基于耐久性混凝土橋梁合理耐用構造設計

王程程 周子筠

（武昌工學院 湖北武漢 430065）

引論

目前我國公路橋梁數量已超過80萬座，橋梁已成為中國建造的靚麗名片。一座座新穎奇特的現代橋梁，正在重塑中國經濟地理的新標志。有著交通工程的“珠穆朗瑪峰”之稱的港珠澳大橋的建成，作為連接香港、珠海、澳門的經濟大動脈，將帶動三地經濟的飛速發展，勾勒出中國經濟運行效率的新版圖。我國廣大橋梁建設者緊跟國際橋梁建設前沿技術，不斷在橋梁結構體系設計、核心材料研發、關鍵施工工藝等方面不斷創新突破，使我國橋梁建設水平顯著提升，橋梁結構耐久性不斷提高。然而，分析很多橋梁病害的工程實例發現，在橋梁設計領域仍普遍存在著重強度設計而輕耐久性設計的現象，主要是基于強度理論的結構體系方面的設計，而對結構構造方面考慮的較少，從而忽視了結構體系、結構構造、結構材料、結構維護等耐久性方面的設計，導致其常常因構造方面的問題影響橋梁結構的耐久性。

結構構造是指橋梁結構內部各部分之間的布置方式，如結構構成形式、鋼筋布置方式、保護層厚度等?；炷翗蛄汉侠砟陀脴嬙煸O計必須同時考慮使用環境、材料質量、施工難度、結構維護以及經濟合理性等諸多因素，改善結構受力性能、提高結構體系的整體耐久性。張譽認為混凝土保護層厚度、伸縮縫構造、鋼筋設置等構造設計是影響混凝土橋梁耐久性的首要因素。陳肇元院士也將保護層厚度、防水層設置、伸縮縫等構造措施列為耐久性設計的主要考慮因素[1]。本文主要從混凝土保護層厚度、橫隔梁（板）構造、鉸縫構造、防排水構造以及可檢修可更換構造等方面，提出混凝土橋梁合理耐用構造設計措施，以供橋梁設計人員參考。

1 混凝土橋梁結構構造常見病害及設計缺陷分析

1.1 混凝土保護層厚度

常見病害：混凝土保護層不僅能保證鋼筋與混凝土的粘結作用，同時也能防止外界有害介質的侵入，保護鋼筋?；炷帘Ｗo層厚度不足，開裂或剝落，將導致鋼筋外露乃至銹蝕，嚴重影響橋梁結構的耐久性。但是保護層過厚，將增大構件表面收縮及溫度裂縫產生的概率。因此，對混凝土橋梁設置合理的保護層厚度對結構耐久性意義重大。

設計缺陷：我國混凝土保護層厚度規定是相應環境情況下的最低要求，設計者往往會因為經濟性因素取最小保護層厚度作為設計值，未考慮結構的耐久性。同時大多數橋梁混凝土保護層構造設計除了考慮到保護層厚度的確定及控制措施外，對由于混凝土自收縮受到鋼筋限制而產生的裂縫對混凝土保護層的影響研究不足，且缺乏較為系統的研究不同設計基準期，混凝土保護層的合理設置原則。

1.2 橫隔梁（板）構造

常見病害：橫隔梁（板）屬于橫向連接構造，使主梁連成整體，加強其整體性，共同受力。但橫向連接往往比較薄弱，在重載作用下，出現連接處混凝土剝落、構件表面裂縫等病害，繼而加劇其他構件病害的惡性循環，急劇降低橋梁結構的耐久性。

設計缺陷：橫向連接構造設計中對橫隔梁（板）的構造尺寸應根據工程實際不同的情況有具體明確的確定方法，應明確確定橫隔梁（板）的合理高度、厚度，應合理設計其截面，保證連接構件的剛度，增大受力。同時對橫向連接處，連接構造形式的選擇，應有明確的設計方案。

1.3 鉸縫構造

常見病害：鉸縫是梁體的薄弱環節，主要起傳遞剪力作用。鉸縫出現開裂等病害會形成單板受力、橫向連接開裂等破壞，嚴重影響行車安全。設計缺陷：鉸縫設計強度理論中未考慮鉸縫內橫向拉應力對鉸縫破壞的影響，鉸縫構造尺寸對其內部應力分布狀態未作深入的研究，同時，鉸縫的破壞是否會影響混凝土的疲勞破壞，應作細致的研究，以在鉸縫構造設計中，充分考慮其他因素的影響。

1.4 防排水構造

常見病害：橋面鋪裝層、伸縮縫等處的防排水構造設置不合理，將會導致積水直接排至梁體或支座上，引起梁體、支座等處混凝土腐蝕，進而加快鋼筋的銹蝕，嚴重降低橋梁整體的耐久性。

