橋梁結構耐久性的影響因素及優化設計研究

陳志超

（惠州市道路橋梁勘察設計院,廣東 惠州 516001）

0 引言

隨著經濟的發展和城市化進程的加速建設，橋梁作為城市交通基礎設施的重要組成部分，承載著人們出行和物流運輸的重任。然而，由于自然環境和不可避免的荷載作用影響，橋梁結構的耐久性問題日益凸顯。橋梁結構損壞和壽命縮短嚴重影響了城市交通的正常運行，給社會經濟發展帶來了巨大隱患。所以，首要任務是通過深入了解橋梁在使用過程中所面臨的各種環境因素和荷載作用，揭示橋梁結構損傷和老化的機理，為設計和養護管理提供科學依據。針對這些因素提出的優化設計方法，能夠有效提高橋梁結構的抗風、抗震、防腐蝕等性能，從而延長橋梁的使用壽命，降低維修和更換成本。

該文旨在系統研究橋梁結構耐久性的影響因素及其優化設計方法，為橋梁工程的可持續發展提供理論和實踐指導。通過結合實地橋梁觀測，探索橋梁結構的耐久性問題，并提出一系列切實可行的優化設計方法，以期能夠為城市橋梁的安全運行和長期可持續發展提供有效保障。

1 橋梁結構耐久性的影響因素

1.1 材料因素的影響

橋梁結構所采用的材料是決定其耐久性的重要因素之一。選擇合適的材料可以有效延長橋梁的使用壽命，并提高其抗壓、抗拉和抗腐蝕性能。以下是一些常用的耐久性較好的材料及其特性：

（1）高強度鋼材：高強度鋼材具有出色的強度和韌性，能夠承受較大的荷載，并在極端條件下保持結構的穩定性。其優點包括重量輕、施工方便以及可回收再利用等。

（2）混凝土：混凝土被廣泛應用于橋梁結構中，具有很好的抗壓和耐久性能。通過添加適當的摻合料和進行優化設計，混凝土可以進一步增強其抗震、抗裂和防水性能，提高橋梁的使用壽命。高性能混凝土具有更高的抗壓和抗裂性能，以及更好的耐久性。通過優化配合比、使用優質的原材料和進行充分的養護，提高橋梁結構的耐久性。

（3）復合材料：復合材料由纖維增強材料和基體材料組成，具有優異的力學性能和耐腐蝕性。復合材料的使用可以減輕橋梁自重、增加結構剛度，并提高抗震和抗腐蝕性能。

（4）耐候鋼：耐候鋼能夠在大氣環境中形成致密的氧化膜，從而具有較好的耐腐蝕性能。它可以減少橋梁的維護需求，延長使用壽命。

1.2 環境因素的影響

自然環境中的溫度變化、濕度和潮濕環境等因素對橋梁結構具有一定的影響。環境中氣候變化會引起橋梁結構的疲勞和腐蝕現象。主要表現形式包括橋梁混凝土碳化、鋼筋銹蝕以及混凝土凍融破壞等問題[1]。溫度變化對橋梁結構的影響較為顯著。當溫度升高時，橋梁結構會發生膨脹，從而可能導致構件之間產生過大的內力，甚至出現熱裂縫。而溫度下降會引起橋梁結構的收縮，導致構件的變形和應力集中，周期性的溫度變化會加劇橋梁結構的疲勞破壞。

1.2.1 橋梁混凝土碳化

混凝土碳化過程比較復雜。水泥熟料中含有的主要礦物成分為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁酸四鈣。水泥熟料經水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。混凝土碳化是指大氣中的二氧化碳與水反應生成碳酸性物質，進而與混凝土中的堿性物質發生中和反應，導致混凝土pH 值降低的現象。影響混凝土碳化程度的因素包括材料特性和外部環境，見表1。

表1 橋梁混凝土碳化影響因素

1.2.2 鋼筋銹蝕

橋梁結構耐久性的重要影響因素之一是鋼筋銹蝕。當橋梁結構中的鋼筋暴露在潮濕環境或受到化學污染時，可能會發生銹蝕現象導致鋼筋的斷裂和截面積減小，進而降低鋼筋的抗拉強度和承載能力。同時，銹蝕還會引起周圍混凝土的開裂，破壞混凝土的保護層，使得混凝土易受環境侵蝕和荷載作用的影響，嚴重影響其使用壽命和結構安全性。

