國內(nèi)外混凝土橋梁壽命與耐久性設(shè)計進展

阮 靜，左新黛，張德龍，陳 軍

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京，210004；2.交通運輸部公路科學研究所，北京市，100088）

0 引言

橋梁老化不僅是中國橋梁面臨的挑戰(zhàn)，也是一項世界難題。很多國家在規(guī)范中規(guī)定了橋梁的設(shè)計使用壽命，但實際壽命往往難以滿足，主要由于橋梁結(jié)構(gòu)面臨著環(huán)境侵蝕、超載、耐久病害顯著等問題[1]，規(guī)范中并未充分考慮橋梁的耐久性設(shè)計，由此造成了設(shè)計壽命和實際壽命間的差異。目前各國已從橋梁建設(shè)期轉(zhuǎn)入管養(yǎng)期，橋梁短壽問題造成安全性和經(jīng)濟性問題突出[2-3]，各國逐漸意識到該問題的重要性，在規(guī)范或指南中紛紛納入了耐久性設(shè)計的內(nèi)容。

本文圍繞國內(nèi)外混凝土橋梁使用壽命與耐久設(shè)計方法展開調(diào)查研究，分析耐久性問題對使用壽命的影響，闡述國內(nèi)外耐久性設(shè)計方法發(fā)展歷程，分析國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范或指南的共性和差異性，提出混凝土橋梁耐久性設(shè)計流程框架。

1 橋梁使用壽命現(xiàn)狀分析

1.1 設(shè)計使用壽命

橋梁設(shè)計使用年限是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分，在預期維護條件下，不需要進行必要的大修，即可按照其預定目的使用的給定期限。設(shè)計使用年限由以下要求組成[4]：（1）相關(guān)極限狀態(tài)的定義；（2）具體年限要求；（3）在這個年限內(nèi)沒有達到極限狀態(tài)的可靠性水平。歐洲規(guī)范[5]規(guī)定了橋梁等主要結(jié)構(gòu)物的設(shè)計使用年限（Design working life）為100 a，美國規(guī)范[6]規(guī)定橋梁的設(shè)計基準期（Design life）為75 a。中國規(guī)范[7]規(guī)定設(shè)計基準期為100 a，并給出不同等級的公路橋梁主體結(jié)構(gòu)及可更換部件的設(shè)計使用年限表。

1.2 實際使用壽命

橋梁的實際使用年限很難滿足設(shè)計使用年限的要求，例如美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）網(wǎng)站資料統(tǒng)計，62萬座橋梁實際使用壽命平均橋齡43.2 a，橋齡超過50 a的橋梁有23.3萬座，超過100 a的橋梁有1.2萬座。大部分橋齡未達到規(guī)范規(guī)定的75 a設(shè)計基準期，如圖1所示。

圖1 美國公路橋的橋齡分布圖

我國2011年各省市區(qū)上報的危橋改造情況中有9 746座五類橋，統(tǒng)計得出平均使用壽命為30.23 a[8]，如圖2所示，遠未達到我國規(guī)范規(guī)定的設(shè)計年限要求。

圖2 我國各類橋梁平均使用壽命分布圖（2011年統(tǒng)計）

1.3 短壽成因分析

影響橋梁壽命長短的主要因素包括[9]：（1）設(shè)計和施工階段確定的材料耐久性水平和結(jié)構(gòu)安全性水平；（2）服役過程中各種自然環(huán)境因素的負面影響；（3）服役過程中各種人為的影響。橋梁結(jié)構(gòu)處于復雜的環(huán)境中，環(huán)境具有侵蝕作用，使橋梁材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能出現(xiàn)不同程度的退化[1]。

以我國為例：橋梁在大氣環(huán)境和海洋環(huán)境下會出現(xiàn)鋼筋銹蝕，從而造成鋼筋與混凝土黏結(jié)力減小、混凝土表層開裂；凍融損傷造成混凝土表層剝蝕；硫酸鹽侵蝕導致材料強度降低，造成混凝土從材料到構(gòu)件再到結(jié)構(gòu)一系列的失效表現(xiàn)，最終結(jié)構(gòu)使用性能、剛度及承載力下降，實際使用年限減少。圖3列出了我國混凝土橋梁在環(huán)境作用下耐久性失效的過程及成因。

