橋梁設(shè)計中的結(jié)構(gòu)耐久性問題研究

汪曉霞

混凝土橋梁是最主要的一種橋梁結(jié)構(gòu),在我國的公路、市政建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。橋梁通常處于惡劣的環(huán)境中,在運行中除了要承受車輛、風(fēng)、地震等荷載作用以外,還要受到外部環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕,混凝土材料會不斷退化,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)各部位出現(xiàn)不同程度的損傷。實際橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍重視強度設(shè)計而忽視耐久性設(shè)計。實踐反復(fù)證明,橋梁結(jié)構(gòu)由于耐久性失效所產(chǎn)生的維護(hù)、修復(fù)費用大大高于建造時的一次性投入。橋梁耐久性問題雖然不僅是設(shè)計原因引起的,施工、選材也是重要影響因素,但設(shè)計是橋梁結(jié)構(gòu)功能最基本的保障,因此在橋梁設(shè)計中應(yīng)將橋梁結(jié)構(gòu)物的高耐久性作為重要的設(shè)計原則,統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié),應(yīng)使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)易于檢查、維修。本文重點闡述怎樣在設(shè)計中提高橋梁的耐久性。

1 耐久性的影響因素

1.1 環(huán)境因素

2002年出版的新混凝土規(guī)范增加了有關(guān)耐久性的規(guī)定,混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別的劃分如表1所示,環(huán)境等級越高,說明結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境越惡劣,對結(jié)構(gòu)的耐久性越不利。混凝土的抗拉強度約為抗壓強度的1/10,早期水化熱的影響使得混凝土干縮反應(yīng)劇烈,再加上環(huán)境濕度、溫度、日曬、雨淋及沖擊荷載的影響,混凝土結(jié)構(gòu)很容易開裂。開裂后,由于水分子、氯離子的侵入,鋼筋面層發(fā)生鈍化,從而使鋼筋腐蝕,進(jìn)而引起鋼筋表面與混凝土的化學(xué)粘結(jié)力遭到破壞,最終導(dǎo)致混凝土構(gòu)件強度和剛度逐漸削弱,結(jié)構(gòu)的耐久性不斷降低。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別

1.2 設(shè)計理論的不完善

工程設(shè)計中普遍重視強度設(shè)計,輕視乃至忽視結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計;重視結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)的分析,輕視正常使用狀態(tài)的分析;重視結(jié)構(gòu)的建造,輕視結(jié)構(gòu)的檢測和維護(hù)。這種設(shè)計觀念上的不完整,直接導(dǎo)致了設(shè)計規(guī)范中關(guān)于耐久性設(shè)計的欠缺,雖然也有部分條文提到耐久性設(shè)計方面的考慮,但也只是形式上的補充,沒有貫徹執(zhí)行的決心。許多設(shè)計人員目前尚不能從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造、材料、維護(hù)等方面以及從設(shè)計、施工到運行全過程加強和保證結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。設(shè)計出的橋梁結(jié)構(gòu)有些存在結(jié)構(gòu)整體性和延性不足,冗余性小;有些則是計算圖示不明確,造成局部受力過大;有些混凝土強度過低,保護(hù)層厚度過小,鋼筋直徑過細(xì)等,這些都會削弱橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

1.3 施工因素

眾所周知,施工過程因素多變,如果控制不好,結(jié)構(gòu)的質(zhì)量必然會受到影響。橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性也會受施工因素的影響。如混凝土澆筑中控制措施不當(dāng),導(dǎo)致漏筋;拆模方法不當(dāng)或拆模過早,引起早期裂縫;混凝土配合比計量不準(zhǔn),變異性較大等。施工過程控制的好壞決定著設(shè)計意圖能否得以實現(xiàn),即使耐久性設(shè)計十分完美,如果不能在施工中得以貫徹,結(jié)構(gòu)的耐久性仍然難以保障。因此,施工因素也是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。

2 設(shè)計中如何提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性

2004年新頒布的橋梁規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定了結(jié)構(gòu)混凝土在最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土強度等級、最大氯離子含量和最大含堿量等方面的要求,這是對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性最基本的要求。筆者認(rèn)為耐久性設(shè)計應(yīng)針對設(shè)計年限、結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別、荷載工況及不同的極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。

2.1 加大混凝土保護(hù)層的厚度

保護(hù)層是鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的保障,同時,對鋼筋也能起到保護(hù)作用,防止有害介質(zhì)侵入到混凝土內(nèi)部腐蝕鋼筋。有關(guān)研究表明,氯離子擴(kuò)散至鋼筋表面的時間與保護(hù)層厚度的平方成正比,而在碳化現(xiàn)象中,二氧化碳的擴(kuò)散速度也與保護(hù)層厚度密切相關(guān)。一般來講,保護(hù)層越厚,鋼筋表面免于侵蝕的時間就越長,鋼筋銹蝕的速度也就越慢,結(jié)構(gòu)就越耐久。由此可見,加大混凝土保護(hù)層的厚度有助于提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2 選材方面的考慮