1.3 裂縫的影響

橋梁上裂縫的原因是多方面的，常見的包括氣候變化、外部荷載作用和結構老化等因素。裂縫的出現輕微時可能只會影響橋梁的美觀度，但嚴重情況下可能會導致橋梁整體穩定性下降甚至發生坍塌。通常情況下，微小的裂縫對橋梁的承載能力和耐久性影響較小，但如果裂縫寬度過大，則可能引起混凝土碳化、結構凍融損傷和鋼筋銹蝕等問題，從而影響橋梁的使用壽命[2]。對于橋梁裂縫的治理，需要綜合考慮多種因素，并采取有效的措施，以確保橋梁的結構完整性和使用壽命，涉及設計、施工、維護等方面的工作，需要專業人員的參與和科學管理。

2 橋梁耐久性優化設計研究

橋梁結構的耐久性優化設計是確保橋梁在長期使用過程中能夠保持良好性能和安全的重要任務。近年來，因橋梁耐久性問題造成的坍塌事故引起了人們的高度重視，所以要從各個環節對橋梁的耐久性進行研究[3]。橋梁結構的使用壽命建議值如表2。

表2 橋梁結構使用壽命

2.1 材料的合理選擇

橋梁作為承載交通運輸、連接陸地交通網絡的重要基礎設施，其材料的選擇直接決定了其使用壽命和安全性能。合理選擇材料可以有效地提高橋梁的抗氧化性、抗腐蝕性和機械性能，從而延長其壽命并降低維護成本。故提高混凝土結構耐久性的關鍵在于混凝土材料的合理選取[4]。

（1）水泥的選用。水泥的選用對橋梁結構的耐久性至關重要。合理選擇水泥強度等級、抗滲透性和耐久性，并考慮其工程性能，可以提高橋梁結構的耐久性和可靠性。通過考慮水泥的強度、耐久性、特殊環境要求和可持續性等方面的因素，可以確保橋梁結構在長期使用中具有較好的穩定性、安全性和可靠性。

（2）骨料的選用。骨料的強度和穩定性是影響混凝土耐久性和承載能力的重要指標。合適的強度和穩定性的骨料可以提供堅固的骨架支撐混凝土，增加混凝土的抗壓能力和耐久性。高強度的骨料適用于承受大荷載的橋梁結構，而低強度的骨料則適用于小型橋梁結構。通過合理選擇骨料的強度和穩定性，可以提高橋梁結構的耐久性。

（3）控制水灰比和水泥用量。水灰比是指水與水泥、礦物摻合料等固體成分的比例，而水泥用量則是指在混凝土中使用水泥的數量。合理控制水灰比可以顯著影響混凝土的強度和耐久性。較低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗滲性，從而減少水分和有害物質的滲透，延長橋梁結構的使用壽命。同時，合適的水灰比還可以提高混凝土的強度和耐久性，增加對外界力的承載能力。

2.2 做好現場管理

橋梁工程施工現場管理對項目進展和安全至關重要。主要有兩個方面需要注意。第一，季節性施工管理。不同地區氣候條件存在差異，季節更替也會影響施工進度和質量。施工方應了解氣候變化對施工場地的影響，并采取相應措施應對極端天氣，防止對橋梁結構造成破壞。定期觀測氣候條件、研究歷史數據，制定合理的季節性施工方案，以確保橋梁的耐久性。第二，施工設備管理。施工設備狀態直接關系到施工效率和橋梁工程質量。為確保橋梁結構的耐久性，施工單位應完善設備管理方面的相關制度。為方便管理，可以靈活運用日常檢修與信息技術進行融合。建立施工場地全程、實時的設備管理體系，利用信息技術的實時反饋、及時發現設備的情況，在提高設備利用率的同時保證設備能夠正常使用，以此來達到提高橋梁結構耐久性的效果。

