混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)探析

李翌程，朱自立

（湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南長(zhǎng)沙 410007）

0 前言

在運(yùn)行橋梁工程建筑時(shí)，工程安全受外界很多因素影響。此時(shí)，混凝土表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力被稱為耐久性，這也是對(duì)橋體使用壽命的一個(gè)衡量指標(biāo)。隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，交通量在逐步增大，致使橋梁所要承受的荷載量逐漸變大。此時(shí)，混凝土以及所使用的材料因?yàn)闀r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而老化，再加上設(shè)計(jì)或者是施工過(guò)程中存在不足，都導(dǎo)致橋梁的耐用性降低，呈現(xiàn)出越來(lái)越多的病害與缺陷，更嚴(yán)重的是對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成威脅。在進(jìn)行現(xiàn)行公路設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)重點(diǎn)突出橋梁的承載能力，卻忽視了因?yàn)榄h(huán)境的變化而引發(fā)的材料劣化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性降低。這樣，因?yàn)閷?duì)耐久性缺乏足夠的重視，而極易引發(fā)工程安全事故，從而增大修理費(fèi)用，而且會(huì)降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)?？梢?jiàn)，在進(jìn)行混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能提高橋梁的使用壽命。

1 混凝土耐久性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

1.1 混凝土耐久性設(shè)計(jì)的內(nèi)容

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)主要有以下兩方面：首先是選取合適的混凝土材料，其次是要合理控制裂縫寬度并且對(duì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。在選用材料時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際情況而定，按照環(huán)境的作用和類別等級(jí)以及設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期等因素，選取不同的材料。與此同時(shí)，還必須盡可能降低工程造價(jià)，并秉承節(jié)能環(huán)保的理念。關(guān)于結(jié)構(gòu)細(xì)部的優(yōu)化，主要是指對(duì)構(gòu)件進(jìn)行防水、排水和防腐蝕處理。在這個(gè)過(guò)程中，必須本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度來(lái)進(jìn)行。如果橋體被水或者是化學(xué)物質(zhì)腐蝕，必然會(huì)嚴(yán)重降低其安全性，縮短其使用壽命。對(duì)于一項(xiàng)工程而言，安全工作占據(jù)核心地位，而且必須確保設(shè)計(jì)的合理性才能夠保證工程質(zhì)量的可靠性。

對(duì)于我國(guó)的現(xiàn)行規(guī)范而言，雖然會(huì)考慮到環(huán)境因素的常見(jiàn)影響，但是并沒(méi)有考慮到結(jié)構(gòu)受力時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)受到什么影響。這樣就會(huì)導(dǎo)致混凝土的耐久性受到影響時(shí)，混凝土保護(hù)層受到損壞，橋面鋪裝不堅(jiān)固?？梢?jiàn)，完善現(xiàn)行的規(guī)范以及相關(guān)規(guī)定，有助于提高橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，然而這還有很長(zhǎng)的路要走，需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的摸索來(lái)完善現(xiàn)行規(guī)范。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)原則

在優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的時(shí)候，需要設(shè)計(jì)人員具備加強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力。首先，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性這一目標(biāo)給予足夠的重視，即做好橋梁預(yù)期設(shè)計(jì)使用年限的評(píng)估工作。此外，還必須掌握混凝土結(jié)構(gòu)耐久性該通過(guò)怎樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷是否失效。當(dāng)前，針對(duì)使用年限的問(wèn)題，已經(jīng)有了相當(dāng)確切的規(guī)定，并將使用壽命總結(jié)為3種。但是，對(duì)于上述提及的失效標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定與看法。相對(duì)于普通的混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，關(guān)于耐久性是否失效可以從以下兩種方式來(lái)判斷：第一，如果耐久性退化將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致其正常使用功能受阻。這種失效主要是通過(guò)鋼筋銹蝕開(kāi)裂作為判定標(biāo)準(zhǔn)的。第二，混凝土結(jié)構(gòu)性能降低，承載能力也是大大折扣，嚴(yán)重影響其正常使用。