設計缺陷：目前，設計人員對橋面鋪裝層的防水層材料的選取有所欠缺，選用的防水混凝土，屬于剛性防水材料，容易出現裂縫，從而大幅度降低其防水性能。[2]而在重視橋面鋪裝防水層的同時，卻忽略了其他防水設施設置的合理性以及人行道范圍內的橋面防水防滲，從而引發橋梁結構出現防排水問題。

1.5 可檢修更換構造

常見病害：如在設計時，未充分考慮可檢修、可更換的因素，缺少相應的構造設置，或檢修空間不夠，不僅給橋梁的日常養護和維修帶來很多不便，也會在一定程度上影響橋梁的耐久性。如支座、伸縮縫以及排水系統等處的檢查、更換。

2 提高耐久性的構造設計原則

2.1 提高橋梁設計標準

橋梁結構設計規范應將環境作用下橋梁細部構造的耐久性與荷載作用下結構的安全性視為同等重要。相應增加定量的指標規定，與目前的社會環境與時俱進。在整體方案比選時，除了考慮施工技術和經濟指標外，還應對橋梁耐久性的相關指標和構造細節加以考慮，以保證橋梁整體的耐久性。[3]

2.2 保證施工的可行性

橋梁細部構造的設計應保證施工的可行性，設計時應立足于目前正常的施工水平，滿足施工需要，使施工方能采用成熟、方便的施工工藝和方法，保證施工的質量，以達到設計時細部構造的預想性能及提高橋梁的耐久性。

2.3 加強維修養護

橋梁運營中的檢測和養護維修是保證橋梁正常運營的必要條件，而細部構造的耐久性與合理地使用、檢修息息相關。在使用過程中如缺乏橋梁細部構造的養護規劃，隱患發現不及時或不加重視，小損傷、小病害維護處理不及時，隨著時間的推移，小病害將會積累成大問題，將嚴重影響橋梁的耐久性。因此，設計時應對橋梁的細部構造如伸縮縫、接縫、橋梁防水等部位設計成易于維護檢修的結構，便于修理更換，以提高橋梁整體的耐久性。

3 構造設計措施

3.1 保護層厚度構造措施

在設計混凝土保護層厚度時，應結合實際工程環境，充分考慮設計基準期及由于混凝土自收縮受到鋼筋限制而產生的裂縫對混凝土保護層的影響，綜合考慮構件承載力、施工水平和耐久性需要，合理設計混凝土保護層厚度。[4]在其導致的混凝土結構表面裂縫寬度增大的許可范圍內，可適當增加混凝土保護層厚度。

3.2 橫隔梁（板）構造措施

為了保證各主梁之間有足夠的橫向連接，橫隔梁（板）設計時應適當加密，且截面尺寸的設置及內部鋼筋的布置形式應合理，確保傳力路徑簡捷、明快。應加大構造鋼筋的配筋率，采用細、密的配筋原則，并且應在新舊混凝土結合面進行適當的構造處理。

3.3 鉸縫構造措施

改善鉸縫受力狀態提高鉸縫抗剪能力的主要措施是增加鉸縫鋼筋，防止縱向開裂，適當加大鉸縫設計尺寸，施工時保證鉸縫混凝土的密度和強度，保證新舊混凝土之間的粘結和抗剪能力，且應做好鉸縫構造防水措施。

3.4 防排水構造措施

應改進更新防水層所用的材料，或選用防水混凝土的同時再增加一層防水層，以保證結構的防水性能。同時，所有截面均應設有排水措施，合理設置防水層的厚度及排水坡度，選用適當的排水方式，盡快排水，以提高橋梁的防排水性能。

3.5 可檢修更換構造措施

根據橋梁的養護維修經驗，病害越早發現，及時整治，所需費用就越少，并且不會影響結構的耐久性。在不同的環境和使用條件下，除了采用合理的結構布局和構造細節設計外，還應考慮后期養護，給使用壽命低于結構使用壽命期的部件留有足夠的檢修空間，易查易修。因此，在設計階段，就必須將構件的可檢、可修和可更換加以考慮，并采取相應的措施，以方便橋梁在使用過程中的維護。

4 結語

本文基于耐久性混凝土橋梁合理耐用構造設計理念，從混凝土保護層厚度、橫隔梁（板）構造、鉸縫構造、防排水構造以及可檢修可更換構造等方面，分析了構造設計缺陷，并提出了混凝土橋梁合理耐用構造設計措施，以提高橋梁整體的耐久性，為今后的橋梁設計提供參考。