論橋梁結構耐久性設計

程玉梅

（貴州省交通規劃勘察設計研究院，貴州 貴陽 550001）

前言

混凝土橋梁結構耐久性問題是耐久性研究中的重要組成部分。橋梁建設是國家重要的基礎建設之一，橋梁工程是關系到社會和經濟協調發展的生命線工程。橋梁建設的快速發展，巨大的資金投入，在經濟社會中的顯赫作用，使得人們對橋梁的安全性、耐久性越來越重視。由于環境影響、日益增長的交通量以及公路運輸業經常提倡提高汽車荷載標準，因此許多既有橋梁不能滿足為設計新橋而規定的結構要求；劣化和荷載增加也導致了橋梁可靠性的降低，橋梁的可靠度最終可能降低到規定的水平之下，因此需要經常根據橋梁的安全性和耐久性作出決策。

分析混凝土橋梁130余年的發展歷程不難發現，從素混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土、部分預應力混凝土，以至預應力鋼筋混凝土，每一步都含有與混凝土耐久性作斗爭的內容。

1 混凝土橋梁耐久性設計病害原因分析

橋梁工程是一個由許多結構件組成的一個系統結構，各結構件不僅本身要有足夠強度和耐久性，而且組合到整個橋梁中也要滿足全橋安全性和耐久性，引起混凝土橋梁結構耐久性失效的原因存在于結構的設計、施工及維護的各個環節。以往的乃至現在的結構工程設計中，普遍存在著重強度設計而輕耐久性設計的現象。同時，不合格的施工也會影響混凝土結構的耐久性，常見的施工問題如混凝土質量不合格、鋼筋保護層厚度不足都有可能導致鋼筋提前銹蝕。另外，在結構的使用過程中，由于沒有合理的維護而造成的結構耐久性降低也是不容忽視的，如對結構的碰撞、磨損及使用環境的劣化，這些都會使混凝土結構無法達到預定的使用年限。國外學者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結構耐久性設計的重要性，即設計階段對鋼筋防護方面節省1美元，那么就意味著：發現鋼筋銹蝕時采取措施將追加維修費5美元；混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加維修費25美元；嚴重破壞時采取措施將追加維修費125美元。很多橋梁病害經常與施工質量低劣有關，但在承認施工存在問題的同時，也不可否認在橋梁設計領域還有許多可以改進的地方。許多設計人員往往只滿足于規范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、結構材料、結構維護、結構耐久性以及從設計、施工到使用全過程中經常出現的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性。有的結構整體性和延性不足，冗余性小；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過薄，這些都削弱了結構耐久性，會增加橋梁的病害。因此，合理可靠的結構設計除了滿足規范要求外，還要求設計人員具有對結構本性的正確認識。豐富的經驗和準確的判斷。從而在設計時對橋梁整體結構全壽命使用過程進行全面綜合分析和計算，提高結構的使用耐久性。

2 混凝土橋梁設計耐久性構造措施

橋梁結構構造設計研究雖然比較成熟，但應引起設計人員足夠的重視，避免橋梁建成后的先天性不足，在具體橋梁設計時應加強深入的分析和研究。主要包括以下幾個方面的內容。

2.1 合理的結構在荷載作用下，其傳力路徑較短的原則

對于拉(壓)桿，其主應力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件的長度。而對于純受彎桿件，任一橫截面內均有拉應力及壓應力，其主拉(壓)應力跡線平行于桿件軸線，其傳力路徑等于桿件的長度。但梁常為彎剪耦合構件，梁內任意一點均處于二向受力狀態。其主應力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復雜，此時可將梁比擬為“桁架”(拉壓結構)，各構件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對于彎剪扭耦合構件，可將其比擬為“空間桁架”。可見，拉(壓)桿件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡捷的構件。

不論是橋跨結構還是支承結構，不論是橫截面內(如受彎箱梁在彎矩平面內的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應配置在靠近腹板的范圍內為好等)還是細部構造(如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設置較徑向設置傳力簡捷；帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與梁的受力吻合，細部構造優越等)，傳力路徑簡捷、明快，是較好的形式。

