基于耐久性混凝土橋梁合理耐用構(gòu)造設(shè)計(jì)

王程程 周子筠

（武昌工學(xué)院 湖北武漢 430065）

引論

目前我國(guó)公路橋梁數(shù)量已超過(guò)80萬(wàn)座，橋梁已成為中國(guó)建造的靚麗名片。一座座新穎奇特的現(xiàn)代橋梁，正在重塑中國(guó)經(jīng)濟(jì)地理的新標(biāo)志。有著交通工程的“珠穆朗瑪峰”之稱(chēng)的港珠澳大橋的建成，作為連接香港、珠海、澳門(mén)的經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，將帶動(dòng)三地經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，勾勒出中國(guó)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率的新版圖。我國(guó)廣大橋梁建設(shè)者緊跟國(guó)際橋梁建設(shè)前沿技術(shù)，不斷在橋梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、核心材料研發(fā)、關(guān)鍵施工工藝等方面不斷創(chuàng)新突破，使我國(guó)橋梁建設(shè)水平顯著提升，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不斷提高。然而，分析很多橋梁病害的工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍普遍存在著重強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕耐久性設(shè)計(jì)的現(xiàn)象，主要是基于強(qiáng)度理論的結(jié)構(gòu)體系方面的設(shè)計(jì)，而對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面考慮的較少，從而忽視了結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)等耐久性方面的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其常常因構(gòu)造方面的問(wèn)題影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

結(jié)構(gòu)構(gòu)造是指橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部各部分之間的布置方式，如結(jié)構(gòu)構(gòu)成形式、鋼筋布置方式、保護(hù)層厚度等?；炷翗蛄汉侠砟陀脴?gòu)造設(shè)計(jì)必須同時(shí)考慮使用環(huán)境、材料質(zhì)量、施工難度、結(jié)構(gòu)維護(hù)以及經(jīng)濟(jì)合理性等諸多因素，改善結(jié)構(gòu)受力性能、提高結(jié)構(gòu)體系的整體耐久性。張譽(yù)認(rèn)為混凝土保護(hù)層厚度、伸縮縫構(gòu)造、鋼筋設(shè)置等構(gòu)造設(shè)計(jì)是影響混凝土橋梁耐久性的首要因素。陳肇元院士也將保護(hù)層厚度、防水層設(shè)置、伸縮縫等構(gòu)造措施列為耐久性設(shè)計(jì)的主要考慮因素[1]。本文主要從混凝土保護(hù)層厚度、橫隔梁（板）構(gòu)造、鉸縫構(gòu)造、防排水構(gòu)造以及可檢修可更換構(gòu)造等方面，提出混凝土橋梁合理耐用構(gòu)造設(shè)計(jì)措施，以供橋梁設(shè)計(jì)人員參考。

1 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造常見(jiàn)病害及設(shè)計(jì)缺陷分析

1.1 混凝土保護(hù)層厚度

常見(jiàn)病害：混凝土保護(hù)層不僅能保證鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用，同時(shí)也能防止外界有害介質(zhì)的侵入，保護(hù)鋼筋?；炷帘Ｗo(hù)層厚度不足，開(kāi)裂或剝落，將導(dǎo)致鋼筋外露乃至銹蝕，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。但是保護(hù)層過(guò)厚，將增大構(gòu)件表面收縮及溫度裂縫產(chǎn)生的概率。因此，對(duì)混凝土橋梁設(shè)置合理的保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性意義重大。

設(shè)計(jì)缺陷：我國(guó)混凝土保護(hù)層厚度規(guī)定是相應(yīng)環(huán)境情況下的最低要求，設(shè)計(jì)者往往會(huì)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性因素取最小保護(hù)層厚度作為設(shè)計(jì)值，未考慮結(jié)構(gòu)的耐久性。同時(shí)大多數(shù)橋梁混凝土保護(hù)層構(gòu)造設(shè)計(jì)除了考慮到保護(hù)層厚度的確定及控制措施外，對(duì)由于混凝土自收縮受到鋼筋限制而產(chǎn)生的裂縫對(duì)混凝土保護(hù)層的影響研究不足，且缺乏較為系統(tǒng)的研究不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，混凝土保護(hù)層的合理設(shè)置原則。

