橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素及優(yōu)化設(shè)計研究

陳孟林

（撫州贛東公路設(shè)計院有限公司，江西 撫州344000）

0 引言

近幾年橋梁耐久性差、服務(wù)壽命短以及全壽命指標(biāo)差等問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到橋梁正常功能的發(fā)揮，并且橋梁的后期養(yǎng)護以及維修等需要投入大量的人力與資金，帶來了巨大的經(jīng)濟負擔(dān)。究其原因是橋梁結(jié)構(gòu)耐久性下降，導(dǎo)致橋梁在后期運行中面臨著一系列問題。所以，為了能夠更好地支持未來社會發(fā)展，需要尋找到一種有助于提升橋梁耐久性的途徑，這也是該研究的主要目的。

1 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

1.1 設(shè)計方面的因素

橋梁的設(shè)計方案對其結(jié)構(gòu)耐久性的影響十分明顯，例如部分設(shè)計人員只滿足于技術(shù)規(guī)范對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度要求，而忽視了結(jié)構(gòu)構(gòu)造、原材料以及結(jié)構(gòu)維護等幾方面因素的影響，最終造成設(shè)計方案出現(xiàn)問題，主要表現(xiàn)為：

第一，橋梁的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造細節(jié)不合理。目前在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常考慮經(jīng)濟指標(biāo)、地質(zhì)條件、施工方案等幾個方面的因素，而對耐久性問題考慮得較少。如在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計階段，采用連續(xù)或者簡支結(jié)構(gòu)，型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結(jié)構(gòu)與構(gòu)造問題，會直接影響橋梁的耐久性能，再加之相關(guān)評價指標(biāo)的缺失，會導(dǎo)致橋梁設(shè)計方案的耐久性不足，或者部分橋梁結(jié)構(gòu)的計算圖示以及受力路線不明確，導(dǎo)致橋梁在建成之后出現(xiàn)局部受力偏大的問題。

第二，計算方面的因素，包括：設(shè)計人員在橋梁設(shè)計期間忽視了混凝土徐變、溫度應(yīng)力等因素對橋梁結(jié)構(gòu)的影響；在橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析中，設(shè)計人員過于關(guān)注局部單位劃分的問題，而忽視了結(jié)構(gòu)邊界以及銜接條件等因素的影響；針對橋梁中的特殊問題計算不當(dāng)，如預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固位置、構(gòu)件角隅處等位置因為計算的局限而造成配筋方案不合理的問題。

1.2 施工與使用因素

該因素主要是指橋梁在施工過程中的技術(shù)方案不合理，施工上的某些缺陷雖然在短期內(nèi)對橋梁結(jié)構(gòu)整體性能的影響不明顯，但是隨著時間的推移，對橋梁耐久性的影響會明顯提升，常見問題包括：橋梁結(jié)構(gòu)施工中出現(xiàn)原材料質(zhì)量問題；預(yù)應(yīng)力材料防護中的效果不明顯；壓漿施工存在弊端；張拉力水平偏低等。

橋梁的使用因素也是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因，其中以車輛超載運行表現(xiàn)得最為嚴(yán)重，這是因為超載運行會加劇橋梁的疲勞情況，導(dǎo)致疲勞應(yīng)力幅度增加等情況，甚至局部會因為超載而發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，同時超載對橋梁結(jié)構(gòu)造成的損傷是不容忽視的。如某些預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁受到汽車荷載超載等因素影響可能出現(xiàn)開裂的問題，部分橋梁的裂縫雖然在荷載卸除后順利閉合，但是這種裂縫對橋梁的影響是無法消除的，甚至在正常荷載作用下都會導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的變形裂縫。

1.3 其他因素的影響

其他因素是指橋梁運行中所面臨的各種因素，如風(fēng)雨侵襲等自然因素，或者因為氣候變化造成的溫度改變，或者因為船舶撞擊導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受損等。

2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的優(yōu)化設(shè)計方案分析

根據(jù)前文的研究可知，影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素較多，以下將從設(shè)計角度入手，尋找提升結(jié)構(gòu)耐久性的有效方法。

2.1 原材料設(shè)計

2.1.1 水泥

在橋梁混凝土中，鋼筋銹蝕是造成結(jié)構(gòu)耐久性損傷的關(guān)鍵問題，而在正常的氣候條件下，混凝土碳化則是造成鋼筋銹蝕的主要條件。例如水泥的不同品種會導(dǎo)致混凝土碳化指標(biāo)出現(xiàn)差異，這是因為水泥水化產(chǎn)物中的堿性物質(zhì)含量不同，因此對混凝土碳化速度存在一定影響，同時水泥用量本身會影響材料的二氧化碳吸收量，水泥用量越大，則碳化速度越慢，其中的關(guān)系可以如表1所示。

表1 水泥用量與碳化深度之間的關(guān)系

同時，水灰比對混凝土性能的影響明顯，決定了二氧化碳在混凝土中的擴散速度，其關(guān)系如式（1）、式（2）所示。

根據(jù)式（1）與式（2）的相關(guān)內(nèi)容可知，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，尋找正確的水灰比是設(shè)計人員不容忽視的問題。

