋墩應按I-C類一般環(huán)境作用等級進行耐久性設計。清遠市年平均濕度70%～99%，蓋梁和上部結構按I-A類一般環(huán)境作用等級進行耐久性設計，一般環(huán)境作用等級分類如表1所示。

5 材料及混凝土耐久性設計

5.1 水泥耐久性設計控制指標

水泥是混凝土材料重要構成，其質量對混凝土承強度與使用耐久性有著決定性影響[5]。應采用質量穩(wěn)定、低水化熱和堿含量較低的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，細度應小于 350 m²/kg、水泥的堿含量不得大于0.6%、水泥中鋁酸三鈣含量應小于8%，選用硅酸二鈣含量較高的水泥用于承臺等大體積混凝土。

5.2 混凝土碎石、砂的耐久性設計控制指標

應采用級配、粒徑（碎石針片狀顆粒含量≤7%）符合要求，吸水率低≤2%、潔凈、堅硬（碎石壓碎指標≤10%）、無有害雜質、無堿活性的碎石（堿含量≤1.8 kg/m³）的碎石、砂用于混凝土配制，應對碎石、砂進行堿活性檢驗合格后使用。碎石最大公稱粒徑應小于鋼筋最小凈間距的75%，密布鋼筋構件中，應小于鋼筋最小凈距的50%，結構最小邊尺寸的25%。

5.3 礦物摻合料及水的耐久性設計

采用優(yōu)質復合礦物摻合料，堿含量應通過試驗測定可溶性堿含量。橋梁預應力混凝土采用F類I級粉煤灰、普通鋼筋混凝土采用Ⅱ級粉煤灰，燒失量應小于8%，需水量比應小于105%，比表面積應高于350 m²/kg，硅灰摻量應小于膠凝材料總用量9%。水應清潔，不得含有影響水泥凝結的雜質，嚴禁使用污水、pH值≤5的水和海水用于混凝土拌制。

5.4 外加劑耐久性設計

應通過試驗驗證各類外加劑相容性以及對混凝土性能的不利影響。外加劑中的氯離子總含量應小于膠凝材料總質量0.02%，硫酸鈉含量應小于減水劑干重的12%，優(yōu)先采用聚羧酸類減水劑。

5.5 混凝土耐久性設計控制

應對混凝土的配合比、強度等級、氯離子含量、堿含量耐久性設計指標進行控制。擬建橋梁設計使用年限為100年的最低預應力混凝土強度等級為C40、橋墩蓋梁橋臺混凝土等級為C30，承臺及樁基礎混凝土等級為C25，為保障設計施工可靠度，對預應力混凝土、普通混凝土提高一個等級（5 MPa）設計。同時，當結構受力驗算結果的混凝土強度等級高于耐久性混凝土強度等級時應采用受力驗算相應等級強度的混凝土，經驗算小箱梁的混凝土強度等級為C50。水泥用量過低易造成混凝土強度不足，過高易產生高水化熱反應，因此需確定混凝土最大水膠比控制值及水泥用量的合理區(qū)間，在施工前通過試配確定施工配合比。擬建橋梁設計預制小箱梁C50混凝土最大水膠比0.36、水泥材料用量360～480 kg/m³；墩臺C35混凝土最大水膠比0.5、水泥材料用量300～400 kg/m³；承臺樁基C30混凝土最大水膠比0.55、水泥材料用量280～400 kg/m³。氯離子對鋼筋混凝土耐久性影響大，混凝土中總的氯離子含量，鋼筋混凝土不大于0.1%，預應力混凝土不大于0.06%[6]。

6 保障橋梁耐久性設計措施的分析

6.1 混凝土保護層厚度設計分析

根據(jù)“公耐規(guī)”結合擬建設橋梁特點，預制小箱梁鋼筋混凝土保護層最小厚度為20 mm、墩臺蓋梁為25 mm、承臺和樁基礎為40 mm。同時，應對氯離子侵蝕條件下的混凝土結構壽命進行驗算保護層最小厚度。當厚度小于“公耐規(guī)”規(guī)定的厚度時，按“公耐規(guī)”規(guī)定取值；當厚度大于“公耐規(guī)”規(guī)定的厚度時，按驗算厚度取值。設計使用年限內混凝土保護層厚度計算方法常用氯離子侵蝕下混凝土壽命預測模型，原理為Fick第二定律，即：在非穩(wěn)態(tài)擴散過程中，在距離x處，濃度隨時間的變化率等于該處的擴散通量隨距離變化率的負值?c/?t=-D?²C/?x²。國內外基于此原理，通過模型修正有四種主流計算方法。國內常以CECS評定法作為混凝土預測壽命的模型，其參數(shù)少，具有較強的通用性，其耐久性極限狀態(tài)依次為鋼筋開始銹蝕、混凝土表面銹脹開裂、混凝土保護層出現(xiàn)最大容許外觀損傷。因此，東灌渠大橋采用CECS評定法進行混凝土保護層厚度設計驗算。

