對橋梁結構耐久性設計研究

歐亞斌

（商洛市交通設計院，陜西 商洛 726000）

長期以來，人們受混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料這一認識的影響，忽視了橋梁結構耐久性問題，造成了橋梁結構耐久性研究的相對滯后，并為此付出了巨大的代價。具體的設計過程按承載能力和正常使用兩種極限狀態來進行。前者是控制結構在喪失服務能力臨界狀態時的承載能力、設計的基本原則是要求荷載效應不利組合的設計值，必須小于或等于結構抗力的設計值。利用荷載安全系數、材料安全系數及工作條件系數來考慮不確定因素作用下的結構總體的安全儲備，是一個半概率的極限狀態設計法。可以認為是對安全性要求的保證。后者控制結構在正常使用狀態時應力、裂縫和變形小于一定的限值，對應于適用性的要求。

1 橋梁安全性、耐久性差的主要原因

1.1 環境影響不容忽視

橋梁的施工及使用環境總是與設計的環境有一些差別，因此環境的影響是非常重要的、混凝土的抗拉強度大約是其抗壓強度的10%，由于早期的水化熱影響、干縮應變反應強烈，加上環境溫度、濕度、日曬雨淋、沖擊荷載的影響，混凝土結構很容易產生裂縫。開裂后，由于水分子、氯離子的侵入，導致鋼筋面層的鈍化，從而使鋼筋腐蝕，破壞了鋼筋表面與混凝土之間的化學膠結力，其直接后果是鋼筋與混凝土能很好的協同工作。混凝土構件的強度和剛度逐漸削弱，最終導致結構的耐久性破壞。

1.2 施工和管理水平低

國內外多座橋梁出現安全性和耐久性差的現象，一般的看法認為當前的工程事故主要是野蠻施工和管理腐敗所導致。對于短期內發生的諸如突然破壞與倒塌，多是由于施工質量沒有達到規范和設計要求，典型的問題包括材料強度不足和施工工藝不合格等；也有個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴重的管理問題，更是對橋梁安全造成致命的損害。

1.3 設計理論和結構構造體系不夠完善

在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設計領域，特別是關于橋梁施工和使用期安全性的問題還有許多可以改進的地方。結構設計的首要任務是選擇經濟合理的結構方案，其次是結構分析與構件和連接的設計，并取用規范規定的安全系數或可靠性指標以保證結構的安全性。

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、施工到使用個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，會嚴重影響結構的安全性。不少橋梁雖然滿足了設計規范的強度要求，但僅用了5-10年就因為耐久性出了問題影響結構安全。結構耐久性不足已成為最現實的一個安全問題，設計時要從構造、材料等角度采取措施加強結構耐久性。

2 橋梁結構耐久性設計

2.1 滿足結構混凝土耐久性的基本要求

提高混凝土自身的耐久性是解決混凝土結構耐久性的前提和基礎。混凝土的耐久性主要取決于混凝土的材料組成，其中水灰比、水泥用量、強度等級均對耐久性有較大影響。《橋規JTG1362》明確規定了不同使用環境下，結構混凝土的基本要求，對影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強度等級、最大氯離子含量和堿含量做出了限制規定，這是《橋規JTG D62》對公路橋涵結構耐久性設計的基本要求，設計時應遵照執行。

2.2 加大鋼筋的混凝土保護層厚度

混凝土碳化是鋼筋銹蝕的前提。就一般情況而言，只有保護層混凝土碳化，鋼筋表層鈍化膜破壞，鋼筋才有可能銹蝕。因此，加大鋼筋的混凝土保護層厚度，是保護鋼筋免于銹蝕，提高混凝土結構耐久性的最重要的措施之一。鑒于此，相關規定給出了鋼筋最小混凝土保護層厚度，但其與國際上較為通用的設計規范相比，還是有點差距。設計時適當加大鋼筋的混凝土保護層厚度對提高混凝土結構耐久性是非常有益的。

