公路橋梁耐久性設計研究

張學棟

摘 要：為了有效解決橋梁耐久性方面存在的問題，選擇公路交通中常用的混凝土橋梁為對象，通過現(xiàn)場調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，并提出了耐久設計的主要內容和具體的應對措施，設計時材料和結構相結合不能僅僅從材料優(yōu)化方面來考慮混凝土橋梁的耐久性。

關鍵詞：橋梁；耐久性設計；結構；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雜性，大多數(shù)橋梁并沒有達到預期的效果，在壽命周期內出現(xiàn)大量的病害類型，導致強度降低、壽命縮短、經(jīng)濟損失嚴重。上述問題的出現(xiàn)，除了與設計、施工、環(huán)境因素及車輛荷載等因素有關外，更主要的是由于結構的耐久性不足引起的。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進，交通基礎設施建設將迎來全面發(fā)展的時期，由于西部地區(qū)地理、地質等條件的限制，橋梁在道路中比重會有所提高，因此加強對橋梁結構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)國家和地區(qū)采用的橋梁結構，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%，美國混凝土橋梁比重為52%，我國的混凝土橋梁占80%以上，結合國內外實際，以下僅以混凝土橋梁為例來說明橋梁的耐久性設計。通過對某地現(xiàn)役混凝土橋梁調查發(fā)現(xiàn)，混凝土橋梁以下部位容易產(chǎn)生病害現(xiàn)象，制定措施時要根據(jù)部位特點采取合理的方法，混凝土橋梁的上部主體結構和橋面系為病害發(fā)生的主要部位，基礎和附屬結構發(fā)生病害的概率并不是很高，只占到26.0%，但也應引起足夠的重視。

對于混凝土橋梁而言，影響結構耐久性的主要問題有：凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕、堿集料反應、結構構造、施工周期及結構維護等，這些問題涉及橋梁結構的設計、施工、養(yǎng)護、管理及使用等方面。

2 橋梁耐久性設計

查閱文獻發(fā)現(xiàn)，目前關于橋梁結構耐久性的研究大多是從材料方面來考慮，而對結構設計改善混凝土橋梁耐久性的研究比較少。在橋梁設計階段，設計者往往只重視結構強度是否滿足規(guī)范要求，很少從結構方面來考慮橋梁的耐久性，結果導致橋梁在服役期內出現(xiàn)大量的病害，這也再次印證材料和結構設計的重要性，僅僅從材料角度來改善橋梁的耐久性是行不通，需重視混凝土橋梁的結構設計。

2.1 耐久性設計內容

橋梁的耐久性設計涵蓋的內容比較多、涉及的面比較廣，主要包括以下內容：

（1）根據(jù)橋梁的使用要求及所處的環(huán)境，合理確定結構的使用年限、作用等級及環(huán)境類別。（2）在保證強度的前提下，優(yōu)選環(huán)境作用影響比較小的橋梁結構類型、材料及布置方式。（3）根據(jù)橋梁結構及跨徑，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，選擇混凝土的保護層厚度。（5）合理確定混凝土橋梁上部結構、下部結構及附屬設施的裂縫控制指標。（6）確定橋梁結構防、排水要求，選擇合理的排水設施及結構。（7）對于特殊的環(huán)境條件，采取一定防腐及防護措施。（8）確定合理的結構施工、驗收及養(yǎng)護標準。（9）根據(jù)環(huán)境條件及車輛荷載作用情況，確定結構在服役期內的檢測、養(yǎng)護及維修標準。

2.2 具體措施

耐久性設計貫穿于橋梁的設計、施工及養(yǎng)護等階段，并根據(jù)各階段的特點提出了具體的設計要求及標準，其中設計階段主要包括：

（1）鋼筋配筋率及截面尺寸。混凝土橋梁結構比較重，設計時為了提高承載能力，一般采用較小的構件截面尺寸、較密的鋼筋配筋率，結果給混凝土澆筑帶來困難，不易振搗，集料分布不均，密實度達不到規(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。因此設計時一定要根據(jù)構件承重的要求選擇合理的截面尺寸，并結合采用的集料最大粒徑選擇合理的鋼筋配筋率。

（2）保護層厚度。混凝土橋梁結構內通常布置著大量的鋼筋，一旦保護層破壞或者厚度不合理，將導致水分、空氣及其他物質進入腐蝕其鋼筋，導致結構的耐久性下降。對比國內外關于混凝土保護層厚度的規(guī)定可以發(fā)現(xiàn)，我國相關規(guī)范規(guī)定的最小保護層厚度比較低，不論是主筋還是箍筋外的保護層均存在著這種現(xiàn)象。我國規(guī)范規(guī)定主筋外保護層厚度為：30？艽c≤50mm，箍筋外保護層厚度不低于15mm，而美國相關規(guī)范規(guī)定主筋外保護層厚度為：50？艽c≤70mm，箍筋外保護層厚度不低于25mm，差距非常明顯。

綜合考慮我國的自然環(huán)境、車輛軸載、耐久性的需要、施工工藝及水平，在結構承載能力滿足使用的前提下，建議適當提高混凝土保護層的厚度，降低相關病害的發(fā)生。

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

①伸縮縫兩側盡量不和橋面鋪裝層相連接，而應通過預埋鋼筋使其與主梁端部連接起來；②對于變形量較大混凝土橋梁，伸縮縫構造采用橡膠和鋼板的組合結構，使車輛荷載通過鋼板結構來傳遞。

（4）橋面鋪裝。橋面鋪裝層是比較容易產(chǎn)生病害的，設計時必須予以充分考慮。橋面鋪裝層直接裸露于環(huán)境中，不僅要經(jīng)受車輛荷載的反復作用，而且要與下部結構的受力相協(xié)調。如果產(chǎn)生病害，將導致降水、橋面積水等下滲，影響下部混凝土結構穩(wěn)定性。目前橋面鋪裝層通常采用雙層結構，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，在使用過程發(fā)現(xiàn)，或多或少都存在一定的問題。因此設計時不能單純從材料性能出發(fā)，要結合橋梁結構的受力特點，通過受力分析選擇合理的鋪裝結構和厚度組合，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構發(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構以外，使其對橋梁的危害降到最低。設計時應堅持整體性、可檢、可換、可修復的原則。將橋面部分、伸縮縫、接縫等部位作為整體來考慮設計防排水系統(tǒng)，防止出現(xiàn)局部防排水缺陷。具體措施如下：

①結合剛性防水層和柔性防水層的優(yōu)點，采用新型防水構造，即雙層防排水系統(tǒng)；②橋面設置一定的坡度，水匯集后集中排出橋面，同時在鋪裝層設置專門的排水管道和防水層，以免水分下滲。

3 結束語

根據(jù)混凝土橋梁耐久性影響因素，調查和分析了橋梁結構病害發(fā)生的主要部位和原因，據(jù)此提出耐久性設計的主要內容和相應措施，主要結論：

（1）我國規(guī)范規(guī)定的混凝土厚度太薄，建議適當增加混凝土保護層厚度。

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

（3）結合橋梁受力特性，選擇合理鋪裝結構和厚度組合。

參考文獻

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