专版ｌ 浅述桥梁结构设计中的耐久性设计 钟丽 摘要：本文主要分析了桥梁结构耐久性不足的原因，并从中提出桥梁结构耐久性设计的有关问题，仅供同行参考。 关键词：桥梁；耐久性；设计 １前言 随着混凝土结构的更广泛应用，其使用环境日益多样化， 混凝土结构受环境侵蚀的危害性也日益增加，混凝土结构的耐 久性与使用寿命问题，逐渐成为交通领域普遍关注的问题。不 同结构所处的环境条件不同，对结构耐久性起主导作用的因素 也不同。结构在规定的时间内，在规定的条件下完成预定功能 的能力称为结构的可靠度。结构的基本功能是由其用途决定 的，包括结构的安全性、适用性和耐久性。因此，结构的耐久性 也是影响结构可靠度的重要因素。 从设计、施工到使用全过程等方面去加强和保证结构的耐久性 和安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图 式和受力路线不明确，造成局部受力过大：有的混凝土强度等级 过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄：这些都削 弱了结构耐久性。虽然可能满足了设计规范的强度要求，仅用了 几年就因为结构耐久性出了问题，影响结构安全。 另外在前些年，有些学者和设计人员倡导桥梁结构混凝土 ２结构耐久性不足的原因分析 国内外大量调查分析发现，引起混凝土结构耐久性不足的 原因存在于环境影响、结构设计、施工及维护等各个环节。 构件的优化和轻型化，常常以过密的钢筋配置细小的结构断 面。过密的钢筋导致钢筋间的骨料和胶结材料不多，且粗、细骨 料分布不均匀，振捣施工非常困难，难以保证钢筋混凝土构件 的密实度和强度，容易形成蜂窝麻面。断面小、钢筋配置过密导 致不易保证保护层厚度的最低要求，造成混凝土构件表面抗碳 化年限不足，以致钢筋锈蚀，影响了结构的耐久性和安全性。 ２．３施工和管理水平欠规范 施工过程中的施工和管理水平欠规范（如野蛮施工和管理 不当等）是造成桥梁结构耐久性不足的重要原因，其主要表现 在以下几个方面： （１）混凝土配合比的计量不准，变异性较大； （２）施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括 原材料质量低劣和施工工艺不合格等； （３）个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理 问题； （４）混凝土保护层厚度的控制不严，有些直接导致露筋； （５）钢筋未作防锈处理，其间距疏密不一，粗、细骨料分布 不均匀，混凝土振捣不密实： （６）施工现场的严重的构件开裂问题，主要原因包括：水泥 选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等； （７）拆模时间控制不好或支模、拆模方法不对，引起早期裂缝。 ２．１环境影响不容忽视 桥梁的施工及使用环境总是与设计的环境有一些差别，因 此环境的影响是非常重要的。混凝土的抗拉强度大约是其抗压 强度的１０％，由于早期的水化热影响、干缩应变反应强烈，加上 环境温度、湿度、日晒雨淋、冲击荷载的影响，混凝土结构很容 易产生裂缝。开裂后，由于水分子、氯离子的侵入，导致钢筋面 层的钝化，从而使钢筋腐蚀，破坏了钢筋表面与混凝土之间的 化学胶结力，其直接后果是钢筋与混凝土不能很好的协同工 作。混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱，最终导致结构的耐久 性破坏。 ２．２设计理论和结构构造体系欠完善 虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构 的耐久性要求，但是，这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计 条文中，导致在工程设计中普遍存在重视结构强度设计而轻视 甚至忽视结构耐久性设计、重视承载能力极限状态而不重视正 常使用极限状态、重视结构的建造而不重视结构的维护等现象。 