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混凝土桥梁结构耐久性设计探析

2014-03-27李翌程朱自立

城市道桥与防洪 2014年8期
关键词:耐久性桥梁混凝土

李翌程,朱自立

(湖南省农林工业勘察设计研究总院,湖南长沙 410007)

0 前言

在运行桥梁工程建筑时,工程安全受外界很多因素影响。此时,混凝土表现出来的抵抗能力被称为耐久性,这也是对桥体使用寿命的一个衡量指标。随着社会的发展和经济水平的提高,交通量在逐步增大,致使桥梁所要承受的荷载量逐渐变大。此时,混凝土以及所使用的材料因为时间过长而老化,再加上设计或者是施工过程中存在不足,都导致桥梁的耐用性降低,呈现出越来越多的病害与缺陷,更严重的是对结构的安全性造成威胁。在进行现行公路设计时,一般会重点突出桥梁的承载能力,却忽视了因为环境的变化而引发的材料劣化,导致结构的耐久性降低。这样,因为对耐久性缺乏足够的重视,而极易引发工程安全事故,从而增大修理费用,而且会降低结构的使用寿命,造成资源的严重浪费。可见,在进行混凝土桥梁结构设计时,必须针对这些问题,对设计技术进行优化,尽可能提高桥梁的使用寿命。

1 混凝土耐久性设计的内涵

1.1 混凝土耐久性设计的内容

对混凝土结构的耐久性设计主要有以下两方面:首先是选取合适的混凝土材料,其次是要合理控制裂缝宽度并且对结构的构件进行优化。在选用材料时,必须根据实际情况而定,按照环境的作用和类别等级以及设计的基准期等因素,选取不同的材料。与此同时,还必须尽可能降低工程造价,并秉承节能环保的理念。关于结构细部的优化,主要是指对构件进行防水、排水和防腐蚀处理。在这个过程中,必须本着严谨的科学态度来进行。如果桥体被水或者是化学物质腐蚀,必然会严重降低其安全性,缩短其使用寿命。对于一项工程而言,安全工作占据核心地位,而且必须确保设计的合理性才能够保证工程质量的可靠性。

对于我国的现行规范而言,虽然会考虑到环境因素的常见影响,但是并没有考虑到结构受力时,混凝土结构会受到什么影响。这样就会导致混凝土的耐久性受到影响时,混凝土保护层受到损坏,桥面铺装不坚固。可见,完善现行的规范以及相关规定,有助于提高桥梁结构的质量,然而这还有很长的路要走,需要经过很长时间的摸索来完善现行规范。

1.2 混凝土结构耐久性设计原则

在优化设计来提高混凝土结构耐久性的时候,需要设计人员具备加强的业务能力。首先,设计人员必须对提高混凝土结构的耐久性这一目标给予足够的重视,即做好桥梁预期设计使用年限的评估工作。此外,还必须掌握混凝土结构耐久性该通过怎样的标准来判断是否失效。当前,针对使用年限的问题,已经有了相当确切的规定,并将使用寿命总结为3种。但是,对于上述提及的失效标准并没有统一的规定与看法。相对于普通的混凝土结构来说,关于耐久性是否失效可以从以下两种方式来判断:第一,如果耐久性退化将导致结构发生变形,导致其正常使用功能受阻。这种失效主要是通过钢筋锈蚀开裂作为判定标准的。第二,混凝土结构性能降低,承载能力也是大大折扣,严重影响其正常使用。

2 桥梁耐久性差的主要原因

2.1 桥梁设计规范方面的不足

桥梁结构建设必须确保工程质量的可靠性,这需要一定的规范与规定来指导工程的开展。在进行建设工作时,所有工作的开展必须参照这些规定来执行,而且不可以任意更改。或者是说即使修改也要做出明文规定。需要指出的是,我国很多参考性规则一般具有强制性,而且具备法律效益,这是区别于国外规程的一个典型特征。我们对它的管理却没有与工程科学的发展脚步保持一致。例如,对于很多跨海大桥而言,缺乏适当的规范作为指导,导致其质量安全成为一个隐患。

2.2 设计和结构构造体系的缺陷

对于桥梁设计领域而言,结构耐久性引起了业内人士足够的重视,而且这是一个亟待解决的现实问题。在进行实际操作的过程中,设计人员往往过多地偏重于结构强度计算,以此来满足安全需求,但是却忽略了在整个过程(包括设计、施工以及投入使用)中的人为错误,因为这些人为错误也极有可能降低结构耐久性。如果某工程的整体性不高、计算图式不明确、混凝土强度不够等都可能降低结构耐久性。除此之外,根据环境以及使用条件的不同,设计者对结构体系设计提出了各种要求。为了确保结构的合理性和可靠性,在进行设计时必须按照一定的规范来进行。与此同时,还必须保证设计人员能够正确认识结构本性,根据自身多年工作经验来准确判断结构是否合理。

2.3 桥梁施工和管理方面的问题

目前,我国桥梁建设呈现出了明显的趋势,主要包括:工期相对比较紧张、任务相对比较繁重,如果某些施工过于野蛮或者是缺乏严格而完善的管理模式,那么就极有可能引发质量问题,导致桥梁坍塌。对引发这种现象的原因进行探究,可以发现这主要是因为施工没有按照设计要求来进行,而且材料的强度相对比较低,再加上施工工艺的不合理,都造成了施工质量不合格现象的出现。同时,也有很多桥梁存在偷工减料的问题,这也势必会缩短桥梁的耐久性。更为严重的是,有的桥梁没有经过长时间使用,就已经产生了耐久性不足的现象,这与桥梁质量低下是密不可分的。如果钢筋的保护层受到破坏,或者是施工现场的构件出现开裂问题,都会导致桥梁的耐久性不足。

