混凝土橋梁結構耐久性設計

許靜怡，于 華

(大連市城市交通設計研究院，遼寧大連116033)

0 前言

由于交通量的快速增長、交通荷載的增大、混凝土自身的一些特點和材料的老化，以及早期在設計和施工及其他各方面的局限等，使城市立交橋在運營了若干年后的今天，病害、缺陷逐漸顯現，有的已涉及到結構問題。因耐久性不足而導致橋梁使用性能差、健康壽命短，與設計使用壽命相差甚遠，尤其是北方寒冷地區和近海環境。大連市某立交橋于上世紀80年代建成通車，目前已經出現了各種程度不同的病害、破損、缺陷等。這些病害已經對橋梁結構的安全形成了很大的潛在危險，對橋上、橋下的交通安全構成了威脅，對其維修已顯迫切。

近幾十年來所修建的橋梁健康使用壽命的短期行為，當今已得到了橋梁界的廣泛關注，橋梁結構的耐久性問題也愈來愈得到重視。本文通過對該立交橋所存在的病害、缺陷及對其維修方案的設計，就橋梁結構設計中與安全性、耐久性相關的問題進行分析探討，并提出橋梁設計中一些供借鑒和幫助的相關問題。

1 病害形式及原因分析

1.1 病害形式

該立交橋主橋上部結構為連續箱梁、簡支箱梁等；下部結構為矩形截面獨柱墩、圓截面雙柱墩等。設計荷載標準為汽-超20級，掛車-120。大連為瀕海環境。該橋目前主要病害有以下幾個方面：

(1)橋面鋪裝：瀝青混凝土出現網裂、擁包、擠出。因經常性的小補，瀝青混凝土橋面不平整、完整性差。其下面的水泥混凝土鋪裝層出現破碎，甚至酥碎；鋼筋網銹蝕。

(2)簡支梁橋段的后澆橋面板濕接頭部位混凝土破損，多處出現破碎、脫落，滲水漏水，橋面板出現漏洞、“露天”(見圖1)。此前維修過幾次，僅限于對該局部的補漏。該后澆帶與箱梁結構的連接仍較差，呈反復掉落。

圖1 濕接頭混凝土掉落、橋梁“露天”實景

(3)箱梁底面存在著橫向裂縫。

(4)箱梁底面、蓋梁懸臂板底面混凝土表面碳化、泛堿嚴重，梁底多處出現水銹、花白(見圖2)?；炷脸霈F保護層剝落，鋼筋外露，且銹蝕嚴重，不少鋼筋截面已呈非圓形。

(5)橋墩蓋梁頂面不平整；墩柱四角主筋銹蝕、混凝土表面泛黃、敲擊呈空洞聲。

上述現象在伸縮縫附近尤其嚴重。主橋的伸縮裝置的護角角鋼已出現很多損壞，翹起。

1.2 有關設計方面的原因分析

引起橋梁結構耐久性不足的原因是多方面的，包括設計理念、環境因素、材料因素，以及施工、運營維護等諸多方面。病害的出現反映出以往橋梁結構設計耐久性問題的缺失，而客觀上，交通量的增加，車輛荷載的增大，又需要橋梁承載能力的提高。

圖2 混凝土破損、泛堿、裂縫實景

1.2.1 設計方面認知程度的局限

結構的安全性、耐久性與使用環境密切相關，橋梁的病害、缺陷也往往源于其細節設計和附屬構造設計的局限。以往的橋梁，重視建設而不重視維護管理。設計中重視結構強度設計而不重視結構耐久性的設計；重視承載能力極限狀態而不重視正常使用極限狀態；重視結構分析而不重視結構構造方面的保障；注重工程主體設計而不重視細部構造及細節設計。設計中往往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、構造、材料以及工程建設全過程的安全保證，忽視了不同環境對其混凝土的不同要求而需采取適宜的技術保證措施。同時，環境因素的復雜、功能需求的不斷提高和我國大規模橋梁建設起步較晚而經驗不足等諸多方面原因，也使人們對以往的橋梁在設計構造方面往往不能滿足耐久性的需求。這些結構設計理念和設計認知程度方面的問題，也是設計人員需要不斷提高的。

1.2.2 環境因素

在引起橋梁結構耐久性不足諸多方面的因素中，環境因素是不容忽視的。由于環境因素和混凝土自身的材料特點，結構表面產生裂縫，在水與氣的作用下鋼筋銹蝕，從而又導致了混凝土的脹裂、剝落。惡性循環，可以使混凝土和鋼筋的有效面積逐漸減小，結構性能不斷劣化，承載能力逐漸下降，耐久性降低。而這些與設計中采用了過薄的鋼筋保護層厚度和水膠比過大的混凝土有很大的關系。以往面對惡劣的環境條件，工程技術人員的設計既有認知的不足，又顯束手無策，因為受到了材料技術性能的局限。