2.3 嚴把施工質量

（1）控制混凝土用水量。控制混凝土用水量可以有效減少混凝土的孔隙率和滲透性。通過降低用水量，可以使混凝土中的水膠比降低，從而減少混凝土內部的孔隙數量和尺寸，提高混凝土的致密性，阻止水分和有害物質的滲透，延長橋梁結構的使用壽命。過高的用水量會導致混凝土內部產生較大的收縮和溫度應力，增加裂縫和剝落的發生和擴展風險。因此，在設計和施工過程中，合理控制用水量可以減少這些問題的發生，保證橋梁結構的整體穩定性和安全性。

（2）振搗和養護質量控制。合理控制振搗和養護質量對于提高混凝土的密實性、強度和耐久性至關重要。通過科學合理的振搗操作和養護措施，可以保證混凝土的致密結構形成和早期強度發展，從而提高橋梁結構的耐久性和安全性。

科學合理的養護是保證混凝土早期強度發展和耐久性提高的關鍵環節。養護過程中，應注意控制溫度和濕度，確保混凝土的水化反應能夠順利進行。確保有充足的養護時間，使混凝土充分發展強度和抗裂性能，有利于提高橋梁結構的耐久性。同時在振搗過程中，應確保振動設備的質量和穩定性，減少振搗不均勻帶來的問題。

3 橋梁耐久性優化設計工程案例

3.1 工程概況

惠州市某城鎮規劃了一座跨越江河的主要交通橋梁，為確保橋梁的安全和正常運行，工程團隊決定進行橋梁結構耐久性和結構優化設計。對橋梁取樣并進行相關研究，旨在研究橋梁材料及結構對耐久性、抗腐蝕性的影響。

3.2 橋梁混凝土碳化影響

根據圖1 中未碳化與碳化混凝土梁的荷載—撓度曲線對比結果可知，橋梁混凝土碳化后，結構所能承受的荷載有所提高，但極限撓度減小。一般情況下，橋梁混凝土的碳化深度比較小基本與鋼筋的保護層厚度相當，對橋梁結構的影響較小。混凝土碳化對混凝土結構造成的最不利后果主要還是鋼筋銹蝕問題[5]。

圖1 碳化與未碳化混凝土橋梁的荷載－撓度曲線（kN）

3.3 橋梁裂縫寬度對鋼筋銹蝕影響

相關研究結果表明，橋梁結構裂縫寬度和其中的鋼筋銹蝕程度之間存在密切聯系，如圖2 所示給出了裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度的關系。根據圖2 的結果顯示，可以觀察到混凝土裂縫的寬度與鋼筋發生銹蝕的嚴重程度之間存在著一定的關聯性。如果混凝土裂縫的寬度較大，鋼筋就更易發生嚴重的銹蝕問題。當混凝土裂縫的寬度在0.1 mm 以下時，鋼筋發生各種銹蝕的程度處于相近的水平。

圖2 裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度曲線

當混凝土裂縫的寬度超過了0.2 mm 時，鋼筋發生嚴重腐蝕程度上升至73%。這意味著混凝土裂縫寬度的增加會使鋼筋受到更大程度的氧化侵蝕，從而導致鋼筋的腐蝕損傷變得更加嚴重。

通過這些數據可以得出結論，控制混凝土裂縫的寬度對于減少鋼筋銹蝕問題是非常重要的。保持混凝土裂縫寬度在可控范圍內，例如不超過0.1 mm，將有助于減少鋼筋的銹蝕程度，提高結構的耐久性和使用壽命。這也提示著在橋梁設計和施工過程中，應該注意混凝土質量、施工工藝等因素，以有效控制裂縫的產生和擴展，從而保護鋼筋免受嚴重銹蝕的影響。

4 結語

通過對橋梁結構耐久性的影響因素及優化設計進行研究，該文得出了以下結論：

（1）自然環境中的溫度變化、濕度與潮濕環境等因素，以及交通荷載和自身重力等荷載作用都會對橋梁結構產生影響。而合理選擇抗腐蝕、抗疲勞、抗裂紋的擴展性能良好的材料，能夠有效延長橋梁的使用壽命。

（2）防護措施和養護管理對橋梁結構的耐久性具有重要影響。而保持混凝土裂縫寬度在可控范圍內，例如不超過0.1 mm，將有助于減少鋼筋的銹蝕程度，提高結構的耐久性和使用壽命。