橋梁結構耐久性的影響因素及優化設計研究

鄭建文

摘 要：為了提高橋梁結構建設水平，首先從混凝土碳化、鋼筋銹蝕、裂縫指標、設計及施工等方面分析了橋梁耐久性的影響因素，隨后基于耐久性失效方程分析了橋梁結構耐久性設計方法，并提出相應的設計要點，研究成果可為類似的橋梁工程建設提供理論指導。

關鍵詞：橋梁;耐久性;影響因素;優化設計

1 橋梁結構耐久性影響因素

1.1 材料劣化的影響

橋梁結構材料由鋼筋和混凝土組成，其耐久性損失通常是從材料劣化開始的。鋼筋和混凝土的劣化可由化學或物理作用引起，主要表現形式包括混凝土碳化、鋼筋腐蝕等。

（1）混凝土碳化。大氣里CO2含量高，CO2先和外界環境各種水分發生化學作用產生碳酸性物質，再與橋梁結構中的堿性物質產生中和反應，降低混凝土的pH值的現象稱之為混凝土的碳化?；炷撂蓟磻a物是CaCO3，而CaCO3溶解性較差，且體積會增加17%左右，故混凝土凝膠孔隙可能被碳化物填充，使混凝土孔隙比降低。碳化反應還會提高混凝土脆性，降低其延展性。但是，混凝土碳化對橋梁結構耐久性影響的最關鍵原因是pH值的降低，因為pH值較小，容易使鋼筋脫鈍和銹蝕。

影響橋梁結構混凝土碳化程度原因包括混凝土本身特性和外部環境兩方面，前者包括水灰比、水泥用量、骨料粒徑、外摻劑等，其中混凝土碳化速度與水灰比和骨料粒徑成正比，與水泥用量成反比;后者主要有相對濕度、CO2濃度、溫度、施工技術等，其中混凝土碳化速度與CO2濃度的平方根和溫度成正比。同時，環境濕度在70%～80%時，混凝土碳化速度最快。

（2）鋼筋銹蝕。橋梁混凝土一般呈堿性，會在鋼筋結構表面形成一層鈍化膜保護鋼筋不受腐蝕。但是在足夠的O2與H2O環境中，鋼筋容易失去電子出現如下各種電化學反應：①陽極：Fe→Fe2++2e;②陰極：O2+4H2O+4e→4OH—;③陽極二次反應：Fe2++4OH—→Fe（OH）2。

電化學反應會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋處于一種“脫鈍狀態”，此時鋼筋表面會出現大量紅銹，使得氯離子慢慢滲進混凝土內部。當處于游離狀態的氯離子大于臨界濃度時，會加速鋼筋銹蝕，即混凝土中氯離子含量越高，鋼筋的銹蝕速度越快。

1.2 裂縫的影響

在混凝土橋梁運營期間，出現各種構造裂縫往往是難以避免的，且隨著橋梁使用時間的增加，裂縫數量和寬度也會進一步擴展。通常情況下，微細裂縫是對橋梁結構承載能力、耐久性等工作性能影響較小，但裂縫寬度不宜過大，否則會影響混凝土碳化、凍融損傷、鋼筋銹蝕，從而影響橋梁耐久性，主要體現在以下幾個方面：

加速混凝土碳化：混凝土裂縫會減小橋梁抗疲勞能力，使其更容易剝落破壞;

加劇凍融損傷：如果混凝土裂縫較寬，環境中的各種水容易滲入，當溫度降到零度以下，水分凍結成冰，體積膨脹，混凝土更容易凍脹開裂;

鋼筋銹蝕更嚴重：CO2和Cl—更容易通過裂縫向混凝土內部擴散，會增加鋼筋表面化學反應面積，加劇鋼筋銹蝕程度。

此外，相關研究成果表明，裂縫寬度指標和鋼筋銹蝕程度之間存在密切聯系，見圖1：

由圖1可知，混凝土裂縫寬度越大，鋼筋越容易發生嚴重銹蝕。當裂縫寬度不超過0.1 mm時，鋼筋發生微銹蝕、銹蝕和嚴重銹蝕的可能性基本相同。當裂縫寬度大于0.2 mm時，鋼筋發生嚴重銹蝕的概率達到了73%。