许多设计人员从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护以及 ｌ＇＇＇，＇＇＇ ＇，，●ｌ，，ｌ＇ｌｌ’ ＇＇’＇＇＇ｌｌ＊＇ｌ，ｌ’， ’’’＇＇＇＇＇ｌ，，，ｌ３桥梁结构耐久性设计 ３．１总体设计 ｌ，ｌｌ ’ ＇＇＇，，，，，，ｌｌ，ｌｌ＇’ ＇＇＇，＇，＇，，，，，ｌ，＇，’’＇，＇ 工应尽可能开放一个车道。并设置好汇车位，在全封闭施工时一 定要设置好路障，加强巡查，严禁车辆驶上养生中的路面，并留出 小路以便出入。养生要按要求做好保湿措施。混凝土板表面修 整完毕后，一般可采用湿麻袋或草垫，或者２０～３０ｍｍ厚的湿砂 及时覆盖于水泥混凝土表面。并且每天均匀洒水数次，使其保持 潮湿状态．至少延续１４ｄ。模板的拆除应符合《公路水泥混凝土 路面施工技术规范》（．ＪＴＧＦ３０—２００３）的规定。当遇到特殊情况需 要提前开放交通时。则应根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验 规程》（ＪＴＧＥ３０—２００５）的试验方法测定混凝土试块达到设计强 达到设计强度时Ｉ监理工程师方可允许开放交通。 ６结语 如何提高混凝土路面质量是十分重要的，而防止混凝土路 面早期受破坏是直接影响混凝土路面寿命的，上述只是一点体 会，而更好地混凝土防止路面早期受到破坏，从而延长混凝土 路面的寿命，更有待进一步的探讨 （作者单位：广东封开公路局） 度８０％以上，其车辆荷载不得大于设计荷载，在开放交通之前，路 面应清扫干净。所有接缝均应封闭好，否则，只有等水泥混凝土板 １６２ 广东科技２０１０ ５总第２３７期 路桥、航运与交通－冀鸾 Ｉ专版 删‘ 长期的实践证明，裂缝控制并不是结耐久性设计的唯一内 容。增加耐久性设计是结构设计理念上的重大突破，是工程结 构科学的重大技术进步，对提高设计质量具有重大的指导意 义。以下以某大桥的施工图设计为例来阐述结构性耐久设计。 桥梁结构的总体设计，应主要考虑以下几点： （１）结构可靠度、耐久性是时间的函数，这是由于荷载是时 间的函数，材料性能也是如此。例如，使用期分别为３０、５０、１０ｏ、 １２０年的桥梁结构，若要保证到使用期末都具有相同的可靠概 率，则所选择的截面尺寸或所用的材料强度必然是使用期长者 大于使用期短者。同时，要求采用变异系数较小的高性能钢材 （３）优先高性能混凝土：耐磨的ＨＰＣ司以使桥面有更好的 耐久性：一般来说，ＨＰＣ能减少结构的尺寸，增加结构的使用寿 命和耐久性。对重要的水中下部结构（如桩基、承台、墩柱及帽 梁），建议用高性能混凝土取代普通混凝土，以满足《铁路混凝 土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设［２００５１１５７号）的相应技术 指标的要求。 （４）对耐久性要求较高的结构物，选用结构重要性系数上 限值１．１。 （５）尽量选用箱形断面，提高结构的整体刚度，减轻桥梁的 疲劳振动。 和高性能混凝土，以提高相应的可靠度指标和耐久性。 （２）桥梁病害分析是全寿命管理中的一个必要环节。人为 因素也是一个必须考虑的因素，例如，一个工人不小心丢了一 颗烟头，很可能这个小病害引起一场大火，导致桥梁结构的破 坏。病害分析之后，在全寿命管理中，尽量消除桥梁病害，以达 到提高结构耐久性的可能。所设计的结构在设计基准期内，应 经济合理地满足下列功能要求：在偶然事件发生时及发生后， 能保持必要的结构稳定性和耐久性。 （３）运用可靠性修正理论，通过现场数据（如标准车辆下的 位移、应变、应力等）的测定，修正、推断出当前阶段的可靠度指 标。对于判断结构是否达到使用寿命，具有重要的意义。一般， 我们认为可靠性指标Ｂ为３及以上的结构是可靠的，基于本桥 梁的重要性，按可靠性指标为４进行设计（实际结构可能达到 ５－６左右）。分析可靠性修正后的结果，如可靠性指标Ｂ降为３ 或以下，则需要进行维护，否则可以不用维护、继续使用。这样 就为是否需要维护提供了一个定量的指标，避免了不必要的维 修经费。