橋梁耐久性設計方法和關(guān)鍵問題探究

【摘要】影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多。在工程實踐中，我們應該不斷總結(jié)和吸取經(jīng)驗教訓。作為設計者，我們應該結(jié)合現(xiàn)有的設計經(jīng)驗和當?shù)氐墓こ探ㄔO實踐，仔細設計結(jié)構(gòu)的耐久性。本文探討了橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計方法。

【關(guān)鍵詞】橋梁；耐久性；設計方法；關(guān)鍵問題；探究

橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設計是橋梁結(jié)構(gòu)安全與舒適性等綜合指標的評價標準，所謂耐久性是在一定的設計年限內(nèi)，受到外界條件和其他突發(fā)事件影響能夠進行預期維護維修情況下，橋梁結(jié)構(gòu)具有的穩(wěn)定性、安全性、實用性。隨著過程經(jīng)濟社會不斷的發(fā)展，橋梁工程的數(shù)量也在不斷的增長，作為城市建設的支架工程，很多橋梁在建成不久就會出現(xiàn)問題，有些甚至出現(xiàn)倒塌等現(xiàn)象，因此，不斷的提升橋梁耐久性設計的水平，研究和完善設計方法對于橋梁工程未來的發(fā)展有著重要的意義。

1、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性出現(xiàn)問題的原因

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性出現(xiàn)問題的原因主要有以下方面：第一，混凝土是橋梁建設的主要材料，因此，對于混凝土的耐久性問題，主要原因是由于對混凝土結(jié)構(gòu)的設計、施工過程、維護工作出現(xiàn)了問題。我國的橋梁設計基本上都重視橋梁設計的強度，忽略了對橋梁的耐久性設計，以至于導致橋梁的耐久性出現(xiàn)問題，發(fā)生安全事故。最常見的是混凝土的耐久性出現(xiàn)問題。比如，混凝土的質(zhì)量不符合橋梁建設的要求，鋼筋的防護層不合格。由于防護層的厚度不足，達不到對鋼筋材料有效保護的效果。第二，在橋梁結(jié)構(gòu)的設計過程和后期使用過程中，由于缺乏維護，使得橋梁結(jié)構(gòu)材料失修，腐蝕嚴重，經(jīng)過凍融作用的循環(huán)，使橋梁結(jié)構(gòu)開始松散，進而造成垮塌，導致橋梁安全事故的發(fā)生。在橋梁的使用過程中，由于結(jié)構(gòu)之間的磨損和碰撞，使橋梁的質(zhì)量下降，橋梁結(jié)構(gòu)材料的使用壽命縮短，橋梁的安全性得不到保障。很多橋梁安全事故的發(fā)生，經(jīng)過后期調(diào)查，都是橋梁材料出現(xiàn)問題，或者是施工的質(zhì)量導致。我國也存在橋梁工程中的豆腐渣工程，這些橋梁工程不僅僅是由于橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，還有橋梁本身施工質(zhì)量的問題，橋梁的結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量不過關(guān)，比如，鋼筋太細，使鋼筋的受力面積減小，延長性不足，造成橋梁表面的受力點集中，導致整個橋面的受力不均勻，橋梁安全事故的頻發(fā)。

2、耐久性設計具體實施方法

2.1結(jié)構(gòu)的使用壽命以及機構(gòu)極限的耐久性

要根據(jù)橋梁工程的設計年限以及結(jié)構(gòu)耐久性等級來確定機構(gòu)的使用壽命和耐久性，在我國橋梁工程中，對于使用壽命問題沒有標準的規(guī)定，不同的橋梁工程的使用壽命都沒有唯一固定的范圍，在進行耐久性設計時，不要忽視橋梁結(jié)構(gòu)在運行中，由于外界因素的影響到結(jié)構(gòu)耐久性，雖然在設計中已經(jīng)對耐久性能的確定依據(jù)強度的極限狀態(tài)。耐久性設計要考慮到的耐久性極限，包括適用性、安全性、經(jīng)濟性，適用性極限的結(jié)構(gòu)需要全面維修恢復使用功能，安全性極限要確保結(jié)構(gòu)能夠承受最大的承載力分界值。經(jīng)濟性極限是指橋梁結(jié)構(gòu)中不能通過修復恢復正常使用的部分，喪失使用功能的同時，就不再具有經(jīng)濟性。

