基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

袁佳鋒

（諸暨市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司　311899）

基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

袁佳鋒

（諸暨市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司311899）

本文通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有的材料退化機(jī)理研究，建立耐久性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)模型，從而預(yù)測(cè)耐久性退化過(guò)程并提出橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)于耐久性問(wèn)題的改進(jìn)。

混凝土橋梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；耐久性設(shè)計(jì)；材料耐久性退化機(jī)理

引言

現(xiàn)代土木工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用尤其廣泛。它結(jié)合了鋼筋和混凝土的諸多優(yōu)點(diǎn)，然而，混凝土結(jié)構(gòu)也存在較多的自身缺點(diǎn)，其中耐久性問(wèn)題最受關(guān)注。橋梁建設(shè)是國(guó)家建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題則是重中之重。橋梁結(jié)構(gòu)耐久性失效原因不是單一的，它是由橋梁設(shè)計(jì)、施工中諸多因素造成。目前國(guó)內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往注重強(qiáng)度設(shè)計(jì)忽視耐久性設(shè)計(jì)，這就造成了橋梁設(shè)計(jì)先天性的耐久性缺陷。因此，本文從耐久性材料設(shè)計(jì)、耐久性計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施三反面探究混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1　基于材料耐久性退化機(jī)理的橋梁結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)

目前針對(duì)材料耐久性研究主要包括以下方面：混凝土的凍融碳化、堿集料反應(yīng)、鋼筋侵蝕、硫酸鹽和氯化物侵蝕等。

1.1預(yù)防減緩混凝土碳化

鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的重要因素，通?；炷撂蓟瘎t是鋼筋銹蝕的前提因素，同時(shí)混凝土強(qiáng)度確定結(jié)構(gòu)抗力。材料因素是通過(guò)改變混凝土堿度來(lái)影響碳化速率，材料主要包含水泥類(lèi)別和用量、水灰比值、骨料種類(lèi)、外加劑、混凝土表面覆蓋物等。

1.2預(yù)防堿-集料反應(yīng)

堿-集料反應(yīng)是影響耐久性的一個(gè)主要因素，混凝土結(jié)構(gòu)的礦物集料與空隙間堿液發(fā)生反應(yīng)，便會(huì)導(dǎo)致混凝土膨脹甚至破壞。不同于其他病害的是，該破壞屬于整體性質(zhì)，而且沒(méi)有有效的補(bǔ)救方法。工程中主要采用以下措施進(jìn)行防治：采用低碳水泥、使用非活性集料、使用摻和料降低混凝土堿性。

1.3增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性、阻止氯離子侵蝕和降低凍害

混凝土的抗?jié)B性直接影響鋼筋侵蝕、混凝土碳化等破壞問(wèn)題，然而影響抗?jié)B性的因素也有很多?？亢５貐^(qū)主要是氯離子其作用，同時(shí)一些有鹽湖或鹽堿地的地區(qū)也容易使氯離子滲透進(jìn)混凝土中，引起鋼筋侵蝕。

影響抗?jié)B性因素中，水灰比影響最大，通常水灰比大于0.55時(shí)混凝土滲透性便急劇增長(zhǎng)。選擇水泥品種時(shí)，要優(yōu)先選水泥細(xì)度和顆粒較小品種，這對(duì)混凝土抗?jié)B性較有利。研究表明，花崗巖抗?jié)B性較好，可以作為很好的混凝土集料。此外，采用表面涂層和覆蓋層不但工藝簡(jiǎn)單而且也能提高混凝土抗?jié)B性。鑒于氯離子對(duì)鋼筋侵蝕有危害，通常硅酸鹽水泥不會(huì)含有氯離子，使用其他水泥時(shí)需了解水泥中礦物混合料組成，按照國(guó)家CCES01-2004標(biāo)準(zhǔn)限制氯離子含量。進(jìn)一步地，可以添加引氣劑、減水劑等提高混凝土抗凍性。

1.4預(yù)防或減少鋼筋侵蝕

由于鋼筋侵蝕是耐久性問(wèn)題的最重要因素，因此建立鋼筋侵蝕估算模型是分析耐久性評(píng)估的主要工作。研究表明，混凝土保護(hù)層厚度取值很重要，過(guò)大過(guò)小都不合適，過(guò)大會(huì)削弱承載力容易產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致耐久性損傷。保護(hù)層厚度過(guò)小則不能滿(mǎn)足耐久性要求。因此，施工中要控制保護(hù)層厚度偏差，從設(shè)計(jì)、施工方面進(jìn)行控制。對(duì)于比較嚴(yán)重的環(huán)境則要采取防腐措施。

2　橋梁構(gòu)造措施耐久性設(shè)計(jì)

橋梁構(gòu)造措施耐久性設(shè)計(jì)主要基于兩方面內(nèi)容：①注意橋梁結(jié)構(gòu)與環(huán)境和諧統(tǒng)一，利用并保護(hù)環(huán)境，防止因環(huán)境變化影響橋梁安全；②橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)要避免一些不利耐久的構(gòu)造措施。

2.1基于耐久性的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)被運(yùn)用在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，包括地形條件對(duì)橋梁跨徑布置和結(jié)構(gòu)選擇、橋梁基礎(chǔ)布置和基礎(chǔ)形式選用、生產(chǎn)生活與橋梁的相互影響，這些都在橋梁設(shè)計(jì)中得到了體現(xiàn)。