相应的经费，可以投入到桥梁系统中更有需要的维护 中，从而在固定数量的维护经费下，进行系统调配，从而保证整 个路桥系统的正常运转。 （４）重视对疲劳损伤、破坏的研究。桥梁结构及构件承受的 动荷载很大，而且加载次数频繁，容易产生疲劳损伤乃至破坏。 组成桥梁构件的各种材料，如钢筋、混凝土等，并非是均匀和连 续的，实际上存在许多微观的裂缝，在循环动荷载作用下，这些 微裂缝会逐渐发展，以至于形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得 到有效控制，极有可能会引起结构的脆性断裂。由于本工程的 设计基准期为１２０年，比较长，结构设计必须验算其疲劳性能 指标。事实上，国内外调查结果表明，有些桥梁破坏是在较低荷 载，低温下突然脆性断裂的。冲击试验结果说明大多数钢材在 正常使用温度下是脆性的，因此本工程必须选用韧性较好、变 异系数较小（如产自同一钢厂、同一批成品、同样存储条件等） 的高性能钢材。 （５）充分重视桥梁的超载问题。桥梁超载现象在我国公路 运输中较为普遍，桥梁设计应充分重视这一点。超载会使桥梁 疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结 构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢 复，导致构件的开裂弯矩降低、刚度下降，将使得桥梁在正常使 用荷载下的应力及变形状态发生变化，从而可能危害桥梁的安 全性和耐久性。 ３．２结构设计 具体涉及到桥梁结构设计中的耐久性设计，可从以下几个 方面着手： （１）正确认识和掌握结构本质和结构构造措施对构件耐久 性的影响。 （２）优先选用高性能钢材：高屈服强度，高水平的断裂韧 性、焊接性能好、耐腐蚀。 （６）对重要性结构，如果业主对造价不是控制得很严的话， 地面以上的混凝土构件外表面建议作“混凝土涂装防护”。混凝 土表面防腐涂层执行交通部ＪＴＪ２７５—２０００标准。 （７）在广东地区，设计要满足结构混凝土耐久性的基本要 求，即按新桥梁规范ＪＴＧＤ６２—２００４第二类环境（滨海环境）选 用。 （８）最小混凝土保护层厚度：按新桥梁规范ＪＴＧＤ６２—２００４ 表９．１．１中第二类环境选用，例如：主梁和墩柱主筋４０ｒａｍ、箍筋 ２５ｍｍ；桩基可用净保护层５０ｒａｍ或７０ｒａｍ。对该公路大桥，由于 位处海洋环境中，可以加大一些混凝土保护层，甚至在构件外 包＿层素混凝土，以防止构件的腐蚀和破坏。 （９）采用全预应力结构，对主桥纵、横向均施加预应力，保 证截面在使用阶段不出现拉应力，防止结构出现裂缝。 （１０）使用环氧涂层钢绞线和钢筋，以防止钢绞线和钢筋腐 蚀。 （１１）在混凝土中，添加适量的硅粉，以防止氯离子的侵入 导致钢筋的腐蚀。 （１２）在桥面铺装上，使用环氧沥青混凝土，以增加强度、耐 磨性及密实度。 （１３）考虑超载问题：考虑到过境的大型货柜车比较多，桥梁 设计荷载可以适当放大，如１．５ｘ公路一Ｉ级或２ｘ汽一超２０等。 （１４）混凝土配合比设计：不仅要考虑混凝土强度的要求， 还要考虑混凝土的耐久性。 （１５）对于普通钢筋混凝土构件，严格控制其裂缝宽度，如 控制在０．１ｍｍ以内。 （１６）选择适当的结构断面，配置适当间距的钢筋，可使混 凝上粗、细骨料分布均匀，容易振捣，保证混凝土的密度和强 度。 （１７）在混凝土中掺入适量的纤维，以达到混凝土增加强 度、增加韧性和阻止裂缝的目的。可以选用的纤维有：聚丙烯 腈、杜邦纤维、聚丙烯纤维。 （１８）如地下水对混凝土有腐蚀性，应对桩基混凝土采取以 下措施： ①采用普通硅酸盐水泥，标号不低于４２．５号； ②水泥含量不小于３７０ｋｇ／ｍ３，ｃ’Ａ含量不大于８％； ’③水灰比不大于０．４５。 ４结束语 综上分析表明，桥梁结构耐久性不足的后果是非常严重且 不容忽视的。引起混凝土结构耐久性不足的原因存在于环境影 响、结构设计、施工及维护等各个环节。故此．桥梁结构耐久性可 以通过桥梁结构耐久性设计来得到加强。 （作者单位：韶关市翔宏公路勘察设计有限公司） １６３ 广东科技２０１０．６总第２３７期