1.2 橫隔梁（板）構(gòu)造

常見(jiàn)病害：橫隔梁（板）屬于橫向連接構(gòu)造，使主梁連成整體，加強(qiáng)其整體性，共同受力。但橫向連接往往比較薄弱，在重載作用下，出現(xiàn)連接處混凝土剝落、構(gòu)件表面裂縫等病害，繼而加劇其他構(gòu)件病害的惡性循環(huán)，急劇降低橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

設(shè)計(jì)缺陷：橫向連接構(gòu)造設(shè)計(jì)中對(duì)橫隔梁（板）的構(gòu)造尺寸應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際不同的情況有具體明確的確定方法，應(yīng)明確確定橫隔梁（板）的合理高度、厚度，應(yīng)合理設(shè)計(jì)其截面，保證連接構(gòu)件的剛度，增大受力。同時(shí)對(duì)橫向連接處，連接構(gòu)造形式的選擇，應(yīng)有明確的設(shè)計(jì)方案。

1.3 鉸縫構(gòu)造

常見(jiàn)病害：鉸縫是梁體的薄弱環(huán)節(jié)，主要起傳遞剪力作用。鉸縫出現(xiàn)開(kāi)裂等病害會(huì)形成單板受力、橫向連接開(kāi)裂等破壞，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。設(shè)計(jì)缺陷：鉸縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度理論中未考慮鉸縫內(nèi)橫向拉應(yīng)力對(duì)鉸縫破壞的影響，鉸縫構(gòu)造尺寸對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)未作深入的研究，同時(shí)，鉸縫的破壞是否會(huì)影響混凝土的疲勞破壞，應(yīng)作細(xì)致的研究，以在鉸縫構(gòu)造設(shè)計(jì)中，充分考慮其他因素的影響。

1.4 防排水構(gòu)造

常見(jiàn)病害：橋面鋪裝層、伸縮縫等處的防排水構(gòu)造設(shè)置不合理，將會(huì)導(dǎo)致積水直接排至梁體或支座上，引起梁體、支座等處混凝土腐蝕，進(jìn)而加快鋼筋的銹蝕，嚴(yán)重降低橋梁整體的耐久性。

設(shè)計(jì)缺陷：目前，設(shè)計(jì)人員對(duì)橋面鋪裝層的防水層材料的選取有所欠缺，選用的防水混凝土，屬于剛性防水材料，容易出現(xiàn)裂縫，從而大幅度降低其防水性能。[2]而在重視橋面鋪裝防水層的同時(shí)，卻忽略了其他防水設(shè)施設(shè)置的合理性以及人行道范圍內(nèi)的橋面防水防滲，從而引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)防排水問(wèn)題。

1.5 可檢修更換構(gòu)造

常見(jiàn)病害：如在設(shè)計(jì)時(shí)，未充分考慮可檢修、可更換的因素，缺少相應(yīng)的構(gòu)造設(shè)置，或檢修空間不夠，不僅給橋梁的日常養(yǎng)護(hù)和維修帶來(lái)很多不便，也會(huì)在一定程度上影響橋梁的耐久性。如支座、伸縮縫以及排水系統(tǒng)等處的檢查、更換。

2 提高耐久性的構(gòu)造設(shè)計(jì)原則

2.1 提高橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)將環(huán)境作用下橋梁細(xì)部構(gòu)造的耐久性與荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全性視為同等重要。相應(yīng)增加定量的指標(biāo)規(guī)定，與目前的社會(huì)環(huán)境與時(shí)俱進(jìn)。在整體方案比選時(shí)，除了考慮施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，還應(yīng)對(duì)橋梁耐久性的相關(guān)指標(biāo)和構(gòu)造細(xì)節(jié)加以考慮，以保證橋梁整體的耐久性。[3]

