混凝土橋梁結構的耐久性問題與優化對策分析

于國功

（河北省高速公路京衡管理處,石家莊 053020）

混凝土橋梁結構的耐久性問題與優化對策分析

于國功

（河北省高速公路京衡管理處,石家莊 053020）

目前，我國處于經濟高速發展階段，城市化進程日益加快，城際間交通對橋梁的需求不斷增加。橋梁構建的重要指標為耐久性問題，耐久性關系到橋梁的合理使用、養護成本和后期維護等方面。《混凝土結構耐久性設計規范》（GB50476—2008）明確規定了橋梁的使用周期、用途和不同環境的構建標準。論文從數據統計和分析角度出發，分析（混凝土）斜拉橋開裂、（混凝土）梁式橋下撓、（正交異性）鋼橋面疲勞裂縫問題，主要涉及（混凝土）梁抗裂、（正交異性）鋼橋面優化、橋梁耐久性保障等方面內容。同時，回顧性分析國內、外橋梁破壞事故原因，并基于橋梁監測、控制和設計規范的安全性優化對策。

耐久性；安全性；橋梁事故；橋梁結構

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.035

1 前言

目前，國內混凝土建筑的使用壽命在30～40a，之后需要大面積修繕才能持續使用。其中，處于熱帶風暴、海風侵蝕的東南沿海建筑[1]，其使用壽命為35a左右。部分建筑工程使用12～15a就出現鋼筋銹蝕、混凝土裂紋和結構組件剛性降低等問題，形成大量混凝土固體垃圾。混凝土結構耐久性設計屬于現代施工技術范疇，可以有效地減少工程的后期隱患的發生率，保證建筑的可持續使用。

2 混凝土橋梁結構的耐久性問題分析

良好的耐久性可以提高混凝土橋梁的抗風化能力，降低所處環境對橋梁的侵蝕率，延長橋梁的使用周期。因此，耐久性是橋梁的整體性能的體現。優良的混凝土構建，處于正常環境中，可以表現出原有的外形、剛性和質量，并發揮相應的現役功能。《混凝土結構耐久性設計規范》（GB50476—2008），中明確規定[2]：現役橋梁的使用周期＞100a，甚至更長時間。然而，事實上，現役混凝土建筑在在30～40a就需要重建，部分建筑使用周期不足設計周期的1/2，就出現不同程度的疲勞裂縫、構建剛性降低和主要拱下撓等問題。

2.1 混凝土斜拉橋出現裂縫

自1975年我國建立第一座斜拉橋以來，已經先后建造248座斜拉橋，92%以上采用鋼筋混凝土主梁。目前，國內（混凝土）斜拉橋均出現主梁開裂的問題。2015年調查數據顯示：（混凝土）斜拉橋開裂主要為4種形式[3]，頂板裂縫占42%，底板裂縫占32%，腹板裂縫占21%，隔板裂縫占4%。上述橋梁使用年限處于11～26a之間，平均年限為8.4a±2.1a，遠低于預期100a的設計要求。

（混凝土）斜拉橋出現裂縫主要是以下兩方面原因：一是主觀原因，初期設計不足、構造不合理、材料使用不當，以及施工監管不利等；二是客觀原因，重型卡車通過率增加、混凝土伸縮比例過低，以及所處環境的多變等。雖然專家們對上述原因導致的裂縫進行了大量的實際調查和分析，但仍然難以得出一般性解釋結論。我國混凝土斜拉橋出現裂縫情況見表1。

表1 我國主要混凝土斜拉橋出現裂縫統計表

2.2 混凝土梁式橋出現下撓

中型、大型跨度橋梁采用梁式結構，分為連續式預應力混凝土橋、連續式混凝土鋼構橋，跨度范圍為[100，300]m，連續式混凝土鋼構橋適合大型跨度橋設計。目前，我國擁有連續式預應力混凝土橋（＞200m），諸如，虎門大橋復航道橋（1997建）。連續式預應力混凝土橋的耐久性問題在于主跨出現大幅度下撓[4]，其原因為構建變形、梁體開裂。然而，連續式預應力混凝土橋出現下撓問題，是全世界建筑行業面臨的問題，其主要通過拱度預設的方式進行控制，例如，瑞典通過提高0.5%的預留撓度進行控制。下撓問題一旦出現，很難進行有效恢復，諸如，美國曾經出現下撓加固過程中，出現重大坍塌事故。