圖3 我國公路橋梁主要耐久性失效的成因圖示

2 橋梁耐久性設(shè)計方法

2.1 經(jīng)驗設(shè)計法和定量設(shè)計法

從20世紀八九十年代開始，各國逐漸意識到橋梁耐久性與壽命間的相關(guān)性，學者們對耐久性設(shè)計方法開展了大量的研究，并將研究成果體現(xiàn)在各國規(guī)范或指南中。表1列出了主要國家的現(xiàn)行混凝土橋梁（結(jié)構(gòu)）耐久性設(shè)計規(guī)范。

表1 國內(nèi)外現(xiàn)行混凝土橋梁（結(jié)構(gòu)）耐久性設(shè)計規(guī)范一覽表

日本土木學會（JSCE）在1989年提出了累計評分方法（指數(shù)法），并于1990編制了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計指南》[10]。該指南采用了與結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的思路，要求耐久性指數(shù)大于或等于環(huán)境指數(shù)，并為各耐久指數(shù)特征值制定了詳盡的打分規(guī)則。

1989年歐洲CEB也提出了耐久性設(shè)計方法。1995年歐盟資助了一項名為Duracrete的研究項目[11]，旨在發(fā)展以性能和可靠度分析為基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法，并在2010年出版了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計指南》[12]。

美國ACI 201委員會1992年提出了“混凝土耐久性設(shè)計指南”，2000年又對該指南進行了修改[13]。我國2004年頒布了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》（CCES 01—2004）[14]，2008年頒布了國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50476—2008）[15]，2019年該規(guī)范修訂為GB/T 50476—2019[16]。

總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)行耐久性設(shè)計規(guī)范中的設(shè)計方法，主要可分為兩種，一種為經(jīng)驗設(shè)計法，另一種為定量設(shè)計法。從表1中可看出，大部分規(guī)范對耐久性設(shè)計采用經(jīng)驗方法，即將耐久性設(shè)計作為常規(guī)設(shè)計的補充，對于不同環(huán)境作用等級下的混凝土構(gòu)件，直接規(guī)定混凝土材料的耐久性質(zhì)量要求和鋼筋保護層厚度等構(gòu)造要求，以滿足結(jié)構(gòu)的耐久性需要。它們的體系框架大致相同，條文規(guī)定的具體數(shù)值有所差異。

隨著對混凝土耐久性機理的進一步認識，一些國家提出了耐久性極限狀態(tài)的概念，認為耐久性設(shè)計存在著一個“設(shè)計—驗算—設(shè)計”的循環(huán)過程，這是定量設(shè)計法。定量設(shè)計法重視耐久性驗算，CEB-FIP 2010規(guī)范建議了4種方法對耐久性進行驗算，包括全概率法、分項安全系數(shù)法、條文說明法和避免退化方法。

全概率法在目前的設(shè)計階段中還處于理論研究階段，尚未有規(guī)范實際采用，僅有CEB-FIP 2010規(guī)范概括性地提出了用于耐久性設(shè)計的全概率法。在全概率方法下，必須保證混凝土碳化作用引起的耐久性失效概率小于目標值。

分項安全系數(shù)法對混凝土碳化過程的設(shè)計，CEB-FIP 2010規(guī)范提出了相應(yīng)的分項安全系數(shù)法的驗算公式。日本的JSCE設(shè)計指南也采用了分項安全系數(shù)法，驗算過程中涉及到的時間點均采用設(shè)計使用壽命。

條文說明法是在編寫規(guī)范或指南時事先為設(shè)計人員制定可依據(jù)的標準，美國的AASHTO規(guī)范、我國的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》均采用了條文說明法。避免退化方法是在耐久性設(shè)計時，采取必要措施避免鋼筋的去鈍化，這樣就不用進行耐久極限狀態(tài)的驗算。

以上耐久性驗算的4種方法各具特點，也有各自的適用范圍和局限性：全概率法具備最全面的設(shè)計能力，可以全面表達結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計狀態(tài)，但對基礎(chǔ)研究要求較高，目前研究水平完全無法達到；分項安全系數(shù)法不僅可以充分表達基于性能的設(shè)計思想，而且在當前研究條件下也是可實現(xiàn)的；條文說明法和避免退化方法則具備簡潔易用的特點，但其無法有效區(qū)分結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在耐久性設(shè)計過程中的性能差異，達不到結(jié)構(gòu)設(shè)計日益增長的精細化需求。