此外，還包括材料自身特點及施工、維護管理等多方面因素，在此不再贅述。

2 維修方案介紹

本文工程實例中，采取根據主橋結構損壞的程度實施修復，祛除引起結構劣化的因子，避免結構進一步惡化；同時采取補強手段，增加梁高，提高結構承載能力。

2.1 主橋全線增加主梁高度，提高結構承載能力

將維修范圍內的主橋瀝青混凝土面層及其下面已破碎的水泥混凝土鋪裝層鑿除，綜合利用梁頂鑿毛、涂刷粘結劑、“剪力健”和植筋等技術，新鋪筑纖維混凝土，使其成為主梁結構的一部分，從而使維修在不增加恒載的情況下，加大結構高度，提高主梁的承載能力。而對于具有梁間濕接頭的簡支梁段，實行整體澆筑濕接頭和橋面纖維混凝土，實現在增加梁高的同時提高結構的整體性，加強主梁的橫向聯系。

2.2 做好橋面防、排水措施

在橋面板頂涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料，并增設柔性防水層，以延緩、阻斷橋面積水的滲入。采用兩道防水，增加了橋面抗滲能力，有利于提高結構的耐久性。

同時增設橋面泄水孔，特別是在零坡段和縱坡很小的橋段，加大泄水孔的密度，以及時排除降水。

2.3 修補混凝土缺陷，封堵裂縫，阻斷水與氣的滲入

對梁體及橋柱混凝土表面進行全面檢查，視其破損程度，分別對周圍完好的獨立裂縫和混凝土表面風蝕、破碎成片的情況，采用不同的處理方法。

(1)對周圍完好的、獨立的裂縫的處理：

裂縫寬度不大于0.15 mm的，進行涂抹水泥基滲透結晶型系列產品的修補堵漏混合劑。利用其速凝、不收縮、高粘結強度等特點，尤其是其遇水激活的特性，封閉裂縫、堵塞和修補混凝土缺陷?？p寬大于0.15mm的，采取低壓低速方式注入高強度、低粘滯性、高滲透力的樹脂。

(2)對已風蝕、破碎的混凝土表面，其處理的一般程序為：

鑿除風蝕、破碎、松動及已變顏色的混凝土；將外露鋼筋除銹，外露表面涂刷環氧樹脂，防止進一步銹蝕；涂刷水泥基滲透結晶型的防水涂料，以增加表面混凝土的密實度，同時增加粘結作用。

對于范圍小、表面剝落、剝離、碳化深度淺、鋼筋未外露的，在完成鑿除風蝕、破碎、松動的混凝土后，逐層敷環氧樹脂砂漿。對于局部嚴重破損處，采取粘貼鋼板，破損形成環狀的，采用粘貼碳纖維布等。

3 結構耐久性設計

新頒布的公路及城市新橋規中都增加了橋梁結構耐久性的設計內容，同時相關行業也頒布了有關橋涵混凝土結構防腐蝕的技術規范和標準指南等。其中提出了橋涵混凝土結構及其構件應根據不同的設計年限及相應的極限狀態和不同的環境類別及其作用等級進行耐久性設計的概念，明確提出了環境作用下混凝土結構設計的基本原則和要求。學習規范，并總結以往橋梁設計及維修過程，依筆者的體會，耐久性設計具體到結構設計中，可從以下幾個方面予以著手。

3.1 加強混凝土橋梁結構設計中的技術保證措施

環境對混凝土結構的腐蝕作用主要體現在鋼筋的銹蝕和混凝土的腐蝕或損傷。

3.1.1 選用適宜的混凝土強度及性能等級，明確其性能指標

設計不但要保證混凝土的工作性能和強度性能，還要保證混凝土的耐久性能，尤其是在惡劣環境下，對其抗滲性、抗凍融性、抗鋼筋銹蝕性、抗碳化及抗其它化學物質侵蝕性能提出具體的指標要求。因此，在結構設計中應根據結構的使用性能要求、環境程度，選擇適宜的耐久性混凝土，合理地使用添加劑，增強混凝土的密實度，提高混凝土自身的抗破損能力。對于北方寒冷地區和近海地區，橋梁的有些部位可選擇高耐久性混凝土。嚴格遵守對混凝土耐久性有很大影響的技術指標的限制規定，如最大水膠比、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堿含量等，并提出對混凝土膠凝材料等原材料選定的要求。

