王勇

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

我国桥梁建设事业飞速发展，桥梁设计水平也逐步达到国际领先水平，按照可持续设计理念，在桥梁的结构安全、材料耐久、造型美观、功能适用等方面有了较大的突破，并形成了科学合理的设计规范。但是在桥梁的实际使用过程中，随着承载轴次的增加，或多或少的出现了结构疲劳老化、安全性降低、局部破损、耐久性不足等问题，这一方面与施工质量管理及后期的管理养护有关，另一方面与设计过程中没有采取合理结构设计有关，因此本文从设计角度来分析公路桥梁的耐久性问题，探讨提高桥梁耐久性设计的措施。

1 公路桥梁设计中耐久性分析的重要性

公路桥梁的耐久性是指桥梁结构在使用过程中对环境作用及荷载作用的抵抗能力，在一定的时间内，保障其安全和适用性。桥梁在使用过程中经受环境因素和荷载的反复作用，会出现结构强度下降，材料性能降低，疲劳损伤等状况，影响桥梁的使用安全。在工程实践中寻找影响桥梁耐久性的原因，并积极寻求解决措施，在设计中采取合适的措施来提高公路桥梁的耐久性，有利于增加桥梁的使用年限，提高通行的安全性，提高投资利用率，也有利于完善我国桥梁耐久性设计的规范方法，提高桥梁设计水平。

2 目前耐久性设计中存在的问题

国内外大量研究分析和实践证明引起桥梁结构耐久性不足及失效的原因在于结构设计、施工及养护的各个环节，通常表现在混凝土产生裂缝、破碎，钢筋发生锈蚀、脆化，钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用减小等[1]，如图1所示，桥梁耐久性不足不仅影响到其正常使用，也导致资金的浪费。目前耐久性设计中存在的问题主要体现在下列几个发面：

1）公路桥梁方案设计中在结构体系、受力分析、经济性预算方面考虑的较多，在结构材料、维护及耐久性等方面缺少考虑，因此就会导致所设计的桥梁整体性不足、局部受力不均、构件截面尺寸不满足要求等，导致桥梁的耐久性下降。

图1 公路桥梁耐久性不足引起的病害

2）目前关于桥梁设计的耐久性理论还有待完善，大部分桥梁在设计使用年限到达之前就做了拆除或更换，因此设计人员和管养人员往往对桥梁使用的耐久性认知不足，只重视强度的极限状态，而不重视使用的极限状态。设计中往往将耐久性当作一种概念，或者按照规范套用满足耐久性要求即表示所设计的结构符合要求，并没有根据实际使用条件去深度挖掘可能会导致桥梁耐久性下降的因素和解决措施，例如在沿海地区氯离子含量高，就需要设计严格的条件，进行钢筋的保护处理，不能只按照规范简单的套用。

3）设计人员的专业素质有待于提高，目前设计院设计人员的学历水平较好，大多都是应届毕业生，这就产生了这部分设计人员的现场经验不足的现象，在耐久性分析中许多细节的处理上存在欠缺。此外尽管国内外进行了诸多的研究，但是研究成果并没有转化，与实际建设存在脱节现象，目前国内桥梁的耐久性构造也比较少，对实际的应用研究也带来困难。

3 耐久性退化机理分析

桥梁耐久性与材料及结构耐久性退化及结构耐久性设计方法有关。钢筋混凝土结构在环境条件下会引起物理变化发生表面磨损、冻融破坏，发生化学变化溶出型、溶解型侵蚀，此外由于碳化及CL-侵蚀引起钢筋锈蚀，自身的碱-骨料反应，也会导致材料的耐久性下降[2]。结构的耐久性退化一方面是由于构件之间的联结强度下降，锈后构件的承载能力、粘结锚固性能、锈蚀量增大等会导致钢筋混凝土强度下降，裂缝宽度加大。另一方面在进行耐久性评估时采用环境指数评定法、随机动态可靠度方法时选择的环境因素过少，或者环境参数选择的不恰当，也会导致桥梁的耐久性不足，提前出现破损状况。

4 提高公路桥梁耐久性设计的有效措施

4.1 规范耐久性设计过程

在桥梁的耐久性设计时，需要明确耐久性设计过程的主要工作，规范化设计流程，增加设计的严谨程度。首先需要确定桥梁的设计寿命，明确桥梁结构的耐久性极限；第二，需要进行环境效益分析，分析桥梁耐久性的劣化因素并进行机理分析，找出原因加以克服；第三需要选择合适的耐久性模型，确定耐久性设计参数，进行常规计算，并对结果加以修正；最后将耐久性参数应用到最终的设计中。

在确定耐久性寿命时，需要明确构件耐久性终结的极限状态，可分为材料的耐久性极限状态、截面的耐久性极限状态及结构耐久性极限状态，如图2所示为曲线1、2为氯离子和碳化作用引起的钢筋混凝土性能随时间变化，曲线3表示预应力混凝土结构性能随时间的变化，在设计过程需要明确不同情形下的耐久性极限，合理的确定耐久性寿命，积极借鉴现阶段研究成果，将研究成果应用于桥梁的耐久性设计中。

图2 不同条件下的极限转态对比

4.2 完善桥梁耐久性设计参数

现行规范中根据环境类别设计最低混凝土强度等级和钢筋的最小保护层厚度，但是设计者往往习惯于直接取最小保护层厚度作为设计采用值。根据相关研究表明[3]，钢筋混凝土结构性能与空气湿度有较大关系，在全国的重点城市进行温度湿度调查，年平均气温和湿度相近的城市在环境类别划分上差距较大，因此在耐久性设计中需要完善参数设计，既要考虑现阶段环境因素的影响，也要适当的增加考量因素，尽可能在设计中模拟真实环境的影响。

4.3 加强桥梁的防水设计

桥梁防水是保障桥梁构造和防腐的第一道屏障，在设计中需要加强桥梁的防水和排水设计。桥梁的防水设计需要遵循整体性原则，建立可检、可修、可换的防水体系，在主梁内需要建立良好的通风和排水系统，保持主梁的干燥环境，桥台和背墙要达到快速排水的要求，在桥面板和边梁做好防水措施，采用可更换构件和涂层来保护钢筋。要注重细节设计，保证结构设计的可施工性。

5 结语

公路桥梁的耐久性需要合理的设计、严格的施工控制、良好的管养条件才能够保证，耐久性设计有利于提高公路桥梁的服务年限，降低全寿命周期成本，因此有必要提升桥梁的耐久性设计水平、理念及方法。本文所提出的耐久性设计过程、耐久性参数完善方法及防排水设计可有效改进现阶段的桥梁耐久性设计，同时作为一个系统工程，耐久性的设计方法还需要在今后的研究与实践中不断总结和完善。