2.3 加強構造配筋，防止和控制混凝土裂縫

混凝土結構的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現裂縫，裂縫是反映混凝土結構病害的晴雨表，反過來，裂縫的存在會增加混凝土滲透性，提供了使侵蝕破壞作用逐步升級、混凝土耐久性不斷下降的渠道。當混凝土開裂后，侵蝕速度將大大加快，形成導致混凝土結構耐久性的進一步退化的惡性循環。因此，防止和控制混凝土的裂縫，對提高混凝土結構的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂縫，除按規范要求控制正常使用極限狀態的工作裂縫以外，更重要的是要采取構造措施，控制混凝土施工及使用過程大量出現的非工作裂縫。

2.4 提高后張法預應力鋼筋管道壓漿質量

后張法預應力鋼筋管道壓漿質量是影響預應力混凝土梁耐久性的關鍵因素之一。《橋規JTG D62》規定，預應力鋼筋管道壓漿用水泥漿的抗壓強度不應低于30MPa，其水灰比為0.4～0.5，為減少收縮，還可通過試驗摻入適量膨脹劑。《混凝土結構耐久性設計與施工指南》CCES01-2004認為，預應力鋼筋的銹蝕會導致結構的突然破壞，事先不易發現，在耐久性設計中必須特別重視，并采用多重的防護手段 對此，對于可能遭受氯鹽侵蝕的預應力混凝土結構，預應力筋、錨具、連接器等鋼材組件應采用環氧涂層或涂鋅，后張預應力體系的管道必須具有密封性能，不使用金屬的螺旋管，宜采用有良好密封性能的高密度塑料波形管，同時，管道灌漿材料和灌漿方法要事先通過試驗驗證，盡可能降低漿體硬化后形成的氣孔，并采用真空灌，必要時還可以在灌漿材料中摻入適量的阻銹劑。

2.5 在結構局部使用防腐材料

目前我國大量地修建16～25m的多跨現澆連續鋼筋混凝土箱梁結構的橋梁，由于普通鋼筋混凝土結構是一種必然地帶裂縫工作的結構，因而在負彎矩區總會出現負彎矩裂縫，鑒于負彎矩區裂縫是一種向上開口的“V”形裂縫，橋面水容易滲入，遭受長期浸蝕后，負彎矩鋼筋的銹蝕問題是應予以重視的問題。近年來，由國外引進的環氧樹脂涂層鋼筋已在國內生產，應用于一般鋼筋混凝土負彎矩區的鋼筋中，這對保證結構的耐久性無疑是很好的事情。再如，英、美等國的調查均發現錨頭區有鋼絲銹蝕問題，甚至發生過橋梁倒塌事故，因而張拉結束后立即用環氧樹脂砂漿封堵錨頭可有效防銹。

2.6 加強橋面鋪裝層的防水設計

橋面滲水的排除和防滲漏問題，都將涉及到橋梁的耐久性問題，應引起格外的重視。橋面鋪裝防水層對橋面的防護有重要作用，必需精心設計與施工。橋面鋪裝層應采用密實性較好的C3O以上等級的混凝土，混凝土鋪裝層內應設置鋼筋網，防止混凝土開裂。采用復合纖維混凝土和在混凝土中摻入水泥基滲透結晶材料(賽柏斯)，都能收到較好的防水效果。橋面鋪裝層頂面應設置防水層，特別是連續梁(或懸臂梁)的負彎矩段更應十分重視防水層設計。此外，還需加強泄水管設計，應特別注意泄水管周邊的構造細節處，加強伸縮縫處的排水設計，防止水分從伸縮縫處滲入梁內。近年來，由于高速公路蓬勃興起，目前廣泛地使用FYT-1(屬柔性防水效果)和M1500型(屬剛性防水范疇)防水構造，但其實際效果如何尚有待接受時間的考驗。

3 結語

橋梁安全性和耐久性不足已成為迫切需要解決的問題，要積極借鑒國外成功的經驗和做法，除了加強施工質量管理外，要從橋梁設計理念和結構體系和構造的角度做好耐久性的設計。同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結構耐久性的影響。目前，正處在大規模建設橋梁之際，要充分認識到混凝土結構耐久性對實施可持續發展戰略、節約能源、資源和保護環境所帶來的積極和負面影響，深刻領會加強混凝土結構耐久性的重要意義。