論橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

程玉梅

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550001）

前言

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問題是耐久性研究中的重要組成部分。橋梁建設(shè)是國家重要的基礎(chǔ)建設(shè)之一，橋梁工程是關(guān)系到社會和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線工程。橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，巨大的資金投入，在經(jīng)濟社會中的顯赫作用，使得人們對橋梁的安全性、耐久性越來越重視。由于環(huán)境影響、日益增長的交通量以及公路運輸業(yè)經(jīng)常提倡提高汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)，因此許多既有橋梁不能滿足為設(shè)計新橋而規(guī)定的結(jié)構(gòu)要求；劣化和荷載增加也導(dǎo)致了橋梁可靠性的降低，橋梁的可靠度最終可能降低到規(guī)定的水平之下，因此需要經(jīng)常根據(jù)橋梁的安全性和耐久性作出決策。

分析混凝土橋梁130余年的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，從素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土，以至預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，每一步都含有與混凝土耐久性作斗爭的內(nèi)容。

1 混凝土橋梁耐久性設(shè)計病害原因分析

橋梁工程是一個由許多結(jié)構(gòu)件組成的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)件不僅本身要有足夠強度和耐久性，而且組合到整個橋梁中也要滿足全橋安全性和耐久性，引起混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及維護的各個環(huán)節(jié)。以往的乃至現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中，普遍存在著重強度設(shè)計而輕耐久性設(shè)計的現(xiàn)象。同時，不合格的施工也會影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，常見的施工問題如混凝土質(zhì)量不合格、鋼筋保護層厚度不足都有可能導(dǎo)致鋼筋提前銹蝕。另外，在結(jié)構(gòu)的使用過程中，由于沒有合理的維護而造成的結(jié)構(gòu)耐久性降低也是不容忽視的，如對結(jié)構(gòu)的碰撞、磨損及使用環(huán)境的劣化，這些都會使混凝土結(jié)構(gòu)無法達(dá)到預(yù)定的使用年限。國外學(xué)者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的重要性，即設(shè)計階段對鋼筋防護方面節(jié)省1美元，那么就意味著：發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施將追加維修費5美元；混凝土表面順筋開裂時采取措施將追加維修費25美元；嚴(yán)重破壞時采取措施將追加維修費125美元。很多橋梁病害經(jīng)常與施工質(zhì)量低劣有關(guān)，但在承認(rèn)施工存在問題的同時，也不可否認(rèn)在橋梁設(shè)計領(lǐng)域還有許多可以改進(jìn)的地方。許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性??；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過薄，這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，會增加橋梁的病害。因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足規(guī)范要求外，還要求設(shè)計人員具有對結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識。豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)確的判斷。從而在設(shè)計時對橋梁整體結(jié)構(gòu)全壽命使用過程進(jìn)行全面綜合分析和計算，提高結(jié)構(gòu)的使用耐久性。

2 混凝土橋梁設(shè)計耐久性構(gòu)造措施

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計研究雖然比較成熟，但應(yīng)引起設(shè)計人員足夠的重視，避免橋梁建成后的先天性不足，在具體橋梁設(shè)計時應(yīng)加強深入的分析和研究。主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。

2.1 合理的結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其傳力路徑較短的原則

對于拉(壓)桿，其主應(yīng)力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件的長度。而對于純受彎桿件，任一橫截面內(nèi)均有拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，其主拉(壓)應(yīng)力跡線平行于桿件軸線，其傳力路徑等于桿件的長度。但梁常為彎剪耦合構(gòu)件，梁內(nèi)任意一點均處于二向受力狀態(tài)。其主應(yīng)力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復(fù)雜，此時可將梁比擬為“桁架”(拉壓結(jié)構(gòu))，各構(gòu)件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對于彎剪扭耦合構(gòu)件，可將其比擬為“空間桁架”。可見，拉(壓)桿件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡捷的構(gòu)件。

不論是橋跨結(jié)構(gòu)還是支承結(jié)構(gòu)，不論是橫截面內(nèi)(如受彎箱梁在彎矩平面內(nèi)的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應(yīng)配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等)還是細(xì)部構(gòu)造(如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設(shè)置較徑向設(shè)置傳力簡捷；帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統(tǒng)受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與梁的受力吻合，細(xì)部構(gòu)造優(yōu)越等)，傳力路徑簡捷、明快，是較好的形式。