優(yōu)選高性能的鋼材,如高屈服、高強度、高水平鋼材的斷裂韌性、焊接性能好,耐腐蝕等。使用環(huán)氧涂層鋼絞線和鋼筋,防止鋼絞線和鋼筋腐蝕。優(yōu)選高性能的混凝土,在橋面鋪裝中使用環(huán)氧瀝青混凝土,可以增加強度、耐磨性及密實度,從而使橋面有更好的耐久性。對于水中下部的橋墩,建議使用抗?jié)B性能好的混凝土,如采用普通硅酸鹽水泥,標(biāo)號不應(yīng)低于42.5,水泥含量不應(yīng)小于370 kg/m3,水灰比不大于0.45。混凝土配合比設(shè)計中,嚴(yán)格控制混凝土的有害裂縫。如選擇含堿量低的水泥,不使用堿活性的集料,避免將含氧化鎂或硫酸鹽的膨脹集料或生石灰碎塊混入集料中等。混凝土中氯離子含量對鋼筋腐蝕的影響極大,一般情況下,鋼筋混凝土中氯鹽摻量應(yīng)少于水泥重量的1%,摻氯鹽的混凝土必須振搗密實,且不宜采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。

2.3 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件選型方面的考慮

盡量選用箱形斷面,提高結(jié)構(gòu)的整體剛度,減輕橋梁的疲勞振動。盡量采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),對主橋縱、橫向均施加預(yù)應(yīng)力,保證截面在使用階段不出現(xiàn)拉應(yīng)力,防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。構(gòu)件斷面設(shè)計中,配置的鋼筋間距應(yīng)適當(dāng),方便振搗,使混凝土粗細(xì)骨料分布均勻,保證混凝土的密度和強度。混凝土外露面的邊緣、棱角和溝槽均應(yīng)呈圓弧形。

2.4 加強簡支梁端封頭混凝土及鉸縫施工質(zhì)量控制,避免梁頭和鉸縫滲水

在以往舊橋檢測和加固施工中發(fā)現(xiàn)在空心板封頭處,由于混凝土開裂,厚度過薄等原因,水從伸縮縫等部位沿著封頭的微小裂縫逐漸進(jìn)入空心板內(nèi)部,并很難排出來,長期侵蝕梁體混凝土和鋼筋。因此應(yīng)注重封頭混凝土施工質(zhì)量,確保混凝土密實。在鉸縫處,由于連接比較薄弱,加上施工質(zhì)量較差,許多橋梁在使用早期就出現(xiàn)鉸縫開裂,橋面鋪裝層沿鉸縫縱向開裂,橋面防水層開裂,鉸縫處嚴(yán)重滲水,板的翼緣混凝土碳化最為嚴(yán)重,部分鋼筋開始銹蝕。因此,從設(shè)計上要采取措施,加強鉸縫連接,避免單板受力,從而保證橋面防水層整體性不被破壞。

2.5 注重防水層的設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)布置一定的抗?jié)B、抗剪、抗拉的防水層,防水涂層與瀝青混凝土鋪裝層之間應(yīng)具有良好的相融性,二者之間的粘結(jié)力不應(yīng)低于瀝青混凝土鋪裝層與水泥混凝土橋面板之間的粘結(jié)力。另外,在橋面鋪裝層的頂面,特別是連續(xù)梁的負(fù)彎矩段,應(yīng)設(shè)置防水層。為避免水分從伸縮縫處滲入梁內(nèi),應(yīng)加強伸縮縫處的排水設(shè)計,注意排水管的設(shè)計,特別是水管周邊的構(gòu)造細(xì)節(jié)處。

3 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)的安全運行依賴于耐久性設(shè)計是否完備,依賴于后期檢測和維護(hù)是否得當(dāng)。作為橋梁耐久性保障的第一步,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計必須重視耐久性設(shè)計問題,從選材、選型等多個層面全面加強混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。實踐證明,橋梁耐久性問題還沒有得到充分重視,規(guī)范中關(guān)于耐久性設(shè)計的規(guī)定還不夠完善,需要設(shè)計人員結(jié)合工程經(jīng)驗,發(fā)揮主觀能動性,將耐久性設(shè)計的理念深入到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)之中,切實提供橋梁的耐久性。

[1]李 田,劉西拉.混凝土耐久性分析與設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

[2]陳艾榮,吳海軍.基于耐久性的橋梁設(shè)計的幾個原則[J].上海公路,2003(sup):116-121.

[3]彭棟木,馮建華.橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計[J].深圳土木與建筑,2006(3):47-49.

[4]陳肇元.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計方法[J].建筑技術(shù),2003,34(5):328-333.

[5]程 蕓.土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性與安全性[J].山西建筑,2008,34(11):89-90.