橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘要 為確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和正常使用要求，文章從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求、材料性能衰減、施工質(zhì)量控制等方面總結(jié)了可能降低橋梁耐久性的因素，提出了橋梁材料和構(gòu)件耐久性具體要求，探討了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法與耐久性狀態(tài)方程在橋梁耐久性設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 橋梁結(jié)構(gòu)；耐久性；影響因素；設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào) U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）06-0147-03

0 引言

隨著公路交通網(wǎng)的不斷完善，橋梁結(jié)構(gòu)作為公路關(guān)鍵構(gòu)造物，其建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，重要性也尤為突出。同時(shí)，對(duì)橋梁行車安全性和舒適性要求也更加嚴(yán)格。由于橋梁工作運(yùn)營(yíng)環(huán)境因素多變，結(jié)構(gòu)邊界條件和受力復(fù)雜，在外界環(huán)境及車輛荷載共同影響下，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能出現(xiàn)不同程度損傷，降低橋梁耐久性和正常使用能力，甚至?xí)?dǎo)致橋梁坍塌。國(guó)外有學(xué)者為說(shuō)明橋梁耐久性的重要性，提出“五倍法則”，比如設(shè)計(jì)階段為控制造價(jià)，選擇較小的保護(hù)層厚度，那么運(yùn)營(yíng)期間處理鋼筋銹蝕將付出五倍的代價(jià)[1]。然而，工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)有時(shí)只關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，容易忽略結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性，即使橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，如果耐久性不滿足要求，也容易導(dǎo)致橋梁在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)各種病害[2]。因此，進(jìn)一步研究橋梁耐久性設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容十分必要。

1 橋梁耐久性關(guān)鍵影響因素探討

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)橋梁耐久性的影響

1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求問(wèn)題

橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)方案在比選時(shí)一般只針對(duì)施工方法、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，很少考慮橋梁結(jié)構(gòu)耐久性。比如鋼筋保護(hù)層厚度和混凝土標(biāo)號(hào)選取、橋梁防水構(gòu)造設(shè)計(jì)、橋梁結(jié)構(gòu)防腐要求等選擇不合理，均會(huì)造成橋梁耐久性較差。

1.1.2 計(jì)算因素考慮

橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮橋梁運(yùn)營(yíng)環(huán)境因素，或加載時(shí)對(duì)施工方法、施工順序等了解不清，或?qū)炷列熳儭⑹湛s、溫度應(yīng)力等因素影響未考慮全面等。利用有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，單純地追求結(jié)構(gòu)單元的精細(xì)程度，從而忽略了結(jié)構(gòu)邊界約束等，也會(huì)導(dǎo)致橋梁耐久性設(shè)計(jì)不滿足要求。

1.2 材料性能對(duì)橋梁耐久性的影響

1.2.1 鋼筋銹蝕

當(dāng)鋼筋外的保護(hù)層出現(xiàn)開(kāi)裂、局部缺損等現(xiàn)象，鋼筋鈍化膜破壞并銹蝕，隨著鋼筋表層的腐蝕，會(huì)逐漸降低其有效斷面面積，減少力學(xué)性能，導(dǎo)致整體橋梁的承載力下降。橋梁混凝土腐蝕情況屬于電化學(xué)銹蝕，在表面腐蝕的過(guò)程中發(fā)生陽(yáng)極和陰極的反應(yīng)，水和氧氣同時(shí)發(fā)生作用的情況下，經(jīng)過(guò)時(shí)間的沉淀，鋼筋表層會(huì)逐步加速侵蝕，具體化學(xué)反應(yīng)公式：陽(yáng)極Fe→Fe2++2e，陰極O2+2H2O+4egt;4OH?。

橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕過(guò)程按照其發(fā)展程度一般分為幾個(gè)階段，最初出現(xiàn)侵蝕問(wèn)題屬于孕育期，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，高速侵蝕進(jìn)入發(fā)展期，對(duì)橋梁造成一定破壞進(jìn)入破壞期，最終導(dǎo)致高危。在其有破壞性之后，就會(huì)導(dǎo)致混凝土剝落，必須進(jìn)行整體修繕，否則，鋼筋銹脹會(huì)進(jìn)一步破壞混凝土結(jié)構(gòu)，危害橋梁運(yùn)營(yíng)安全性。

1.2.2 混凝土凍融

橋梁結(jié)構(gòu)混凝土是一種多孔隙的材料，當(dāng)其工作環(huán)境溫度小于0 ℃，孔隙和微裂紋中充滿的水分會(huì)凝結(jié)成冰，使混凝土體積變大產(chǎn)生凍脹壓力。一旦混凝土內(nèi)的凍脹壓力大于其容許應(yīng)力，混凝土內(nèi)部微裂紋會(huì)擴(kuò)展或產(chǎn)生新的裂紋。當(dāng)混凝土工作環(huán)境溫度大于0 ℃，溫度不斷升高的時(shí)候，孔隙中的水會(huì)化成水，水會(huì)繼續(xù)滲入混凝土孔隙中。如此反復(fù)凍融，會(huì)導(dǎo)致混凝土的孔隙和微裂紋不斷擴(kuò)大，從外部不斷向內(nèi)部延展破壞，橋梁結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下的耐久性系數(shù)Kn可用公式（1）計(jì)算。耐久性系數(shù)越大，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性受凍融循環(huán)作用的影響越大[3]。

（1）

式中，P——混凝土經(jīng)過(guò)N次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量（%）；N——凍融循環(huán)次數(shù)。

1.2.3 混凝土碳化

橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中含有的大量堿性成分和空氣中的CO2反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生碳酸鈣，使橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)混凝土碳化現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)碳化后，混凝土的酸堿值會(huì)變小，處在其中的鋼筋酸堿環(huán)境會(huì)變化，更容易被侵蝕，加速橋梁結(jié)構(gòu)耐久性變差。

影響橋梁結(jié)構(gòu)混凝土碳化速度的關(guān)鍵因素有三個(gè)方面：①二氧化碳濃度。一般情況下，CO2的含量越高，混凝土中的孔隙和微裂紋也會(huì)變大，鋼筋處在酸性環(huán)境中，混凝土碳化速率會(huì)變快。②空氣濕度。空氣濕度與混凝土孔隙和微裂紋中的水分含量密切相關(guān)。空氣濕度越大，其水分含量越高，混凝土越容易碳化。③混凝土強(qiáng)度。混凝土的強(qiáng)度是反映橋梁結(jié)構(gòu)的孔隙率和密實(shí)度的重要指標(biāo)，強(qiáng)度越大，孔隙率會(huì)越小，橋梁密實(shí)度越高，二氧化碳難以與混凝土接觸，會(huì)在很大程度上降低其碳化速度。

混凝土碳化反應(yīng)對(duì)橋梁耐久性的影響大小可用碳化深度衡量。碳化深度Xc的計(jì)算可用Alexeyev carbonation碳化模型，見(jiàn)公式（2）：

（2）

式中，D——CO2在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；C——橋梁結(jié)構(gòu)工作環(huán)境中的CO2濃度；t——混凝土碳化時(shí)間。