在惡劣環境作用下，混凝土的強度往往取決于耐久性而非承載力。本文中的工程實例處于北方地區，瀕臨海濱，其環境作用比較復雜。結構構件經常處于兩類不同的環境，這時就應同時滿足兩種環境類別分別作用下的耐久性要求。對于經常接觸水體的構件，如伸縮縫處的墩帽頂面等應按凍融環境設計；對于有氯鹽侵蝕環境的跨海橋梁，配置鋼筋混凝土和預應力混凝土所用水泥的氯離子含量盡可能地降低，墩柱還需摻用引氣劑，有些部位常常還需要采取附加防腐蝕措施等。而這些是工程技術人員以往設計中沒有考慮的。

3.1.2 加大混凝土的保護層厚度

加大保護層厚度，減輕和延緩混凝土碳化及氯離子由混凝土表面向內擴散，以盡可能保護鋼筋鈍化膜，從而減輕鋼筋的銹蝕，增加混凝土的耐久性。這一點，新規范有明確的要求。

3.1.3 重視結構構造設計，控制裂縫

(1)在復雜環境下，混凝土外形應力求簡潔，盡量減少暴露的表面積和棱角，棱角宜做成圓角。結構的形狀和布置應有利于通風，便于施工時混凝土的振搗、養護。表面形狀應有利于排水。選擇適宜的各種結構縫位置，并做好其構造設計，減少荷載作用下或發生變形時的應力集中。

(2)對于可能遭受氯鹽侵蝕或處于干濕交替、水位變動等部位，采取特殊的防腐措施，如混凝土表面防水處理、表面涂層或憎水處理等。同時各種結構縫也應盡可能避開最不利部位。

3.1.4 加強構造鋼筋，防止和控制混凝土裂縫

由于裂縫的存在，為水與氣的滲入提供了通道，使混凝土和鋼筋的腐蝕不斷加劇、劣化。因此，控制裂縫對提高耐久性非常重要。對此，橋梁混凝土結構盡可能采用預應力混凝土結構，抗裂構造鋼筋布置不宜采用大直徑大間距，等等。

3.1.5 加強橋面排水和橋面鋪裝層的防水設計

城市立交橋的主橋和高架橋比較容易設置合理的橋面縱坡，設計應考慮橋面的縱、橫坡，合理布設泄水孔，既保證車輛運行舒適，又使橋面排水順暢。合理設置橋面鋪裝防水層，增設橋面柔性防水層，有條件的可設置剛性及柔性兩層防水，使之在不太增加造價的情況下，提高防滲水效果。

3.1.6 重視結構細節及附屬構造設計

(1)在橋梁上部結構中，太多采用預制簡支梁和縱橫濕接頭連接，而后期混凝土往往是結構的薄弱環節。后澆帶混凝土收縮使兩期混凝土之間產生縫隙，形成滲水以至漏水，使混凝土不斷地被腐蝕，進而破壞。工程實例中的“露天”正是這種情況。因此設計中，要避免采用此類結構。如果采用這種結構時，應采取技術保證措施，如在后澆帶混凝土中添加適量的膨脹劑，以減小收縮，使兩期混凝土的耐久性同步。

(2)橋梁伸縮縫兩端與主梁連接的部位，此處也是極易破損之處，設計中可采用高耐久性混凝土，添加膨脹劑及纖維增韌材料，并做好伸縮裝置與構造鋼筋的連接。

(3)為封閉預應力筋金屬錨具，后澆混凝土的強度等級應與構件本體混凝土強度等級相同。

3.2 其他方面

當然，混凝土結構的耐久性在很大程度上還取決于結構施工過程中的質量控制與質量保證，以及結構使用過程中的正確維護與例行檢測。因此，在提高橋梁結構安全性、耐久性設計的同時，相關部門還要做好橋梁的建設管理和維護管理等，如嚴格控制施工質量，嚴禁超載，定期檢查和及時維修、養護，避免橋梁帶病工作，以延長健康使用壽命，提高結構的安全性、耐久性。

4 結語

橋梁結構的安全性、耐久性與其承載能力、使用性能具同等重要性，要積極借鑒國內外的成功經驗和做法，除了要加強施工質量管理和運行維護管理外，還要從橋梁設計理念和結構體系、構造措施、細節設計著手，做好橋梁結構耐久性設計，延長橋梁的健康使用壽命。這一點應引起橋梁工程設計者的高度重視。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTG/T B07-01-2006，公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S].

[3]DB 23/T 087-2002，橋梁結構高耐久性混凝土設計與施工規程[S].