2.3 正交異性鋼橋面疲勞

正交異性鋼橋面最早由德國工程師提出，其主要是借助當時軍艦船舶甲板構造，設計出來的鋼面橋梁。正交異性鋼橋面要求橋梁表面鋼板厚度＜10mm，周圍采用縱肋的結構設計，各個縱肋之間進行橫隔連接。然而，正交異性鋼橋面在使用過程中，會出現面板逐漸暴漏、縱向肋焊接疲勞裂縫問題，嚴重影響橋梁的正常使用。例如，我國的廣東省虎門大橋，其采用正交異性鋼橋面設計，各個縱肋之間連接扁平鋼箱梁（d：35.6m，h：3.0m），鋼板厚度l：12mm，并進行間距：620mm、厚度：8mm的U肋結構加固。在廣東省虎門大橋使用過程中，橋梁的橫隔、縱肋之間出現不同程度縫隙，位置如圖1所示。

圖1虎門大橋正交異性鋼裂縫類型

圖1所示，A型疲勞裂縫為頂板裂縫，開裂方向為頂板（縱向）U型肋鋼面底部鋼面頂部。B型疲勞裂縫為腹部裂縫，頂板U型肋U型肋彎曲位置。D型疲勞裂縫為U型肋裂縫，開裂方向為U型肋橫隔連接處[5]。E型疲勞裂縫為橫隔裂縫，裂縫方向為U型肋橫隔橫隔斜向方。

圖2 虎門大橋車輛重軸分布結果

正交異性鋼橋面出現裂縫的主要原因為：橋面承載過多運輸量，諸如，車輛密度提高，車軸重量增加等。調查數據顯示：虎門大橋（見圖2）自2005年～2010年，日交通量由14840輛增加至124 140輛，增長系數為5.1，橋面車道承受1.56億次運輸，超過0.56億次額定強度。

圖2顯示：虎門大橋車輛重軸分布為50kn、150kN和420kN，而橋梁預設計重軸為200kN，實際重軸超過預設重軸的1倍以上。通過深入調查發現：虎門大橋疲勞裂縫主要出現在大型車道上，特別是重型卡車車道上。卡車承載量大、通過密度高，相對來說鋼面板比較薄，表面瀝青出現破損后，增加了車輛對橋體的沖擊。上述綜合結果，使得虎門大橋由初期的疲勞裂縫到后期的疲勞破壞。

3 混凝土橋梁結構的耐久性優化對策

隨著橋梁坍塌事故的不斷出現，國內外建筑行業越來越重視橋梁結構的耐久性設計[6]，特別是混凝土梁抗裂優化、正交異性鋼橋面優化和橋梁耐久性優化設計。下面進行詳細闡述。

3.1 混凝土梁優化對策

單一橫梁設計不能應對復雜的自然環境和使用需求，綜合的橋梁設計可以增加橋梁的使用范圍，諸如結合梁。結合梁作為一種混凝土梁的優化手段，可以實現對混凝土梁的抗裂優化。例如，浙江寧波的甬江大橋，預設跨度（468m），屬于混凝土斜拉橋，橋體截面如圖3所示，為雙邊主肋預應力混凝土結構。

圖3 甬江大橋橋體截面示意圖

初期專家評審過程中，專家不建議采用雙邊主肋混凝土截面設計，主要是考慮該橋型的耐久性問題。經過反復協商，采用結合梁設計，即在鋼箱梁位置進行預應力混凝土板加固。同時，鋼箱梁具有可替換的優點，大大提高甬江大橋的結構耐久性(見圖4)。

圖4 雙邊主肋混凝土與鋼箱梁結合示意圖

3.2 正交異性鋼橋面優化對策

目前，我國普遍存在卡車超載問題，特別是重型卡車，其嚴重影響橋梁的耐久性。車輛超載問題不能在短期內解決，在全球范圍內也不具備普遍性，只是我國經濟發展的階段性產物。為了保證正交異性鋼橋的正常使用，需要對其進行優化。例如，在保證橋面耐久性的基礎上，增加兩側重型車道的鋼板厚度，由12mm增加到16mm[7]。

