橋梁結構耐久性的影響因素及優化設計

張久鵬

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

橋梁是交通工程的重要組成部分，也是道路工程中的難點工程，無論是設計還是施工，都對相關技術人員提出了較高的要求。而技術工作者也越來越認識到橋梁結構的耐久性會嚴重影響橋梁的使用。我國有學者曾提出橋梁的使用時間越長，耐久性會越低，從而出現較多問題，如混凝土保護層脫落，鋼筋被氯鹽腐蝕等[1]。這給橋梁的安全性造成了極大的危害，同時也會增加橋梁的維修保養費用。文章主要先分析了影響橋梁耐久性原因，再基于橋梁耐久性的前提，提出了可靠度的研究方法。其宗旨是通過這種方式增加橋梁的使用時間和安全性，減少經濟損失。

1 橋梁結構的耐久性定義

橋梁耐久性是一個關鍵的概念，其定義決定了研究人員的研究范圍和研究對象，還會直接影響技術工作者對問題的分析。我國學者針對耐久性做了如下定義：橋梁耐久性是指橋梁在設計要求的使用期限內，不用投入較多資金進行加固就能結構的可靠度，使用的安全性，以及外觀的完整性[2]。

2 橋梁耐久性的作用機理及影響因素

橋梁的耐久性的影響因素眾多，各自因素的影響方式不盡相同，作用時機理也有所差異。針對橋梁耐久性的影響因素以及各個因素的作用機理，進行了詳細的分析和研究，發現影響因素有水泥的型號和用量、外加劑的類型、水灰比、裂縫、化學物質的腐蝕以及凍融循環的作用等[3]。文章主要對橋梁混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕、混凝土的堿-骨料反應、混凝土的凍融循環、氯離子的侵蝕五個方面進行影響因素分析。

2.1 混凝土的碳化

由于混凝土存在孔隙，大氣中的CO2會由此進入，并溶解在混凝土內部結構的薄膜水中，然后通過混凝土孔隙向混凝土內部擴散并溶解于孔隙水中，使混凝土構件本身存在的游離Ca2+和水中分解的OH—形成堿性物質Ca(OH)2。孔隙中的CO2與堿性物質Ca(OH)2發生化學反應形成CaCO3，這個過程稱為碳化反應。同時CSH在CO2的作用下，在固體和液體的臨界面發生碳化反應生成CaCO3和SiO2，混凝土碳化過程的化學反應式如下：

Ca(OH)2與鋼筋表面的鐵離子發生化學反應產生鐵銹的主要成分Fe2O3和Fe3O4，而這兩種物質的特點是難溶于水。碳化反應生成的CaCO3封堵了混凝土中的孔隙，使孔隙率降低，從而提高了混凝土的密實度[4]。隨著化學反應的進行，碳化程度加深，混凝土的pH值會越來越小，當混凝土的保護層厚度全部被碳化時，鈍化膜剝落鋼筋開始生銹。從以上現象可知，對于鋼筋混凝土，碳化作用會使構件的保護層厚度減小，降低對鋼筋的保護作用。鋼筋混凝土碳化如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土碳化圖

影響混凝土碳化反應的主要因素包括：所處環境的溫度及濕度、CO2含量、水泥品種和用量、外加劑的種類及摻量、水灰比、混凝土的振搗時間和混凝土的養護時間等。

2.2 混凝土中鋼筋的銹蝕

分析鋼筋混凝土碳化機理可知在碳化過程中，混凝土中鋼筋的表面形成了一層化學物質，稱其為鈍化膜，一般情況下，鈍化膜自身對鋼筋沒有腐蝕作用，而隨著保護層的剝落，鈍化膜也開始脫落，鋼筋表面形成開始生銹[5]。這時鋼筋混凝土的保護層開裂，鋼筋的截面積減小，混凝土的抗拉強度降低。最終不能保證構件的安全使用性和外觀完整性。

