公路橋梁耐久性設(shè)計(jì)研究

張學(xué)棟

摘 要：為了有效解決橋梁耐久性方面存在的問(wèn)題，選擇公路交通中常用的混凝土橋梁為對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料查閱確定病害發(fā)生的主要部位，分析了產(chǎn)生原因，并提出了耐久設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和具體的應(yīng)對(duì)措施，設(shè)計(jì)時(shí)材料和結(jié)構(gòu)相結(jié)合不能僅僅從材料優(yōu)化方面來(lái)考慮混凝土橋梁的耐久性。

關(guān)鍵詞：橋梁；耐久性設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)；混凝土

前言

橋梁作為道路跨越天然或人工障礙物的建筑物，在交通連接中發(fā)揮著重要的作用。然而，由于所處環(huán)境的特殊性及受力的復(fù)雜性，大多數(shù)橋梁并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，在壽命周期內(nèi)出現(xiàn)大量的病害類(lèi)型，導(dǎo)致強(qiáng)度降低、壽命縮短、經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。上述問(wèn)題的出現(xiàn)，除了與設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境因素及車(chē)輛荷載等因素有關(guān)外，更主要的是由于結(jié)構(gòu)的耐久性不足引起的。隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將迎來(lái)全面發(fā)展的時(shí)期，由于西部地區(qū)地理、地質(zhì)等條件的限制，橋梁在道路中比重會(huì)有所提高，因此加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究就顯得十分必要和更有意義。

1 公路橋梁耐久性

資料顯示，世界上大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)采用的橋梁結(jié)構(gòu)，混凝土橋占有很大的比重，其中歐洲混凝土橋梁的比例為70%，美國(guó)混凝土橋梁比重為52%，我國(guó)的混凝土橋梁占80%以上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)際，以下僅以混凝土橋梁為例來(lái)說(shuō)明橋梁的耐久性設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)某地現(xiàn)役混凝土橋梁調(diào)查發(fā)現(xiàn)，混凝土橋梁以下部位容易產(chǎn)生病害現(xiàn)象，制定措施時(shí)要根據(jù)部位特點(diǎn)采取合理的方法，混凝土橋梁的上部主體結(jié)構(gòu)和橋面系為病害發(fā)生的主要部位，基礎(chǔ)和附屬結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的概率并不是很高，只占到26.0%，但也應(yīng)引起足夠的重視。

對(duì)于混凝土橋梁而言，影響結(jié)構(gòu)耐久性的主要問(wèn)題有：凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕、堿集料反應(yīng)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工周期及結(jié)構(gòu)維護(hù)等，這些問(wèn)題涉及橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)、管理及使用等方面。

2 橋梁耐久性設(shè)計(jì)

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的研究大多是從材料方面來(lái)考慮，而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善混凝土橋梁耐久性的研究比較少。在橋梁設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者往往只重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求，很少?gòu)慕Y(jié)構(gòu)方面來(lái)考慮橋梁的耐久性，結(jié)果導(dǎo)致橋梁在服役期內(nèi)出現(xiàn)大量的病害，這也再次印證材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，僅僅從材料角度來(lái)改善橋梁的耐久性是行不通，需重視混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容

橋梁的耐久性設(shè)計(jì)涵蓋的內(nèi)容比較多、涉及的面比較廣，主要包括以下內(nèi)容：

（1）根據(jù)橋梁的使用要求及所處的環(huán)境，合理確定結(jié)構(gòu)的使用年限、作用等級(jí)及環(huán)境類(lèi)別。（2）在保證強(qiáng)度的前提下，優(yōu)選環(huán)境作用影響比較小的橋梁結(jié)構(gòu)類(lèi)型、材料及布置方式。（3）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)及跨徑，確定合理的鋼筋混凝土耐久性要求。（4）參照確定的耐久性要求，選擇混凝土的保護(hù)層厚度。（5）合理確定混凝土橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的裂縫控制指標(biāo)。（6）確定橋梁結(jié)構(gòu)防、排水要求，選擇合理的排水設(shè)施及結(jié)構(gòu)。（7）對(duì)于特殊的環(huán)境條件，采取一定防腐及防護(hù)措施。（8）確定合理的結(jié)構(gòu)施工、驗(yàn)收及養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。（9）根據(jù)環(huán)境條件及車(chē)輛荷載作用情況，確定結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)及維修標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 具體措施

耐久性設(shè)計(jì)貫穿于橋梁的設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)等階段，并根據(jù)各階段的特點(diǎn)提出了具體的設(shè)計(jì)要求及標(biāo)準(zhǔn)，其中設(shè)計(jì)階段主要包括：

（1）鋼筋配筋率及截面尺寸。混凝土橋梁結(jié)構(gòu)比較重，設(shè)計(jì)時(shí)為了提高承載能力，一般采用較小的構(gòu)件截面尺寸、較密的鋼筋配筋率，結(jié)果給混凝土澆筑帶來(lái)困難，不易振搗，集料分布不均，密實(shí)度達(dá)不到規(guī)定的要求，影響混凝土的耐久性，為病害的發(fā)生留下隱患。因此設(shè)計(jì)時(shí)一定要根據(jù)構(gòu)件承重的要求選擇合理的截面尺寸，并結(jié)合采用的集料最大粒徑選擇合理的鋼筋配筋率。