2.2 保證施工的可行性

橋梁細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)應(yīng)保證施工的可行性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)立足于目前正常的施工水平，滿(mǎn)足施工需要，使施工方能采用成熟、方便的施工工藝和方法，保證施工的質(zhì)量，以達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)細(xì)部構(gòu)造的預(yù)想性能及提高橋梁的耐久性。

2.3 加強(qiáng)維修養(yǎng)護(hù)

橋梁運(yùn)營(yíng)中的檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)維修是保證橋梁正常運(yùn)營(yíng)的必要條件，而細(xì)部構(gòu)造的耐久性與合理地使用、檢修息息相關(guān)。在使用過(guò)程中如缺乏橋梁細(xì)部構(gòu)造的養(yǎng)護(hù)規(guī)劃，隱患發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或不加重視，小損傷、小病害維護(hù)處理不及時(shí)，隨著時(shí)間的推移，小病害將會(huì)積累成大問(wèn)題，將嚴(yán)重影響橋梁的耐久性。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)橋梁的細(xì)部構(gòu)造如伸縮縫、接縫、橋梁防水等部位設(shè)計(jì)成易于維護(hù)檢修的結(jié)構(gòu)，便于修理更換，以提高橋梁整體的耐久性。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)措施

3.1 保護(hù)層厚度構(gòu)造措施

在設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境，充分考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及由于混凝土自收縮受到鋼筋限制而產(chǎn)生的裂縫對(duì)混凝土保護(hù)層的影響，綜合考慮構(gòu)件承載力、施工水平和耐久性需要，合理設(shè)計(jì)混凝土保護(hù)層厚度。[4]在其導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度增大的許可范圍內(nèi)，可適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度。

3.2 橫隔梁（板）構(gòu)造措施

為了保證各主梁之間有足夠的橫向連接，橫隔梁（板）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密，且截面尺寸的設(shè)置及內(nèi)部鋼筋的布置形式應(yīng)合理，確保傳力路徑簡(jiǎn)捷、明快。應(yīng)加大構(gòu)造鋼筋的配筋率，采用細(xì)、密的配筋原則，并且應(yīng)在新舊混凝土結(jié)合面進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉?gòu)造處理。

3.3 鉸縫構(gòu)造措施

改善鉸縫受力狀態(tài)提高鉸縫抗剪能力的主要措施是增加鉸縫鋼筋，防止縱向開(kāi)裂，適當(dāng)加大鉸縫設(shè)計(jì)尺寸，施工時(shí)保證鉸縫混凝土的密度和強(qiáng)度，保證新舊混凝土之間的粘結(jié)和抗剪能力，且應(yīng)做好鉸縫構(gòu)造防水措施。

3.4 防排水構(gòu)造措施

應(yīng)改進(jìn)更新防水層所用的材料，或選用防水混凝土的同時(shí)再增加一層防水層，以保證結(jié)構(gòu)的防水性能。同時(shí)，所有截面均應(yīng)設(shè)有排水措施，合理設(shè)置防水層的厚度及排水坡度，選用適當(dāng)?shù)呐潘绞?，盡快排水，以提高橋梁的防排水性能。

3.5 可檢修更換構(gòu)造措施

根據(jù)橋梁的養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)，病害越早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)整治，所需費(fèi)用就越少，并且不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性。在不同的環(huán)境和使用條件下，除了采用合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)考慮后期養(yǎng)護(hù)，給使用壽命低于結(jié)構(gòu)使用壽命期的部件留有足夠的檢修空間，易查易修。因此，在設(shè)計(jì)階段，就必須將構(gòu)件的可檢、可修和可更換加以考慮，并采取相應(yīng)的措施，以方便橋梁在使用過(guò)程中的維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于耐久性混凝土橋梁合理耐用構(gòu)造設(shè)計(jì)理念，從混凝土保護(hù)層厚度、橫隔梁（板）構(gòu)造、鉸縫構(gòu)造、防排水構(gòu)造以及可檢修可更換構(gòu)造等方面，分析了構(gòu)造設(shè)計(jì)缺陷，并提出了混凝土橋梁合理耐用構(gòu)造設(shè)計(jì)措施，以提高橋梁整體的耐久性，為今后的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。