混凝土中鋼筋銹蝕的過程的化學過程如下：

混凝土中鋼筋的銹蝕參與因素包括氯離子濃度、pH值及環境溫度。

2.3 混凝土的堿-骨料反應

混凝土的堿-骨料反應是指混凝土中的堿性物質與骨料中的活性成分之間發生反應使混凝土結構發生破壞。堿-骨料反應引起的混凝土結構開裂是整體性的且后期無法維修。

堿-骨料反應的影響因素包括：混凝土構件自身的堿性物質、骨料中的堿活性物質及混凝土長期使用的環境過于潮濕。

2.4 混凝土的凍融循環

混凝土中的水在晝夜交替變化下，會出現晚上結冰，白天化冰的循環過程，在這個過程中混凝土同時受滲透力、凍脹力的作用，最終使混凝土耐久性達不到要求。

影響混凝土凍融循環的因素包括以下幾個方面：（1）混凝土的水灰比。水灰比直接影響混凝土結構和孔隙率，水灰比越大，結構的自由水越多，混凝土的抗凍融能力會越差。（2）構件自身的含氣量。構件本身存在著大量的小孔隙，溫度降低后，混凝土因環境溫度的下降會開始受凍，混凝土中的水也會因結冰而體積膨脹。為了減小混凝土受到的靜水壓力，構件自身的孔隙會抑制水結冰，因此可通過摻入引氣劑來提高混凝土的抗凍性。在一定范圍內混凝土的抗凍性會隨著混凝土中含氣量增加而提高[6]。

2.5 氯離子的侵蝕

混凝土內部以及外界環境以及海水中都會存在氯離子，會對構件造成侵蝕。氯離子銹蝕鋼筋主要表現在以下三方面：（1）破壞鈍化膜；（2）氯離子的陽極去極化作用；（3）氯離子導電作用。鋼筋混凝土中氯離子侵蝕的影響因素為鋼筋周圍存在一定濃度的氯離子。

3 橋梁耐久性設計方法研究

本節基于橋梁耐久性的前提，提出了可靠度的研究方法。將CO2含量，外界環境的溫、濕度等作為橋梁壽命周期的常量；將時間變化下的荷載效應用S(t)表示；將構件在環境等外部因素影響下的時變抗力用R(t)表示。

3.1 橋梁構件時變抗力R(t)的確定

文章中確定R(t)時以時間為自變量，以混凝土的截面面積、銹蝕鋼筋的極限強度、混凝土與鋼筋的黏結強度作為因變量，表達式如下：

式中：R(t)表示時間為t時結構的抗力；R0表示結構初始抗力；△R(t)表示環境等外部因素影響下的構件抗力的減小值。

3.2 橋梁構件控制方程的確定

橋梁結構為保證自身的安全耐久性必須滿足自身的抗力大于等于外部荷載的作用力。控制方程表示如下：

由于橋梁構件耐久性分析的復雜程度較大，因此該公式存在一定的局限性，必須處于以下幾種情況才能通過該公式計算：（1）構件截面為單筋截面；（2）截面形式為矩形；（3）不記受壓區對構件承載力影響。

3.3 基于蒙特卡洛法的耐久性分析

根據可靠度的定義可以將橋梁構件耐久性的表達式如下：

根據R(t)和S(t)的瞬時值得到構件某一時刻的可靠度Z(t)，最后以時間為自變量，瞬時可靠度為因變量，得出構件某一時間內的變化規律。

4 結語

實際工程中，橋梁結構發生的病害較多，其中橋梁結構的耐久性不足是主要原因之一，而影響橋梁耐久性的因素也較多，通過研究發現橋梁耐久性不足是結構微觀上發生的改變。針對環境引起的橋梁結構耐久性不足的問題，文章依據可靠度法得出了抗彎構件截面耐久性的計算方程，為橋梁耐久性的設計提供了思路和辦法。