浅析桥梁的耐久设计

2012-03-23胡贵超

城市建设理论研究 2012年4期

胡贵超

摘要：此文就是解析桥梁耐久性不足的地方，并提出桥梁耐久设计的问题。

关键词：桥梁结构；耐久设计

Abstract: this article analysis the durability of the Bridges is the insufficient place, and put forward the design of the bridge durability.

Keywords: bridge structure; Durable design

中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：

1前言

现由于混凝土的广泛使用，使得身边环境的多样化，混凝土结构受环境的损坏也极具增加，混凝土的耐久和寿命问题，已成为现交通所关注的问题。环境下的结构不同，对结构的耐久性也是不同的。结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能的能力称为结构的可靠度。结构的基本功能是由其用途决定的，包括结构的安全性、适用性和耐久性。因此，结构的耐久性也是影响结构可靠度的重要因素。

2结构耐久性不足的原因分析

國内外大量调查分析发现，引起混凝土结构耐久性不足的原因存在于环境影响、结构设计、施工及维护等各个环节。

2.1环境影响不容忽视

桥梁的施工及使用环境总是与设计的环境有一些差别，因此环境的影响是非常重要的。混凝土的抗拉强度大约是其抗压强度的10％，由于早期的水化热影响、干缩应变反应强烈，加上环境温度、湿度、日晒雨淋、冲击荷载的影响，混凝土结构很容易产生裂缝。开裂后，由于水分子、氯离子的侵入，导致钢筋面层的钝化，从而使钢筋腐蚀，破坏了钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力，其直接后果是钢筋与混凝土不能很好的协同工作。混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱，最终导致结构的耐久性破坏。

2.2设计理论和结构构造体系欠完善

虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求，但是，这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计条文中，导致在工程设计中普遍存在重视结构强度设计而轻视甚至忽视结构耐久性设计、重视承载能力极限状态而不重视正常使用极限状态、重视结构的建造而不重视结构的维护等现象。许多设计人员从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护以及从设计、施工到使用全过程等方面去加强和保证结构的耐久性和安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大：有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄：这些都削弱了结构耐久性。虽然可能满足了设计规范的强度要求，仅用了几年就因为结构耐久性出了问题，影响结构安全。

另外在前些年，有些学者和设计人员倡导桥梁结构混凝土构件的优化和轻型化，常常以过密的钢筋配置细小的结构断面。过密的钢筋导致钢筋间的骨料和胶结材料不多，且粗、细骨料分布不均匀，振捣施工非常困难，难以保证钢筋混凝土构件的密实度和强度，容易形成蜂窝麻面。断面小、钢筋配置过密导致不易保证保护层厚度的最低要求，造成混凝土构件表面抗碳化年限不足，以致钢筋锈蚀，影响了结构的耐久性和安全性。

2.3施工和管理水平欠规范

施工过程中的施工和管理水平欠规范（如野蛮施工和管理不当等）是造成桥梁结构耐久性不足的重要原因，其主要表现在以下几个方面：

（1）混凝土配合比的计量不准，变异性较大；

（2）施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括原材料质量低劣和施工工艺不合格等；

（3）个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题；

（4）混凝土保护层厚度的控制不严，有些直接导致露筋；

（5）钢筋未作防锈处理，其间距疏密不一，粗、细骨料分布不均匀，混凝土振捣不密实；

（6）施工现场的严重的构件开裂问题，主要原因包括：水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等；

（7）拆模时间控制不好或支模、拆模方法不对，引起早期裂缝。

3桥梁结构耐久性设计

3.1总体设计

长期的实践证明，裂缝控制并不是结耐久性设计的唯一内容。增加耐久性设计是结构设计理念上的重大突破，是工程结构科学的重大技术进步，对提高设计质量具有重大的指导意义。以下以某大桥的施工图设计为例来阐述结构性耐久设计。桥梁结构的总体设计，应主要考虑以下几点：

（1）结构可靠度、耐久性是时间的函数，这是由于荷载是时间的函数，材料性能也是如此。例如，使用期分别为 30、50、100、120年的桥梁结构，若要保证到使用期末都具有相同的可靠概率，则所选择的截面尺寸或所用的材料强度必然是使用期长者大于使用期短者。同时，要求采用变异系数较小的高性能钢材和高性能混凝土，以提高相应的可靠度指标和耐久性。

（2）桥梁病害分析是全寿命管理中的一个必要环节。人为因素也是一个必须考虑的因素，例如，一个工人不小心丢了一颗烟头，很可能这个小病害引起一场大火，导致桥梁结构的破坏。病害分析之后，在全寿命管理中，尽量消除桥梁病害，以达到提高结构耐久性的可能。所设计的结构在设计基准期内，应经济合理地满足下列功能要求：在偶然事件发生时及发生后，能保持必要的结构稳定性和耐久性。