（2）保護(hù)層厚度。混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)通常布置著大量的鋼筋，一旦保護(hù)層破壞或者厚度不合理，將導(dǎo)致水分、空氣及其他物質(zhì)進(jìn)入腐蝕其鋼筋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性下降。對(duì)比國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土保護(hù)層厚度的規(guī)定可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定的最小保護(hù)層厚度比較低，不論是主筋還是箍筋外的保護(hù)層均存在著這種現(xiàn)象。我國(guó)規(guī)范規(guī)定主筋外保護(hù)層厚度為：30？艽c≤50mm，箍筋外保護(hù)層厚度不低于15mm，而美國(guó)相關(guān)規(guī)范規(guī)定主筋外保護(hù)層厚度為：50？艽c≤70mm，箍筋外保護(hù)層厚度不低于25mm，差距非常明顯。

綜合考慮我國(guó)的自然環(huán)境、車(chē)輛軸載、耐久性的需要、施工工藝及水平，在結(jié)構(gòu)承載能力滿足使用的前提下，建議適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層的厚度，降低相關(guān)病害的發(fā)生。

（3）裂縫控制。混凝土結(jié)構(gòu)由于自身的特性不可避免地產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。對(duì)于混凝土橋梁而言，不僅包括環(huán)境作用與車(chē)輛荷載引起的荷載型裂縫、非荷載型裂縫，還包括橋面板設(shè)置伸縮縫等，上述結(jié)構(gòu)是受力的薄弱部位，處理不慎將導(dǎo)致使用壽命嚴(yán)重下降。對(duì)于混凝土自身產(chǎn)生的干縮裂縫、溫縮裂縫可以通過(guò)施工、材料優(yōu)選等措施來(lái)控制，這里就不再詳述。針對(duì)設(shè)置的伸縮縫，設(shè)計(jì)采用合理措施，使其降低對(duì)耐久性的影響。

①伸縮縫兩側(cè)盡量不和橋面鋪裝層相連接，而應(yīng)通過(guò)預(yù)埋鋼筋使其與主梁端部連接起來(lái)；②對(duì)于變形量較大混凝土橋梁，伸縮縫構(gòu)造采用橡膠和鋼板的組合結(jié)構(gòu)，使車(chē)輛荷載通過(guò)鋼板結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞。

（4）橋面鋪裝。橋面鋪裝層是比較容易產(chǎn)生病害的，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以充分考慮。橋面鋪裝層直接裸露于環(huán)境中，不僅要經(jīng)受車(chē)輛荷載的反復(fù)作用，而且要與下部結(jié)構(gòu)的受力相協(xié)調(diào)。如果產(chǎn)生病害，將導(dǎo)致降水、橋面積水等下滲，影響下部混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前橋面鋪裝層通常采用雙層結(jié)構(gòu)，具體為：環(huán)氧瀝青混凝土+SMA混凝土，澆筑式瀝青混凝土+SMA混凝土等，在使用過(guò)程發(fā)現(xiàn)，或多或少都存在一定的問(wèn)題。因此設(shè)計(jì)時(shí)不能單純從材料性能出發(fā)，要結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，通過(guò)受力分析選擇合理的鋪裝結(jié)構(gòu)和厚度組合，使其滿足耐久性的要求。

（5）橋梁防排水系統(tǒng)。水是引起混凝土橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的最主要因素之一，而防排水系統(tǒng)則是橋梁耐久性和防腐的優(yōu)良屏障，良好的防排水系統(tǒng)可以保證降落的水迅速排除到橋梁結(jié)構(gòu)以外，使其對(duì)橋梁的危害降到最低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持整體性、可檢、可換、可修復(fù)的原則。將橋面部分、伸縮縫、接縫等部位作為整體來(lái)考慮設(shè)計(jì)防排水系統(tǒng)，防止出現(xiàn)局部防排水缺陷。具體措施如下：

①結(jié)合剛性防水層和柔性防水層的優(yōu)點(diǎn)，采用新型防水構(gòu)造，即雙層防排水系統(tǒng)；②橋面設(shè)置一定的坡度，水匯集后集中排出橋面，同時(shí)在鋪裝層設(shè)置專(zhuān)門(mén)的排水管道和防水層，以免水分下滲。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)混凝土橋梁耐久性影響因素，調(diào)查和分析了橋梁結(jié)構(gòu)病害發(fā)生的主要部位和原因，據(jù)此提出耐久性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和相應(yīng)措施，主要結(jié)論：

（1）我國(guó)規(guī)范規(guī)定的混凝土厚度太薄，建議適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度。

（2）伸縮縫是影響耐久性的主要因素之一，建議從設(shè)置方式和防排水要求方面考慮確定合理的形式。

（3）結(jié)合橋梁受力特性，選擇合理鋪裝結(jié)構(gòu)和厚度組合。

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