3 混凝土桥梁结构耐久性设计的措施

3.1 加强对桥梁结构耐久性的研究

在建造桥梁并投入使用的过程中,外界环境、有害的化学物质等都会对桥梁造成一定的侵蚀,而且还在负载强大的外界负荷,这无疑对桥梁的质量提出了严峻的考验。同时,如果材料自身性能退化,这就导致桥梁结构被损坏,逐渐呈现劣化的趋势。从上世纪的80年代开始,我国已经建造了很多斜拉桥,虽然并没有呈现倒塌现象,却不得不提前换索来保证拉索的耐久性,这样就造成了严重的经济浪费。

许多质量问题的出现是由于缺乏合理的耐久性设计而造成的。这就为人们敲醒了警钟,使人们对桥梁的耐久性问题给予重新认识。经过大量的事实证明,施工和材料两个方面的原因,造成了桥梁的耐久性降低。可见,是设计上的缺陷决定结构的耐久性不高。

一直以来,人们都注重研究结构计算方法,但是却没有对总体构造和细节处理给予足够的重视。结构的耐久性设计是有别于常规结构设计的,因此需要推动耐久性研究实现定性向着定量的方向发展。

3.2 加强对桥梁结构疲劳损伤的研究

对于桥梁结构而言,需要承受很重的荷载。其中的车辆和风荷载都是动荷载,这会使得结构产生应力,既可能引发结构振动又可能引发结构疲劳。桥梁的建设过程中所使用的材料并不均匀也不连续,而是有很多缺陷的。随着荷载的不断增大,这些微小的缺陷就很有可能逐渐被扩大,形成严重的损伤,再继续扩大就会形成可见的宏观裂纹。如果得不到合理的控制,这些宏观裂纹就可能引发脆性断裂。需要指出的是,这些早期疲劳不易察觉,但极有可能导致严重的灾难性后果。

在钢桥设计过程中,疲劳损伤是亟待解决的核心问题。由于结构疲劳所引发的钢材开裂是比较常见的,而且由于疲劳断裂所引发的断桥的案例数不胜数。对近20年的桥梁现状进行研究发现,对于疲劳损伤的研究已经涉及到混凝土的结构,同时依然需要加强对于动态性能和疲劳性能等方面的研究。疲劳损伤的研究不仅是对于整个桥梁结构而言的,而且要需要考虑局部疲劳,并尽可能减少因为局部疲劳所引发的桥梁结构坍塌。

3.3 加强对“超载”的管理

车辆超载也是引发桥梁结构出现疲劳损伤的一个重要原因,但是其所带来的后果却是在超规范范围之内的。

车辆超载可以分为以下三种情况:第一,如果桥梁修建过早,那么势必会出现严重的超龄负载运营现象;第二,桥梁通行的车辆已经严重超负荷,超过了原设计。还有一种是车辆违规超载现象的出现。对于前面两种情形产生的原因进行总结,发现这是由于设计荷载不断浮动以及交通量不断增大所引发的。后一种情况是车辆的使用者出现严重的违法超载现象。

桥梁的超载会带来非常严重的后果,增大了疲劳应力幅度,而且导致不可逆内部损伤。这样会导致桥梁也不适应正常负荷,难以维持正常的工作状态,这将会对桥梁的安全性造成威胁,降低其耐久性,这就势必会造成桥梁的使用寿命缩短。更为严重的是,超载可能会引发结构破坏。目前,桥梁超载现象十分严重,成为亟待解决的问题。因此,要积极借鉴国外的经验,学习其先进、合理的做法,从质量管理以及行政性超载管理等几个方面来提高桥梁耐久性。

3.4 推广使用防腐技术,提高结构耐久性

目前,我国修建了很多桥梁,然而由于钢筋混凝土的质量易出现问题而引发地带裂缝,这就会导致桥面的水渗入到桥梁之中,对其产生腐蚀。可见,钢筋的锈蚀问题亟待于解决。为此,从国外引进先进的环氧树脂涂层钢筋制造技术,并进行批量生产,这都有利于提高桥梁结构的耐久性。

4 结语

随着社会的发展,桥梁在人们生活中的地位日渐提升,因此这就获得了越来越多的关注。目前,混凝土结构是一种十分普遍的桥梁结构,但是这种结构的低耐久性也是有目共睹且亟待解决的难题。因为桥梁的耐久性低不仅会降低桥梁的耐久性,而且会对人们的生命财产安全造成威胁,造成很大的经济损失。可见,研究混凝土结构的耐久性是一项具有重要研究意义的课题。寻找提高耐久的有效措施,并不断优化设计,防患于未然,将有助于建设高耐久性的桥梁,更好地推动经济发展。

[1]张喜军,刘洋.浅谈桥梁混凝土结构的耐久性[J].黑龙江交通科技,2005(4):49.

[2]刘缨,张显军,王景波.钢筋混凝土桥梁的耐久性[J].黑龙江交通科技,2001(1):61-62.

[3]晋向平.混凝土结构耐久性初探[J].山西建筑,2005(7):34-36.

[4]王月.关注混凝土结构耐久性与安全性的问题 [J].中外建筑,2003(1):46-47

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