2.2 整體性、連續(xù)性和冗余性原則

合理的結(jié)構(gòu)整體性好，構(gòu)件體形變化平順不僅是美觀的要求，而且構(gòu)件體形變化平順、節(jié)點處或邊界處過渡平順、結(jié)構(gòu)整體性強是力流平順的必要條件，同時，也可提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。

整體性和冗余性可以保證橋梁在運營狀態(tài)下具有良好的使用性能及對局部損傷和破壞具有適當(dāng)?shù)牡挚鼓芰?，這些特點有利于結(jié)構(gòu)抵抗諸如超載、地震等荷載。由于橋梁的伸縮縫長期暴露在大氣中，使用環(huán)境比較惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)中最易遭到破壞而又較難以修補的部位。橋梁伸縮縫在設(shè)計、施工上稍有缺陷或不足，就會引起其早期破壞；而橋梁伸縮縫的破壞，又可能引起很大的車輛沖擊荷載，惡化行車狀況，急劇降低橋梁使用壽命。世界各國的學(xué)者都在努力尋求最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)論是“最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)是無伸縮縫”。近年來，國外日益強調(diào)通過減少甚至取消橋梁接縫(伸縮縫)和支座來保證橋梁的整體性和適用性，同時可以減少后期的維護費用。美國等國家已經(jīng)修建了一些沒有支座和伸縮縫的整體式橋梁，使用情況良好。此外，已經(jīng)有越來越多的人開始研究整體式橋梁的可行性。

2.3 可檢性、可修性和可替換性原則

人們有一個習(xí)慣的誤解，認(rèn)為橋梁屬于永久性建筑，它的設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，那么在100年內(nèi)就不應(yīng)該出現(xiàn)部件的損壞與更換。實際上橋梁整體結(jié)構(gòu)的壽命和結(jié)構(gòu)各個部件的壽命是不等的，如橡膠支座的壽命一般在20年左右，鋼拉索的壽命約10年～50年，鋼結(jié)構(gòu)油漆保護壽命約為20年，因而對這些壽命期低于結(jié)構(gòu)壽命期的部件必須做到可檢查、可維修、可更換。原蘇聯(lián)對其橋梁各組成部件統(tǒng)計的平均服務(wù)年限，有的長達(dá)百年以上，有的僅數(shù)年。橋梁構(gòu)件達(dá)到使用壽命期而損壞，管理單位就應(yīng)進(jìn)行正常的更換，不能因未及時更換而引起或加速主要承重構(gòu)件的損壞而影響橋梁的整體耐久性。

20世紀(jì)末北京的西直門立交橋重建，在舊橋拆除時發(fā)現(xiàn)的病害十分嚴(yán)重，其中橡膠支座老化結(jié)硬，以致承臺破裂。不論是橋梁的永久構(gòu)件或需要中期更換的構(gòu)件，都應(yīng)該能讓檢查人員容易到達(dá)、進(jìn)行檢查和耐久性維護。橋梁設(shè)計時就應(yīng)該為此創(chuàng)造必要的條件，如為更換支座應(yīng)在蓋梁上預(yù)留有放置千斤頂?shù)忍嵘O(shè)備的空間，也應(yīng)為工作人員留有操作平臺；否則將大大增加后期維護的困難和費用。國內(nèi)很多橋梁設(shè)計中沒有考慮構(gòu)件更換的需要，甚至沒有設(shè)置檢查所需的通道。

2.4 結(jié)構(gòu)體系防水的原則

防止橋面雨水等對主梁和墩臺的侵蝕是減少橋梁病害和保證橋梁耐久性的基本要求之一，良好的構(gòu)造措施是實現(xiàn)這一要求的根本。特別是對于我國北方利用撒鹽進(jìn)行橋面除冰的地區(qū)，應(yīng)特別注意在橋梁設(shè)計中處理好橋梁防水、隔水的問題，以阻止可能引起鋼筋嚴(yán)重銹蝕的鹽水的侵蝕?，F(xiàn)階段關(guān)于結(jié)構(gòu)耐久性的系列研究還在進(jìn)行，耐久性設(shè)計的很多問題不會在短期內(nèi)研究徹底，也不會很快制定出系統(tǒng)、適用的規(guī)范和方法。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度探討了保證橋梁耐久性的一些設(shè)計原則，希望以后的橋梁設(shè)計不僅要滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于強度和變形方面的要求，還應(yīng)該考慮耐久性對于體系和構(gòu)造上的要求；同時橋梁耐久性的研究不能將太多的精力集中在材料耐久性退化機理上，從構(gòu)造和體系上研究橋梁耐久性的設(shè)計方法應(yīng)引起人們的足夠重視。

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