3.3 大型橋梁的耐久性優化對策

我國處于經濟發展的時期，橋梁建筑規模越來越大，復雜程度日益增加，功能需求不斷提高。在此背景下，混凝土橋后期的養護、替換和加固等問題隨之出現。在20世紀70年代，國內建筑設計者吸取國外橋梁設計經驗，針對我國國情，分析混凝土橋的耐久性問題、替換性問題和經濟性問題，并深入分析不同環境對橋梁的損害。橋梁耐久性的本質是滿足社會需要和合理利用問題，也就是橋梁結構的使用周圍問題。《規范》中明確規定，我國現役混凝土橋梁的耐久性要符合標準，其使用周期＞100a，甚至更長時間。部分投資巨大的超大型橋梁，或者跨海大橋，諸如，荊沙江大橋，其預設計使用周期應該為150～200a。在橋梁設計初期就進行整體需求預測，并制定相應標準，對于設計師來說很難。這主要是由于社會不斷發展、自然環境不斷變化，以及橋梁自身退化程度等諸多因素的存在。然而，設計師可以在橋梁使用過程中，進行不斷的結構優化，實現橋梁的可持續使用。因此，在橋梁設計初期，設計者要充分考慮橋梁中期施工的檢驗、可控，以及后期使用的維護、替換、檢驗，所以要具有設計拓展功能。

由于橋梁在使用過程中，各個構架相對獨立，使用頻率和壽命不完全相等，所以構建要具備可查、可檢、可修和可換的特點。諸如，橋梁橡膠墊的使用周期為20a，斜拉索護套為10a，斜拉索鋼絲為40a，結構油漆為15a[8]，需要進行不斷加強、替換。在自然、化學等外界因素作用下，橋梁結構容易出現形變，所以要進行不斷的維修、加固，以保證橋梁的耐久使用。橋梁耐久性要兼顧使用功能、技術和成本，在施工階段體現材料、施工的技術優勢，在使用階段體現簡單、易換的功能優勢，在維護階段要體現低廉、易購的經濟優勢。

4 結語

混凝土橋梁耐久性問題為階段性問題，體現在初期設計、中期施工和后期維護方面，其需要參照《GB50076—2008》進行相應操作。事實上，我國有關橋梁耐久性的規定尚不標準，需要在總結相應經驗的基礎上進行完善。目前，我國橋梁界要客觀、準確地統計和分析國內出現的破壞性事故，并分析相應的原因，提出有針對性的解決對策。同時，針對橋梁出現的疲勞裂縫、鋼筋銹蝕和橋面開裂等結構耐久性問題，采用科學的評估方法進行分析，有針對性地進行維護、加固和替換，實現橋梁的可持續使用。

【1】周履.橋梁耐久性發展的歷史與現狀[J].橋梁建設,2010(4):58-61.

【2】陳艾榮,吳海軍.關注橋梁設計中的安全性和耐久性[J].中國公路, 2012(23):67-69.

【3】張師定.橋梁建筑的結構構思與設計技巧[M].北京:人民交通出版社,2012.

【4】RYALLMJ.BridgeManagement[M].ButterworthHeinemann,2012.

【5】陳艾榮,吳海軍.基于耐久性的橋梁設計的幾個原則[J].上海公路, 2013(2):116-121.

【6】熊德國,鮮學福.模糊綜合評價方法的改進[J].重慶大學學報,2013, 26(6):9395.

【7】李宏男，李忠獻，祈皚，等.結構振動與控制[M].北京：中國建筑工業出版社，2015．

【8】高仁輝,秦鴻根,龐超明.粉煤灰摻量、氯離子含量和pH值對混凝土中鋼筋銹蝕的影響[J].混凝土與水泥制品,2015,141(1):13.

The Analysis of Concrete Bridge Structure Durability and Optimization Countermeasures

YU Guo-gong
(Hebei ProvincialHighway Management Office,Shijiazhuang 053020，China)

With the continuous development of the city,the rapid popularization of high-rise buildings,the attendant concrete structure durability,securityissuesbecomethekeyissueofarchitecturaldesign."Concretestructuredurabilitydesigncode"(50476-2008GB)inthe provisions:concrete structure durability design should be designed with reference to the environment and use.The durability of concrete structureisinfluencedbymanyfactors,suchasstructuredesign,constructiontechnologyandmaintenance,etc.,totakeeffectivemeasuresto improvethedurabilityofthestructureisthemainmeans.Fromthedatastatisticsandanalysis,analysisofconcretecable-stayedbridgecrack, (concrete)beam bridges deflection,orthotropic)steel deck fatigue crack problem,mainly related to concrete beam crack,(orthotropic) optimization of steel bridge deck,bridge durability,security etc.aspects in the paper.At the same time,the reasons of domestic and international bridge failure are analyzed,and the safetyoptimization measuresbased on thebridge monitoring,control and design code are analyzed.

durability;safety;bridgeaccident;bridgestructure

U448.33

A

1007-9467（2016）07-0138-03

2016-02-01

于國功（1975～），男，河北井陘人，高級工程師，從事高速公路管理研究，（電子信箱）js8834@163.com。