2.2 耐久極限狀態(tài)

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計應(yīng)明確結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)。CEB-FIP 2010規(guī)范所考慮的耐久性極限狀態(tài)的類別分為正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)；日本JSCE指南與我國《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》僅考慮正常使用極限狀態(tài)。

三種規(guī)范規(guī)定的耐久性極限狀態(tài)匯總于表2。從中可看出，CEB-FIP 2010規(guī)范規(guī)定了與耐久性有關(guān)的極限狀態(tài)驗算可使用全概率法、分項安全系數(shù)法，給出了碳化、氯離子侵蝕、凍融環(huán)境下的耐久極限狀態(tài)，定義了5種極限狀態(tài)；JSCE指南使用分項安全系數(shù)法驗算，規(guī)定了碳化、氯離子侵蝕、凍融環(huán)境下的3種耐久極限狀態(tài)；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》對定量計算方法給出了指導性建議，并未給出計算方法或計算模型，規(guī)定了碳化、氯離子侵蝕、凍融環(huán)境下的耐久極限狀態(tài)，定義了3種耐久極限狀態(tài)。

表2 耐久極限狀態(tài)及驗算方法比較表

3 耐久性設(shè)計基本流程

對國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法的調(diào)研結(jié)果顯示，大部分規(guī)范都選擇了類似的設(shè)計流程，總結(jié)為如圖4所示的耐久性設(shè)計流程圖。具體步驟如下：

圖4 橋梁耐久性設(shè)計流程圖

（1）首先確定橋梁及構(gòu)件的設(shè)計使用壽命，以及所在區(qū)域的耐久性環(huán)境參數(shù)。

（2）根據(jù)給定的環(huán)境區(qū)劃形式對結(jié)構(gòu)所受環(huán)境影響情況做出判斷，確定耐久性極限狀態(tài)，在滿足正常使用極限狀態(tài)設(shè)計前提下進行耐久性驗算。

（3）根據(jù)各規(guī)范和指南中明確提出的強制性規(guī)定和指導性建議，結(jié)合設(shè)計人員自身的經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)受力性能和耐久性能角度出發(fā)，對結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸、材料、施工等方面提出初步的設(shè)計要求。

（4）最后根據(jù)一定的耐久性驗算準則和方法對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能進行驗算。如滿足驗算通過，則進行構(gòu)造及管養(yǎng)設(shè)計；如不通過，則重新選定耐久性設(shè)計參數(shù)，直至通過驗算。

4 結(jié) 語

本文圍繞混凝土橋梁使用壽命和耐久性設(shè)計方法開展研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）典型環(huán)境作用于混凝土橋梁，導致從材料到構(gòu)件再到結(jié)構(gòu)一系列的失效表現(xiàn)，最終結(jié)構(gòu)使用性能、剛度及承載力下降，影響橋梁使用壽命。耐久性問題是造成橋梁實際使用壽命不滿足設(shè)計使用壽命的主要原因。

（2）橋梁耐久性設(shè)計方法分為經(jīng)驗設(shè)計法和定量設(shè)計法。定量設(shè)計法重視耐久性驗算，是更為科學的設(shè)計方法。4種定量設(shè)計法中目前以分項系數(shù)法最為實用。未來規(guī)范中的耐久性設(shè)計方法的發(fā)展趨勢，是由經(jīng)驗設(shè)計方法向定量設(shè)計方法轉(zhuǎn)變，而定量設(shè)計法是由條文分析法和避免退化方法向分項系數(shù)法和全概率分析法轉(zhuǎn)變。

（3）我國橋梁耐久性規(guī)范僅采用經(jīng)驗設(shè)計法和條文分析法，未給出具體的計算模型和方法，與歐盟規(guī)范有一定差距，仍有待進一步完善，以適應(yīng)我國橋梁設(shè)計需求，保障橋梁設(shè)計使用壽命。

（4）本文給出了給定壽命的混凝土橋梁耐久性設(shè)計流程，將耐久性能設(shè)計與力學性能設(shè)計有機結(jié)合起來，為橋梁耐久性設(shè)計提供了一個整體系統(tǒng)的思路。