通常，當(dāng)?shù)刭|(zhì)較差或結(jié)構(gòu)投資較大時(shí)，宜采用較大跨度以減少支撐結(jié)構(gòu)施工量，進(jìn)而降低病害并節(jié)省投資。同區(qū)段應(yīng)選用統(tǒng)一的孔徑與式樣一，而同橋梁時(shí)，除通航等特殊要求外宜采用相同結(jié)構(gòu)。橋梁中線(xiàn)宜與水流向成正交，避免形成水袋產(chǎn)生三角回流，對(duì)橋梁安全帶來(lái)安全問(wèn)題。橋梁較高或者所跨河道水深大、河面寬時(shí)，則適當(dāng)增大水中橋跨跨度且橋墩盡可能設(shè)計(jì)在岸上、淺水處等，這樣設(shè)計(jì)有利于泄洪和疏通交通，同時(shí)降低船撞橋概率。對(duì)于跨越寬淺河流橋梁，應(yīng)采用等跨梁橋梁，若跨越泥石流河則盡量采用單孔或多孔大跨度，避免泥石流沖擊。對(duì)于不良地質(zhì)影響時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)可參考相關(guān)研究進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2耐久性構(gòu)造措施

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)耐久性至關(guān)重要，不僅在設(shè)計(jì)時(shí)要考察可能出現(xiàn)的耐久性問(wèn)題，更要考慮到橋梁建成后由設(shè)計(jì)不足造成的其他影響。

（1）合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在受載時(shí)其傳力路徑應(yīng)較短

理論分析可知，拉桿結(jié)構(gòu)較彎桿結(jié)構(gòu)傳力路徑要短很多，是最簡(jiǎn)潔的傳力構(gòu)件。因此，對(duì)于橋梁的整體結(jié)構(gòu)、支撐部件和各類(lèi)組成部件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行傳力分析從而保證傳力路徑簡(jiǎn)捷明快。例如：受彎箱梁在彎矩面內(nèi)沿腹板傳力，其主筋應(yīng)設(shè)計(jì)在靠腹板范圍內(nèi)較好。

（2）力線(xiàn)平滑、應(yīng)力均勻

對(duì)于桿件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)處處均勻流暢，才能保證發(fā)揮最好的材料強(qiáng)度。對(duì)于大跨度橋梁，其構(gòu)造合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體受力情況和耐久性能。通常結(jié)構(gòu)的不連續(xù)部位，往往是結(jié)構(gòu)耐久性最為薄弱的地方，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)同樣要確保傳力直接平滑，為此可采用“壓桿-拉桿-模型法”來(lái)分析應(yīng)力流和鋼筋配置。

（3）連續(xù)性、整體性和冗余性

合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)整體性較好，變形自然平順。這是保證結(jié)構(gòu)形變平順、力流平順的必要條件，同時(shí)可提高結(jié)構(gòu)剛度和承載力。此外，加好的整體性和冗余性也會(huì)提高橋梁抵抗力，是橋梁投入運(yùn)營(yíng)中對(duì)局部損傷具有一定的抵抗力。

（4）可檢性、可修性和可替換性

橋梁并不是永久性建筑，其部件必須是有檢修更換的，不能因部件未及時(shí)更換影響整體的耐久性。因此，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮此因素，為必要的維修工作提供設(shè)備空間和設(shè)施檢查通道。

（5）設(shè)計(jì)保證易于施工

在選用優(yōu)良耐久性材料、合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮到施工質(zhì)量也會(huì)影響橋梁耐久性，因此橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考察實(shí)際施工中的施工和工藝水平能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

3　橋梁結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)計(jì)算

3.1耐久性極限狀態(tài)的基本計(jì)算模型

目前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，先確定結(jié)構(gòu)使用壽命，再考慮耐久性因素對(duì)結(jié)構(gòu)影響下進(jìn)行耐久性極限驗(yàn)算：

s≤ηR

式中：S-設(shè)計(jì)的內(nèi)力值；R-結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計(jì)值；η為根據(jù)可靠度指標(biāo)求得的耐久性系數(shù)。

該方法簡(jiǎn)單，含義明確，但是η并未反應(yīng)實(shí)際情況中載荷、材料、環(huán)境等耐久性危害的不同處。引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的主要因素是耐久性材料退化，其他因素相對(duì)次要，因此需定量分析各因素對(duì)耐久性的影響。對(duì)此，可進(jìn)一步設(shè)計(jì)其極限狀態(tài)計(jì)算模型，它是建立在綜合考慮到偶然因素對(duì)鋼筋、混凝土的影響基礎(chǔ)上。

3.2耐久性承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)橋梁中鋼筋混凝土，應(yīng)對(duì)跨中正截面、腹板寬度有變化地方和距支點(diǎn)半梁高處的抗彎承載力進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、腐蝕情況隨時(shí)間的變化，并計(jì)入一些影響系數(shù)，根據(jù)內(nèi)力平衡求得。

4　結(jié)論

本文對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討，從多方面介紹混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的方法、影響因素和提高措施，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范化打下基礎(chǔ)，也為工程設(shè)計(jì)提供重要的參考價(jià)值。

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U448.33

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1673-0038（2015）13-0169-02

2015-3-5