1.3 施工過(guò)程對(duì)橋梁耐久性造成的影響

在運(yùn)營(yíng)初期，很多橋梁就會(huì)出現(xiàn)耐久性的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，在施工過(guò)程中不滿足施工規(guī)范和設(shè)計(jì)是出現(xiàn)此類問(wèn)題的重要原因。施工期間經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題有四種：①水灰比不當(dāng)。為了工期進(jìn)度以及施工效率，工人在實(shí)際操作過(guò)程中，隨意改變水灰配比，使得混凝土孔隙變大。②施工期間水泥使用量過(guò)大。施工單位為了趕工期，隨意增加水泥用量，以求快速達(dá)到設(shè)計(jì)要求的早期強(qiáng)度。水泥用量過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致一系列后果，定型后混凝土容易開(kāi)裂。③不按設(shè)計(jì)要求施工。施工人員在澆筑混凝土試振搗不密實(shí)（漏振、少振）、保護(hù)層厚度不滿足設(shè)計(jì)要求、鋼筋綁扎不牢、不設(shè)置沉降縫或伸縮縫等。④養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。混凝土澆筑完成后沒(méi)有及時(shí)養(yǎng)護(hù)，使得橋梁結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生坑槽、麻面等外觀損傷。

2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)要求

橋梁結(jié)構(gòu)工作環(huán)境復(fù)雜多變，也使得橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性具有較大的不確定性和隨機(jī)性。為確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)時(shí)間能達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，需從材料耐久性要求和結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求兩方面開(kāi)展耐久性設(shè)計(jì)。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)材料耐久性要求

2.1.1 混凝土

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境類別、作用等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限等因素選擇混凝土標(biāo)號(hào)（如表1所示），確保混凝土材料滿足橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，且不小于規(guī)范要求的最低強(qiáng)度等級(jí)[4]。

2.1.2 鋼筋

為了滿足橋梁結(jié)構(gòu)耐久性需求，直徑較小的熱軋鋼筋作為受力主筋時(shí)，只能使用Ⅰ類或Ⅱ類環(huán)境中。使用在Ⅰ類環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用年限要不大于50年。使用在Ⅱ類環(huán)境中，設(shè)計(jì)使用年限不大于30年。同時(shí)，冷加工鋼筋不宜作為預(yù)應(yīng)力筋使用。直徑較小的冷加工鋼筋作為受力鋼筋，只能使用在Ⅰ類或Ⅱ類環(huán)境中，且設(shè)計(jì)使用年限不大于50年。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性構(gòu)造要求

2.2.1 保護(hù)層構(gòu)造要求

橋梁耐久性降低和鋼筋被腐蝕有極大的關(guān)聯(lián)，而保護(hù)層的厚度直接影響鋼筋的受腐蝕程度。鋼材腐蝕是導(dǎo)致橋梁耐久性降低的關(guān)鍵因素，而保護(hù)層厚度直接決定了鋼筋銹蝕程度和速率。由公路橋涵混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范可知：普通鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)大于鋼筋公稱直徑。如果鋼筋為束筋，其保護(hù)層厚度應(yīng)大于束筋等代直徑。先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋的保護(hù)層厚度定義與普通鋼筋完全一致，后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋的保護(hù)層厚度為管道外緣至混凝土表面距離，其值應(yīng)大于0.5倍管道直徑。滿足橋梁結(jié)構(gòu)耐久性鋼筋保護(hù)層最小厚度取值可參考表2[5]：

相關(guān)研究表明，加大鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)橋梁工程的總預(yù)算影響較小，卻能大幅度地改善橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，提高其使用性能。考慮到橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際施工誤差，在設(shè)計(jì)階段可結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況將混凝土保護(hù)層厚度提高1～2 cm。

2.2.2 防水構(gòu)造要求

水以及水中含有的化學(xué)成分是引起鋼筋銹蝕、混凝土凍融的關(guān)鍵，在橋梁耐久性設(shè)計(jì)時(shí)必須重視防水構(gòu)造設(shè)計(jì)，減少水向橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的滲入。橋梁的防水層材料應(yīng)具有良好的抗?jié)B性、耐高溫或低溫性能，并能牢靠地粘接在水泥混凝土橋面和瀝青面層間。此外，橋面防水層材料的壽命不小于面層壽命，以確保其在橋面鋪裝的整個(gè)設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)都能發(fā)揮作用。