1.3 設計、施工因素的影響

（1）設計原因。目前國內橋梁設計規范，如《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）等中對橋梁混凝土結構的長期耐久性沒有系統性的規定。同時，設計單位、咨詢單位在開展橋梁設計任務時，往往以工程類比法為主，設計理念較保守，過分強調混凝土剛度、強度、截面尺寸等指標，對橋梁結構耐久性重視程度不足，引起橋梁在長期運營期間出現結構損傷。

（2）施工原因。在設計方案合理的前提下，橋梁結構耐久性主要取決于混凝土的施工。但是，公路橋梁在施工期間，各參建單位為了趕工期，可能采取刻意減少混凝土養護時間、使用大量早強劑、采用蒸汽養護等措施，使混凝土的耐久性大幅降低。

2 橋梁結構耐久性優化設計分析

2.1 橋梁結構耐久性設計方法

進行橋梁耐久性設計之前要明確耐久性極限狀態，然后根據影響橋梁耐久性的各種因素特性，建立宏觀模型。我國常用橋梁結構耐久性設計方法是基于可靠度理論的極限狀態法，即將影響橋梁可靠性因素視作隨機變量，對其所承受的各種荷載、結構抗力等進行調查統計，并運用數理統計理論分析隨機變量特性，以得到公路橋涵的總體可靠度水平。最后，采用分項系數法對橋梁結構的極限狀態進行計算，并滿足如下條件：

式中：—橋梁結構重要性系數，取決于橋涵等級;—作用效應組合設計圖;—結構抗力隨機函數;—結構幾何設計值;—材料強度設計值。

2.2 橋梁結構耐久性設計要點

（1）合理確定橋梁壽命。橋梁混凝土的工作性能會隨著時間增加而出現一定程度的劣化。同時，橋梁使用壽命影響因素復雜，應當綜合考慮項目的區域概況、建設等級、施工水平、養護措施、工程造價等因素。如沿海地區對橋梁結構耐久性控制更嚴格;橋梁建設等級越高，使用壽命要求越高。

（2）提高橋梁線形平滑度。橋梁屬于桿系結構，結構體系及構造的合理性直接決定了橋梁截面的應力分布，從而影響混凝土耐久性。對于結構不連續位置，鋼筋布設位置及數量確定難度大，且應力分布形式較復雜，容易出現應力集中現象，往往會成為混凝土耐久性的薄弱部位。在進行橋梁設計時，應確?；炷两Y構線形簡單、少突變，少棱角，盡可能地減少鋼筋暴露面積。

（3）控制構造裂縫。水和空氣會通過裂縫滲入混凝土結構，加劇混凝土和鋼筋的劣化，故橋梁混凝土盡量選擇預應力形式的，構造鋼筋布置時間距也不宜過大，以減少構造裂縫。同時，橋梁混凝土的構造裂縫不應設置在受剪受彎嚴重，受力復雜的位置。

3 結語

本文針對橋梁耐久性的影響因素和優化設計方法等方面開展研究，主要得到了以下幾個結論：（1）橋梁耐久性損失一般從材料劣化開始，體現在混凝土碳化、凍融損傷、鋼筋腐蝕等方面;（2）微細裂縫是對橋梁結構耐久性影響不大，但當裂縫寬度大于0.2 mm時，鋼筋發生嚴重銹蝕的可能性明顯提高;（3）橋梁設計時可基于可靠度理論，利用混凝土耐久性失效方程來計算;（4）合理確定橋梁壽命、提高橋梁線形平滑度、控制構造裂縫等措施可提升橋梁結構耐久性。

參考文獻：

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