2.2基于概率極限狀態(tài)理論的耐久性方法

耐久性設計應該相對獨立，將可靠度理論方法引入環(huán)境指數(shù)評定，以概率極限狀態(tài)理論的耐久性設計是探索耐久性設計的必選過程。極限狀態(tài)模式失效概率的意義與結(jié)構(gòu)承載能力的極限狀態(tài)相似。主要表現(xiàn)在以高效的作用及材料抵抗環(huán)境作用力，并作為基本的變量。然后將環(huán)境作用和構(gòu)建材料抵抗環(huán)境的作用力作為隨機變量，產(chǎn)生R與S，然后限制R-S≤0的概率。具體方法要求根據(jù)工程的實際確定結(jié)構(gòu)的使用年限，再根據(jù)工程的工作環(huán)境來決定腐蝕的級別，據(jù)此設計出在規(guī)定時間內(nèi)使用的次數(shù)。然后設計出結(jié)構(gòu)抵抗作用能力大于環(huán)境對結(jié)構(gòu)作用準備應力耐久性的極限方程，利用極限去設計工程。這種方法主要將有害物質(zhì)對鋼筋表層的或混泥土保護層的脹裂作為極限狀態(tài)，主要用在混凝土常規(guī)指標、組成、保護層厚度強度等級等方面。它要求在實驗室的環(huán)境下，按照一定的標準式樣去確定混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性指標，如擴散系數(shù)、抗凍等級等。這一類方法解決了施工技術(shù)的要求以及耐久性的構(gòu)造要求。

2.3加強構(gòu)造配筋，防止和控制混凝土裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表，反過來，裂縫的存在會增加混凝土滲透性，提供了使侵蝕破壞作用逐步升級、混凝土耐久性不斷下降的渠道。當混凝土開裂后，侵蝕速度將大大加快，形成導致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的進一步退化的惡性循環(huán)。因此，防止和控制混凝土的裂縫，對提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂縫，除按規(guī)范要求控制正常使用極限狀態(tài)的工作裂縫以外，更重要的是要采取構(gòu)造措施，控制混凝土施工及使用過程大量出現(xiàn)的非工作裂縫。

2.4在結(jié)構(gòu)局部使用防腐材料

目前我國大量地修建16～25m 的多跨現(xiàn)澆連續(xù)鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的橋梁，由于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種必然地帶裂縫工作的結(jié)構(gòu)，因而在負彎矩區(qū)總會出現(xiàn)負彎矩裂縫，鑒于負彎矩區(qū)裂縫是一種向上開口的“V”形裂縫，橋面水容易滲入，遭受長期浸蝕后，負彎矩鋼筋的銹蝕問題是應予以重視的問題。近年來，由國外引進的環(huán)氧樹脂涂層鋼筋已在國內(nèi)生產(chǎn)，應用于一般鋼筋混凝土負彎矩區(qū)的鋼筋中，這對保證結(jié)構(gòu)的耐久性無疑是很好的事情。再如，英、美等國的調(diào)查均發(fā)現(xiàn)錨頭區(qū)有鋼絲銹蝕問題，甚至發(fā)生過橋梁倒塌事故，因而張拉結(jié)束后立即用環(huán)氧樹脂砂漿封堵錨頭可有效防銹。

結(jié)語：

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)設計的要求也越來越高。當前橋梁結(jié)構(gòu)工程設計的發(fā)展趨勢是從確定性的設計方法向概率設計方法的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗力和計入作用實際上存在的隨機性和將主要依靠至關(guān)經(jīng)驗確定的安全系數(shù)，變?yōu)橄到y(tǒng)地應用統(tǒng)計數(shù)學定量給出一定基準期內(nèi)機構(gòu)的失效概率和統(tǒng)一可比的可靠指標，這是當前工程設計概念、思想和方法上的突破。

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[2]李桂紅.客運專線橋梁結(jié)構(gòu)物高性能混凝土施工技術(shù)研究[J].高速鐵路技術(shù)，2017（4）.

作者簡介：

張進，中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧沈陽。