2.2.3 伸縮縫構(gòu)造要求

伸縮縫的所處環(huán)境相對(duì)暴露，長(zhǎng)期與空氣結(jié)合，同時(shí)與車輛進(jìn)行直接接觸且在反復(fù)碾壓的過(guò)程中更容易受到破壞，其修復(fù)也相對(duì)困難。當(dāng)伸縮縫受到破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題，除了行駛車輛過(guò)程中會(huì)受到一定顛簸之外，橋梁結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)受損，運(yùn)營(yíng)壽命會(huì)大打折扣，耐久性變低，所以在前期就應(yīng)本著“易維修、易更換”的理念且綜合實(shí)地情況進(jìn)行伸縮縫設(shè)計(jì)。

3 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

3.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

橋梁耐久性的設(shè)計(jì)目標(biāo)：經(jīng)過(guò)一定年限的使用，橋梁的各種功能在與環(huán)境發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)后，仍然滿足行駛需要。國(guó)內(nèi)外的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法可分為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和定量設(shè)計(jì)法兩類，如表3所示[6]：

由表3可知，國(guó)內(nèi)外大部分規(guī)范都是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法來(lái)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)展耐久性設(shè)計(jì)，即將耐久性設(shè)計(jì)作為橋梁常規(guī)設(shè)計(jì)的補(bǔ)充。設(shè)計(jì)人員在只需要先判斷出橋梁所處的工作環(huán)境，并查表得到相關(guān)耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)即可。耐久性經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法沒(méi)有復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，主要適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中小跨徑橋梁。

3.2 基于可靠度理論的橋梁耐久性設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)可靠度是指在設(shè)計(jì)使用年限和工況下，橋梁保持其使用性能的可能性。可將影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素劃分為荷載S和抗力R兩個(gè)獨(dú)立變量，則其耐久性狀態(tài)方程可表達(dá)為式（3）：

Z=R?S（t） （3）

式中，R——橋梁結(jié)構(gòu)的廣義抗力；S（t）——橋梁結(jié)構(gòu)的廣義作用效應(yīng)，是一個(gè)隨機(jī)函數(shù)，與橋梁工作環(huán)境、混凝土特性、運(yùn)營(yíng)時(shí)間等因素密切相關(guān)。

當(dāng)耐久性狀態(tài)方程Z＞0，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性滿足使用要求；耐久性狀態(tài)方程Z＝0，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性處于臨界狀態(tài)；耐久性狀態(tài)方程Z＜0，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不滿足使用要求，即設(shè)計(jì)失效。橋梁耐久性失效概率P可用一次二階矩法計(jì)算，其計(jì)算要點(diǎn)就是將非線性功能函數(shù)線性化、將非正態(tài)隨機(jī)變量進(jìn)行正態(tài)變化，見(jiàn)公式（4）～（5）：

（4）

（5）

式中，μz、σz——分別為控制變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；β——橋梁耐久性設(shè)計(jì)可靠度。

綜上，基于可靠度理論的橋梁耐久性設(shè)計(jì)法計(jì)算復(fù)雜，需考慮橋梁在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的所有荷載和抗力，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大跨度橋梁設(shè)計(jì)效果更佳。

4 結(jié)論

該文主要分析了橋梁耐久性影響因素、材料和構(gòu)造的耐久性要求，并探討了國(guó)內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法，得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平、鋼筋銹蝕、混凝土凍融、混凝土碳化、施工質(zhì)量不佳等因素都會(huì)影響橋梁耐久性。

（2）為了保證橋梁耐久性，需根據(jù)環(huán)境類別、作用等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限等選擇混凝土標(biāo)號(hào)、鋼筋保護(hù)層厚度等，并控制好橋梁防水構(gòu)造和伸縮縫構(gòu)造質(zhì)量。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法可分為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和基于可靠度理論的橋梁耐久性設(shè)計(jì)法兩類，前者適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中小跨徑橋梁，后者適用于大橋和特大橋。

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