公路橋梁設計中的耐久性分析

王勇

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

我國橋梁建設事業飛速發展，橋梁設計水平也逐步達到國際領先水平，按照可持續設計理念，在橋梁的結構安全、材料耐久、造型美觀、功能適用等方面有了較大的突破，并形成了科學合理的設計規范。但是在橋梁的實際使用過程中，隨著承載軸次的增加，或多或少的出現了結構疲勞老化、安全性降低、局部破損、耐久性不足等問題，這一方面與施工質量管理及后期的管理養護有關，另一方面與設計過程中沒有采取合理結構設計有關，因此本文從設計角度來分析公路橋梁的耐久性問題，探討提高橋梁耐久性設計的措施。

1 公路橋梁設計中耐久性分析的重要性

公路橋梁的耐久性是指橋梁結構在使用過程中對環境作用及荷載作用的抵抗能力，在一定的時間內，保障其安全和適用性。橋梁在使用過程中經受環境因素和荷載的反復作用，會出現結構強度下降，材料性能降低，疲勞損傷等狀況，影響橋梁的使用安全。在工程實踐中尋找影響橋梁耐久性的原因，并積極尋求解決措施，在設計中采取合適的措施來提高公路橋梁的耐久性，有利于增加橋梁的使用年限，提高通行的安全性，提高投資利用率，也有利于完善我國橋梁耐久性設計的規范方法，提高橋梁設計水平。

2 目前耐久性設計中存在的問題

國內外大量研究分析和實踐證明引起橋梁結構耐久性不足及失效的原因在于結構設計、施工及養護的各個環節，通常表現在混凝土產生裂縫、破碎，鋼筋發生銹蝕、脆化，鋼筋與混凝土之間的粘結錨固作用減小等[1]，如圖1所示，橋梁耐久性不足不僅影響到其正常使用，也導致資金的浪費。目前耐久性設計中存在的問題主要體現在下列幾個發面：

1）公路橋梁方案設計中在結構體系、受力分析、經濟性預算方面考慮的較多，在結構材料、維護及耐久性等方面缺少考慮，因此就會導致所設計的橋梁整體性不足、局部受力不均、構件截面尺寸不滿足要求等，導致橋梁的耐久性下降。

圖1 公路橋梁耐久性不足引起的病害

2）目前關于橋梁設計的耐久性理論還有待完善，大部分橋梁在設計使用年限到達之前就做了拆除或更換，因此設計人員和管養人員往往對橋梁使用的耐久性認知不足，只重視強度的極限狀態，而不重視使用的極限狀態。設計中往往將耐久性當作一種概念，或者按照規范套用滿足耐久性要求即表示所設計的結構符合要求，并沒有根據實際使用條件去深度挖掘可能會導致橋梁耐久性下降的因素和解決措施，例如在沿海地區氯離子含量高，就需要設計嚴格的條件，進行鋼筋的保護處理，不能只按照規范簡單的套用。

3）設計人員的專業素質有待于提高，目前設計院設計人員的學歷水平較好，大多都是應屆畢業生，這就產生了這部分設計人員的現場經驗不足的現象，在耐久性分析中許多細節的處理上存在欠缺。此外盡管國內外進行了諸多的研究，但是研究成果并沒有轉化，與實際建設存在脫節現象，目前國內橋梁的耐久性構造也比較少，對實際的應用研究也帶來困難。

3 耐久性退化機理分析

橋梁耐久性與材料及結構耐久性退化及結構耐久性設計方法有關。鋼筋混凝土結構在環境條件下會引起物理變化發生表面磨損、凍融破壞，發生化學變化溶出型、溶解型侵蝕，此外由于碳化及CL-侵蝕引起鋼筋銹蝕，自身的堿-骨料反應，也會導致材料的耐久性下降[2]。結構的耐久性退化一方面是由于構件之間的聯結強度下降，銹后構件的承載能力、粘結錨固性能、銹蝕量增大等會導致鋼筋混凝土強度下降，裂縫寬度加大。另一方面在進行耐久性評估時采用環境指數評定法、隨機動態可靠度方法時選擇的環境因素過少，或者環境參數選擇的不恰當，也會導致橋梁的耐久性不足，提前出現破損狀況。

4 提高公路橋梁耐久性設計的有效措施

4.1 規范耐久性設計過程

在橋梁的耐久性設計時，需要明確耐久性設計過程的主要工作，規范化設計流程，增加設計的嚴謹程度。首先需要確定橋梁的設計壽命，明確橋梁結構的耐久性極限；第二，需要進行環境效益分析，分析橋梁耐久性的劣化因素并進行機理分析，找出原因加以克服；第三需要選擇合適的耐久性模型，確定耐久性設計參數，進行常規計算，并對結果加以修正；最后將耐久性參數應用到最終的設計中。

在確定耐久性壽命時，需要明確構件耐久性終結的極限狀態，可分為材料的耐久性極限狀態、截面的耐久性極限狀態及結構耐久性極限狀態，如圖2所示為曲線1、2為氯離子和碳化作用引起的鋼筋混凝土性能隨時間變化，曲線3表示預應力混凝土結構性能隨時間的變化，在設計過程需要明確不同情形下的耐久性極限，合理的確定耐久性壽命，積極借鑒現階段研究成果，將研究成果應用于橋梁的耐久性設計中。

圖2 不同條件下的極限轉態對比

4.2 完善橋梁耐久性設計參數

現行規范中根據環境類別設計最低混凝土強度等級和鋼筋的最小保護層厚度，但是設計者往往習慣于直接取最小保護層厚度作為設計采用值。根據相關研究表明[3]，鋼筋混凝土結構性能與空氣濕度有較大關系，在全國的重點城市進行溫度濕度調查，年平均氣溫和濕度相近的城市在環境類別劃分上差距較大，因此在耐久性設計中需要完善參數設計，既要考慮現階段環境因素的影響，也要適當的增加考量因素，盡可能在設計中模擬真實環境的影響。

4.3 加強橋梁的防水設計

橋梁防水是保障橋梁構造和防腐的第一道屏障，在設計中需要加強橋梁的防水和排水設計。橋梁的防水設計需要遵循整體性原則，建立可檢、可修、可換的防水體系，在主梁內需要建立良好的通風和排水系統，保持主梁的干燥環境，橋臺和背墻要達到快速排水的要求，在橋面板和邊梁做好防水措施，采用可更換構件和涂層來保護鋼筋。要注重細節設計，保證結構設計的可施工性。

5 結語

公路橋梁的耐久性需要合理的設計、嚴格的施工控制、良好的管養條件才能夠保證，耐久性設計有利于提高公路橋梁的服務年限，降低全壽命周期成本，因此有必要提升橋梁的耐久性設計水平、理念及方法。本文所提出的耐久性設計過程、耐久性參數完善方法及防排水設計可有效改進現階段的橋梁耐久性設計，同時作為一個系統工程，耐久性的設計方法還需要在今后的研究與實踐中不斷總結和完善。