2 橋梁耐久性差的主要原因

2.1 橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范方面的不足

橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)必須確保工程質(zhì)量的可靠性，這需要一定的規(guī)范與規(guī)定來(lái)指導(dǎo)工程的開(kāi)展。在進(jìn)行建設(shè)工作時(shí)，所有工作的開(kāi)展必須參照這些規(guī)定來(lái)執(zhí)行，而且不可以任意更改?；蛘呤钦f(shuō)即使修改也要做出明文規(guī)定。需要指出的是，我國(guó)很多參考性規(guī)則一般具有強(qiáng)制性，而且具備法律效益，這是區(qū)別于國(guó)外規(guī)程的一個(gè)典型特征。我們對(duì)它的管理卻沒(méi)有與工程科學(xué)的發(fā)展腳步保持一致。例如，對(duì)于很多跨海大橋而言，缺乏適當(dāng)?shù)囊?guī)范作為指導(dǎo)，導(dǎo)致其質(zhì)量安全成為一個(gè)隱患。

2.2 設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系的缺陷

對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域而言，結(jié)構(gòu)耐久性引起了業(yè)內(nèi)人士足夠的重視，而且這是一個(gè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。在進(jìn)行實(shí)際操作的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往過(guò)多地偏重于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，以此來(lái)滿足安全需求，但是卻忽略了在整個(gè)過(guò)程（包括設(shè)計(jì)、施工以及投入使用）中的人為錯(cuò)誤，因?yàn)檫@些人為錯(cuò)誤也極有可能降低結(jié)構(gòu)耐久性。如果某工程的整體性不高、計(jì)算圖式不明確、混凝土強(qiáng)度不夠等都可能降低結(jié)構(gòu)耐久性。除此之外，根據(jù)環(huán)境以及使用條件的不同，設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)提出了各種要求。為了確保結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須按照一定的規(guī)范來(lái)進(jìn)行。與此同時(shí)，還必須保證設(shè)計(jì)人員能夠正確認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)本性，根據(jù)自身多年工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)是否合理。

2.3 橋梁施工和管理方面的問(wèn)題

目前，我國(guó)橋梁建設(shè)呈現(xiàn)出了明顯的趨勢(shì)，主要包括：工期相對(duì)比較緊張、任務(wù)相對(duì)比較繁重，如果某些施工過(guò)于野蠻或者是缺乏嚴(yán)格而完善的管理模式，那么就極有可能引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致橋梁坍塌。對(duì)引發(fā)這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行探究，可以發(fā)現(xiàn)這主要是因?yàn)槭┕](méi)有按照設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行，而且材料的強(qiáng)度相對(duì)比較低，再加上施工工藝的不合理，都造成了施工質(zhì)量不合格現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時(shí)，也有很多橋梁存在偷工減料的問(wèn)題，這也勢(shì)必會(huì)縮短橋梁的耐久性。更為嚴(yán)重的是，有的橋梁沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用，就已經(jīng)產(chǎn)生了耐久性不足的現(xiàn)象，這與橋梁質(zhì)量低下是密不可分的。如果鋼筋的保護(hù)層受到破壞，或者是施工現(xiàn)場(chǎng)的構(gòu)件出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致橋梁的耐久性不足。

3 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的措施

3.1 加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的研究

在建造橋梁并投入使用的過(guò)程中，外界環(huán)境、有害的化學(xué)物質(zhì)等都會(huì)對(duì)橋梁造成一定的侵蝕，而且還在負(fù)載強(qiáng)大的外界負(fù)荷，這無(wú)疑對(duì)橋梁的質(zhì)量提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。同時(shí)，如果材料自身性能退化，這就導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)被損壞，逐漸呈現(xiàn)劣化的趨勢(shì)。從上世紀(jì)的80年代開(kāi)始，我國(guó)已經(jīng)建造了很多斜拉橋，雖然并沒(méi)有呈現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，卻不得不提前換索來(lái)保證拉索的耐久性，這樣就造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

許多質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)是由于缺乏合理的耐久性設(shè)計(jì)而造成的。這就為人們敲醒了警鐘，使人們對(duì)橋梁的耐久性問(wèn)題給予重新認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)大量的事實(shí)證明，施工和材料兩個(gè)方面的原因，造成了橋梁的耐久性降低?？梢?jiàn)，是設(shè)計(jì)上的缺陷決定結(jié)構(gòu)的耐久性不高。

一直以來(lái)，人們都注重研究結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，但是卻沒(méi)有對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理給予足夠的重視。結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)是有別于常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，因此需要推動(dòng)耐久性研究實(shí)現(xiàn)定性向著定量的方向發(fā)展。