2.1.2 骨料

選擇骨料時應(yīng)考慮到級配、孔隙等因素影響，其中孔隙率越小越理想。同時為滿足橋梁耐久性的要求，可適當(dāng)降低骨料最大粒徑的參數(shù)；骨料級配是設(shè)計工作中的重點內(nèi)容，混凝土孔隙越少越能減少有害介質(zhì)的擴散速度。

2.1.3 配合比設(shè)計

（1）在橋梁原材料性能管理中，若粉煤灰的摻量小于10%，則可以忽視粉煤灰對混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響。而根據(jù)相關(guān)工程的經(jīng)驗，在配合比設(shè)計中粉煤灰的摻量應(yīng)控制在30%以下。

（2）針對混凝土抗壓強度的相關(guān)指標(biāo)，其中混凝土強度越高，則抗碳化性能越強，因此在設(shè)計方案中可根據(jù)具體工況設(shè)計抗壓強度。

2.1.4 預(yù)防堿-集料反應(yīng)

堿-集料反應(yīng)主要是指混凝土結(jié)構(gòu)中的礦物集料與孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)可能造成膨脹破壞等情況。當(dāng)膨脹系數(shù)過高時會造成混凝土材料破壞，并且這種反應(yīng)所造成的破壞可能造成混凝土結(jié)構(gòu)整體性破壞，目前無有效的修補方法。

根據(jù)堿-集料反應(yīng)發(fā)生的作用機制，在橋梁設(shè)計中可以采用下列方式應(yīng)對。

使用低堿型水泥。目前我國針對混凝土原材料的不同對原材料的使用環(huán)境提出了詳細要求，設(shè)計人員可以按照表2的數(shù)據(jù)合理選擇。

表2 混凝土含堿的規(guī)范參數(shù)

同時對于設(shè)計人員而言，為提升橋梁結(jié)構(gòu)耐久性也可以考慮通過摻和料來改善混凝土堿性。例如通過向混凝土中摻加5%的硅灰可以有效降低堿-集料反應(yīng)發(fā)生率，或者向其中摻加20%的粉煤灰也可以取得預(yù)期效果。但是在具體操作中還應(yīng)該考慮到摻和料對混凝土強度等因素影響，如硅灰顆粒較細會增加混凝土需水量，這是設(shè)計人員應(yīng)重點考慮的問題。

2.1.5 強化混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性

（1）在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的是，水灰比是影響混凝土抗?jié)B性能的重要因素，其水灰比越大則毛細孔半徑增長得越明顯，如當(dāng)水灰比為0.25時，積分空隙率達到了0.105cm/kg，對應(yīng)體積為19.5%；而當(dāng)水灰比達到0.35時，積分空隙率達到了0.145cm/kg，體積占比為24.8%；水灰比為0.50時，積分空隙率為0.219cm/kg，體積占比為23.0%。同時，還需要注意的是，當(dāng)混凝土材料中的水灰比大于0.55時，會導(dǎo)致混凝土滲透性明顯增加。

（2）天然巖石中，花崗巖為集料時混凝土的抗?jié)B性最好，因此在設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)橋梁具體情況合理選擇，同時維持砂石等關(guān)鍵原材料的清潔度也是需要重點考慮的問題。

（3）考慮到氯離子的存在會對鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用，因此設(shè)計人員應(yīng)優(yōu)先選擇氯離子含量低的水泥，其中硅酸鹽水泥中不含氯離子，也可以用于橋梁工程項目施工。同時，設(shè)計人員也應(yīng)該注意，若使用含有礦物混合料的水泥，應(yīng)該評估水泥礦物混合料的品種以及摻量等重要指標(biāo)的影響，避免氯離子水平偏高而影響混凝土結(jié)構(gòu)性能。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 基于耐久性的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

為達到提升橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的目標(biāo)，需要在橋梁設(shè)計中體現(xiàn)以下內(nèi)容。

第一，地質(zhì)條件對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響明顯，所以針對地質(zhì)條件差的區(qū)域可考慮采用大跨度橋梁設(shè)計方法，這種模式有助于改善支撐結(jié)構(gòu)，降低橋梁后期發(fā)生病害的風(fēng)險。

第二，在相同的區(qū)段內(nèi)應(yīng)盡量保持橋梁孔徑及其樣式應(yīng)力統(tǒng)一，所以除了需要滿足通航或者其他特殊要求的孔徑外，其他孔徑應(yīng)盡量采用相同結(jié)構(gòu)。

第三，嚴(yán)格控制橋梁的中線也是設(shè)計人員應(yīng)重點關(guān)注的問題，理想的橋梁中線應(yīng)該與河道水流向正交，這種設(shè)計方法可以避免水流與橋頭位置相交而造成三角回流，這對于提升橋梁安全性的意義重大，也有助于提升耐久性。

第四，針對橋梁設(shè)計中的特殊情況（如跨越河道水流深或者河面寬），可選擇增加水中跨橋的跨度，并盡可能地將橋墩固定在岸上或者淺水區(qū)，減少橋墩在深水區(qū)的分布。這種方法有助于減少用水等因素對橋梁結(jié)構(gòu)的影響，也能避免發(fā)生船舶撞擊等問題。