6.2 混凝土的抗裂設計

裂縫對橋梁結構耐久性影響巨大，因此需要合理地進行抗裂設計。根據(jù)“公耐規(guī)”東灌渠大橋普通混凝土裂縫容許值0.20 mm，可采用預應力B類構件進行設計，裂縫寬度容許值為0.10 mm。東灌渠大橋預應力構件為預制小箱梁，考慮結構重要性，小箱梁按部分預應力混凝土A類構件設計，其正截面混凝土的拉應力不超過規(guī)定限值。小箱梁現(xiàn)場濕接縫混凝土應摻入適量膨脹劑進行抗裂。

6.3 防排水設計

水是發(fā)生鋼筋銹蝕、凍融破壞、堿－骨料反應的重要誘因，所以做好橋梁防水設計是提高橋梁耐久性的有效舉措[7]。橋面瀝青混凝土鋪裝層之下，即在水泥混凝土整體化層上應采用防水涂料設計。防水涂料性能應具有黏結、防滲、耐熱、冷柔、抗碾壓、耐腐的特點。橋面排水應進行專項設計，以達到雨水及時排出的效果。

6.4 預制小箱梁的后張預應力體系耐久性設計

鋼絞線采用環(huán)氧涂層進行防腐，錨具涂防腐涂層，預應力管道采用塑料波紋管，采用微膨脹且強度等級高于箱梁混凝土等級的細石混凝土對埋入式預應力錨頭進行封端，其水膠比應小于梁體混凝土的水膠比0.36，保護層厚度應大于50 mm。預應力施工質量是影響耐久性的一個關鍵環(huán)節(jié)，設計文件應明確施加預應力時采用智能張拉設備，采用設計張拉控制力與伸長量雙控措施，以確保預應力施加滿足設計要求；采用智能壓漿施工工藝以確保預應力管道內壓漿料的飽滿。

6.5 防腐蝕設計措施

為提高橋梁耐久性，擬建橋梁的樁基、承臺、橋墩、橋臺采用混凝土內摻鋼筋阻銹劑方式進行鋼筋阻銹，要求阻銹劑的性能在鹽水浸烘環(huán)境中鋼筋腐蝕面積減少95%以上。對于常水位以下的橋墩、埋設于土下橋臺、承臺采用成膜型涂料進行混凝土表面處理設計以提高耐久性，成膜型涂料技術指標要求如表2所示。

7 耐久性施工及養(yǎng)護質量的設計交底

橋梁耐久性設計目標的實現(xiàn)離不開施工環(huán)節(jié)的落實。橋梁開工前，設計人員應對參建單位進行耐久性設計交底，重點對影響橋梁結構耐久性的施工和養(yǎng)護環(huán)節(jié)進行詳細交底，以貫徹耐久性設計意圖。嚴格控制混凝土原材料、鋼筋、鋼絞線以及混凝土質量，混凝土施工的工藝、防裂、防腐及保護層厚度控制措施到位，錨下有效預應力及預應力管道壓漿飽滿度滿足設計要求、明確混凝土養(yǎng)護及時性及持續(xù)時間要求等。

8 結語

東灌渠大橋橋型結構為簡支梁，其結構可靠度高，有利于設計施工的耐久性控制。合理選取設計標準和環(huán)境作用等級的準確判定為耐久性設計奠定基礎。該文通過對水泥、碎石、砂、水、礦物摻合料和外加劑技術指標、混凝土耐久性設計指標、保護層厚度設計方法，以及抗裂、防排水、預應力、防腐、耐久性設計交底等影響橋梁結構耐久性的因素進行分析研究，并將控制方法和成果應用到東灌渠大橋耐久性設計中，提升了市政橋梁耐久性設計水平。

參考文獻

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