3.2 加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的研究

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，需要承受很重的荷載。其中的車(chē)輛和風(fēng)荷載都是動(dòng)荷載，這會(huì)使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力，既可能引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)又可能引發(fā)結(jié)構(gòu)疲勞。橋梁的建設(shè)過(guò)程中所使用的材料并不均勻也不連續(xù)，而是有很多缺陷的。隨著荷載的不斷增大，這些微小的缺陷就很有可能逐漸被擴(kuò)大，形成嚴(yán)重的損傷，再繼續(xù)擴(kuò)大就會(huì)形成可見(jiàn)的宏觀裂紋。如果得不到合理的控制，這些宏觀裂紋就可能引發(fā)脆性斷裂。需要指出的是，這些早期疲勞不易察覺(jué)，但極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。

在鋼橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，疲勞損傷是亟待解決的核心問(wèn)題。由于結(jié)構(gòu)疲勞所引發(fā)的鋼材開(kāi)裂是比較常見(jiàn)的，而且由于疲勞斷裂所引發(fā)的斷橋的案例數(shù)不勝數(shù)。對(duì)近20年的橋梁現(xiàn)狀進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于疲勞損傷的研究已經(jīng)涉及到混凝土的結(jié)構(gòu)，同時(shí)依然需要加強(qiáng)對(duì)于動(dòng)態(tài)性能和疲勞性能等方面的研究。疲勞損傷的研究不僅是對(duì)于整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)而言的，而且要需要考慮局部疲勞，并盡可能減少因?yàn)榫植科谒l(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)坍塌。

3.3 加強(qiáng)對(duì)“超載”的管理

車(chē)輛超載也是引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷的一個(gè)重要原因，但是其所帶來(lái)的后果卻是在超規(guī)范范圍之內(nèi)的。

車(chē)輛超載可以分為以下三種情況：第一，如果橋梁修建過(guò)早，那么勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)現(xiàn)象；第二，橋梁通行的車(chē)輛已經(jīng)嚴(yán)重超負(fù)荷，超過(guò)了原設(shè)計(jì)。還有一種是車(chē)輛違規(guī)超載現(xiàn)象的出現(xiàn)。對(duì)于前面兩種情形產(chǎn)生的原因進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)這是由于設(shè)計(jì)荷載不斷浮動(dòng)以及交通量不斷增大所引發(fā)的。后一種情況是車(chē)輛的使用者出現(xiàn)嚴(yán)重的違法超載現(xiàn)象。

橋梁的超載會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果，增大了疲勞應(yīng)力幅度，而且導(dǎo)致不可逆內(nèi)部損傷。這樣會(huì)導(dǎo)致橋梁也不適應(yīng)正常負(fù)荷，難以維持正常的工作狀態(tài)，這將會(huì)對(duì)橋梁的安全性造成威脅，降低其耐久性，這就勢(shì)必會(huì)造成橋梁的使用壽命縮短。更為嚴(yán)重的是，超載可能會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。目前，橋梁超載現(xiàn)象十分嚴(yán)重，成為亟待解決的問(wèn)題。因此，要積極借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)其先進(jìn)、合理的做法，從質(zhì)量管理以及行政性超載管理等幾個(gè)方面來(lái)提高橋梁耐久性。

3.4 推廣使用防腐技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)耐久性

目前，我國(guó)修建了很多橋梁，然而由于鋼筋混凝土的質(zhì)量易出現(xiàn)問(wèn)題而引發(fā)地帶裂縫，這就會(huì)導(dǎo)致橋面的水滲入到橋梁之中，對(duì)其產(chǎn)生腐蝕。可見(jiàn)，鋼筋的銹蝕問(wèn)題亟待于解決。為此，從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋制造技術(shù)，并進(jìn)行批量生產(chǎn)，這都有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，橋梁在人們生活中的地位日漸提升，因此這就獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。目前，混凝土結(jié)構(gòu)是一種十分普遍的橋梁結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的低耐久性也是有目共睹且亟待解決的難題。因?yàn)闃蛄旱哪途眯缘筒粌H會(huì)降低橋梁的耐久性，而且會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失?？梢?jiàn)，研究混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是一項(xiàng)具有重要研究意義的課題。尋找提高耐久的有效措施，并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，防患于未然，將有助于建設(shè)高耐久性的橋梁，更好地推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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