第五，考慮到不良地質(zhì)的存在會影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，所以在布置橋墩時可考慮以下幾個方面因素的影響：首先，所有墩臺基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)定的地基上，注意遠離軟弱地質(zhì)。其次，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)劃墩臺的位置，注意遠離滑坡、斷層以及溶洞或者黃土陷穴等位置。再次，針對所有靠近陡峭巖壁的河槽邊墩基礎(chǔ)位置，應(yīng)避免穿經(jīng)水下山坡落石堆積層等特殊地質(zhì)區(qū)域。最后，考慮到橋梁工程中經(jīng)常遇見不良地質(zhì)問題，所以為保證結(jié)構(gòu)耐久性，設(shè)計人員應(yīng)避免使用對于沉降過于敏感的形式，如拱橋可能產(chǎn)生水平推力，因此不建議在地質(zhì)不良地區(qū)使用。

2.2.2 耐久性的構(gòu)造措施

目前在橋梁工程中，關(guān)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計已經(jīng)進入相對成熟的階段，但是為強化其耐久性，在設(shè)計過程中還是要注意避免出現(xiàn)“后天不良”等質(zhì)量問題，因此在設(shè)計階段應(yīng)關(guān)注以下幾個方面問題：

第一，在保證橋梁結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選擇穿力路徑最小的設(shè)計方案。在設(shè)計階段，考慮到拉壓桿的主應(yīng)力與桿件軸線相互平行，所以可以認(rèn)為其穿力路徑與桿件的長度是相同的。相比之下，純受彎桿件在任意橫截面位置均有拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的存在，其穿力路徑與桿件長度相同。但是梁普遍為彎剪耦合構(gòu)件，任意一點均同時面臨兩方面力的影響，相比之下該結(jié)構(gòu)的穿力路徑更加復(fù)雜。因此，為了能夠盡可能地提升橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，可以選擇拉壓桿件等技術(shù)，有助于簡化穿力路徑。

第二，堅持力線平均化應(yīng)急應(yīng)力均勻流暢的基本原則。針對橋梁的桿系結(jié)構(gòu)，應(yīng)保持桿件橫截面的應(yīng)力均勻分布，每個位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對流暢，這種結(jié)構(gòu)才能最大限度地保證結(jié)構(gòu)耐久性。

而針對大跨度橋梁，因為橋梁的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此其構(gòu)造的合理性直接關(guān)系到橋梁的耐久性能，此時在設(shè)計過程中應(yīng)注意的是：首先，考慮到在大跨度橋梁中可能存在力學(xué)不連續(xù)的部位，此時若發(fā)現(xiàn)荷載作用點或者彎折等部位的應(yīng)力分布相對復(fù)雜，難以判斷鋼筋的位置，則該部位發(fā)生結(jié)構(gòu)耐久性損傷的風(fēng)險較高。所以在設(shè)計階段應(yīng)確保結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞路徑平滑、簡單，并減少結(jié)構(gòu)中受力沖突等問題，必要時在設(shè)計階段可以借助“壓桿-拉桿-模型法”評估其應(yīng)力流情況。其次，在橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中堅持力線平滑的原則具有可行性，該設(shè)計方法的關(guān)鍵點就是要確保構(gòu)造的幾何結(jié)構(gòu)具有形式簡單、少突變等。例如在圖1介紹的兩種結(jié)構(gòu)中，（a）結(jié)構(gòu)的外表突變偏多，導(dǎo)致構(gòu)件容易遭受腐蝕，并且加工過程中的精度控制難度高；相比之下（b）構(gòu)件的結(jié)構(gòu)更加合理，材料強度得到發(fā)揮，達到了縮短穿力路徑的效果。所以兩個結(jié)構(gòu)相比，（b）構(gòu)件更加合理，是未來橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的首選。

圖1 兩種構(gòu)件簡圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該注意的是，大跨越結(jié)構(gòu)下橋梁結(jié)構(gòu)所能承受的軸向拉力較大，目前相對成熟的設(shè)計方案包括懸索橋、拱橋以及斜拉橋等，在設(shè)計階段可根據(jù)具體工況合理選擇橋梁結(jié)構(gòu)形式。

3 結(jié)語

針對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的相關(guān)問題，相關(guān)人員應(yīng)該認(rèn)識到不同設(shè)計方案對橋梁穩(wěn)定性的影響，為了能夠達到維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目標(biāo)，在未來工作中要求設(shè)計人員能夠認(rèn)識到原材料因素與橋梁結(jié)構(gòu)耐久性之間的關(guān)系，堅持改進原材料的搭配以及使用方案等，通過預(yù)防混凝土碳化、控制堿-集料反應(yīng)等措施進一步提升結(jié)構(gòu)耐久性。而在橋梁結(jié)構(gòu)措施設(shè)計中，也應(yīng)該優(yōu)化結(jié)構(gòu)的穿力路徑，關(guān)注地質(zhì)、水流等因素對橋梁耐久性的影響，堅持合理設(shè)計原則，這樣才能切實提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。