2.2 整體性、連續性和冗余性原則

合理的結構整體性好，構件體形變化平順不僅是美觀的要求，而且構件體形變化平順、節點處或邊界處過渡平順、結構整體性強是力流平順的必要條件，同時，也可提高結構的承載能力和剛度。

整體性和冗余性可以保證橋梁在運營狀態下具有良好的使用性能及對局部損傷和破壞具有適當的抵抗能力，這些特點有利于結構抵抗諸如超載、地震等荷載。由于橋梁的伸縮縫長期暴露在大氣中，使用環境比較惡劣，是橋梁結構中最易遭到破壞而又較難以修補的部位。橋梁伸縮縫在設計、施工上稍有缺陷或不足，就會引起其早期破壞；而橋梁伸縮縫的破壞，又可能引起很大的車輛沖擊荷載，惡化行車狀況，急劇降低橋梁使用壽命。世界各國的學者都在努力尋求最好的伸縮縫結構，得到的結論是“最好的伸縮縫結構是無伸縮縫”。近年來，國外日益強調通過減少甚至取消橋梁接縫(伸縮縫)和支座來保證橋梁的整體性和適用性，同時可以減少后期的維護費用。美國等國家已經修建了一些沒有支座和伸縮縫的整體式橋梁，使用情況良好。此外，已經有越來越多的人開始研究整體式橋梁的可行性。

2.3 可檢性、可修性和可替換性原則

人們有一個習慣的誤解，認為橋梁屬于永久性建筑，它的設計基準期為100年，那么在100年內就不應該出現部件的損壞與更換。實際上橋梁整體結構的壽命和結構各個部件的壽命是不等的，如橡膠支座的壽命一般在20年左右，鋼拉索的壽命約10年～50年，鋼結構油漆保護壽命約為20年，因而對這些壽命期低于結構壽命期的部件必須做到可檢查、可維修、可更換。原蘇聯對其橋梁各組成部件統計的平均服務年限，有的長達百年以上，有的僅數年。橋梁構件達到使用壽命期而損壞，管理單位就應進行正常的更換，不能因未及時更換而引起或加速主要承重構件的損壞而影響橋梁的整體耐久性。

20世紀末北京的西直門立交橋重建，在舊橋拆除時發現的病害十分嚴重，其中橡膠支座老化結硬，以致承臺破裂。不論是橋梁的永久構件或需要中期更換的構件，都應該能讓檢查人員容易到達、進行檢查和耐久性維護。橋梁設計時就應該為此創造必要的條件，如為更換支座應在蓋梁上預留有放置千斤頂等提升設備的空間，也應為工作人員留有操作平臺；否則將大大增加后期維護的困難和費用。國內很多橋梁設計中沒有考慮構件更換的需要，甚至沒有設置檢查所需的通道。

2.4 結構體系防水的原則

防止橋面雨水等對主梁和墩臺的侵蝕是減少橋梁病害和保證橋梁耐久性的基本要求之一，良好的構造措施是實現這一要求的根本。特別是對于我國北方利用撒鹽進行橋面除冰的地區，應特別注意在橋梁設計中處理好橋梁防水、隔水的問題，以阻止可能引起鋼筋嚴重銹蝕的鹽水的侵蝕。現階段關于結構耐久性的系列研究還在進行，耐久性設計的很多問題不會在短期內研究徹底，也不會很快制定出系統、適用的規范和方法。本文從結構設計的角度探討了保證橋梁耐久性的一些設計原則，希望以后的橋梁設計不僅要滿足現行規范關于強度和變形方面的要求，還應該考慮耐久性對于體系和構造上的要求；同時橋梁耐久性的研究不能將太多的精力集中在材料耐久性退化機理上，從構造和體系上研究橋梁耐久性的設計方法應引起人們的足夠重視。

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