（3）运用可靠性修正理论，通过现场数据（如标准车辆下的位移、应变、应力等）的测定，修正、推断出当前阶段的可靠度指标。对于判断结构是否达到使用寿命，具有重要的意义。一般，我们认为可靠性指标β为3及以上的结构是可靠的，基于本桥梁的重要性，按可靠性指标为4进行设计（实际结构可能达到5～6左右）。分析可靠性修正后的结果，如可靠性指标 β 降为 3或以下，则需要进行维护，否则可以不用维护、继续使用。这样就为是否需要维护提供了一个定量的指标，避免了不必要的维修经费。相应的经费，可以投入到桥梁系统中更有需要的维护中，从而在固定数量的维护经费下，进行系统调配，从而保证整个路桥系统的正常运转。

（4）重视对疲劳损伤、破坏的研究。桥梁结构及构件承受的动荷载很大，而且加载次数频繁，容易产生疲劳损伤乃至破坏。组成桥梁构件的各种材料，如钢筋、混凝土等，并非是均匀和连续的，实际上存在许多微观的裂缝，在循环动荷载作用下，这些微裂缝会逐渐发展，以至于形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起结构的脆性断裂。由于本工程的设计基准期为120年，比较长，结构设计必须验算其疲劳性能指标。事实上，国内外调查结果表明，有些桥梁破坏是在较低荷载，低温下突然脆性断裂的。冲击试验结果说明大多数钢材在正常使用温度下是脆性的，因此本工程必须选用韧性较好、变异系数较小（如产自同一钢厂、同一批成品、同样存储条件等）的高性能钢材。

（5）充分重视桥梁的超载问题。桥梁超载现象在我国公路运输中较为普遍，桥梁设计应充分重视这一点。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，导致构件的开裂弯矩降低、刚度下降，将使得桥梁在正常使用荷载下的应力及变形状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。

3.2结构设计

具体涉及到桥梁结构设计中的耐久性设计，可从以下几个方面着手：

（1）正确认识和掌握结构本质和结构构造措施对构件耐久性的影响。

（2）优先选用高性能钢材：高屈服强度，高水平的断裂韧性、焊接性能好、耐腐蚀。

（3）优先高性能混凝土：耐磨的HPC司以使桥面有更好的耐久性：一般来说，HPC能减少结构的尺寸，增加结构的使用寿命和耐久性。对重要的水中下部结构（如桩基、承台、墩柱及帽梁），建议用高性能混凝土取代普通混凝土，以满足《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设[2005]157 号）的相应技术指标的要求。

（4）对耐久性要求较高的结构物，选用结构重要性系数上限值1.1。

（5）尽量选用箱形断面，提高结构的整体刚度，减轻桥梁的疲劳振动。

（6）对重要性结构，如果业主对造价不是控制得很严的话，地面以上的混凝土构件外表面建议作“混凝土涂装防护”。混凝土表面防腐涂层执行交通部JTJ275-2000标准。

（7）在广东地区，设计要满足结构混凝土耐久性的基本要求，即按新桥梁规范JTGD62-2004第二类环境（滨海环境）选用。

（8）最小混凝土保护层厚度：按新桥梁规范JTGD62-2004表9．1．1中第二类环境选用，例如：主梁和墩柱主筋40mm、箍筋25mm；桩基可用净保护层50mm或70mm。对该公路大桥，由于位处海洋环境中，可以加大一些混凝土保护层，甚至在构件外包一层素混凝土，以防止构件的腐蚀和破坏。

（9）采用全预应力结构，对主桥纵、横向均施加预应力，保证截面在使用阶段不出现拉应力，防止结构出现裂缝。

（10）使用环氧涂层钢绞线和钢筋，以防止钢绞线和钢筋腐蚀。

（11）在混凝土中，添加适量的硅粉，以防止氯离子的侵入导致钢筋的腐蚀。

（12）在桥面铺装上，使用环氧沥青混凝土，以增加强度、耐磨性及密实度。

（13）考虑超载问题：考虑到过境的大型货柜车比较多，桥梁设计荷载可以适当放大，如1.5x公路-I级或2x汽-超20等。

（14）混凝土配合比设计：不仅要考虑混凝土强度的要求，还要考虑混凝土的耐久性。

（15）对于普通钢筋混凝土构件，严格控制其裂缝宽度，如控制在0.1mm以内。