基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

周 嵬

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，重慶 400000）

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，混凝土結(jié)構(gòu)本身因其強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，備受設(shè)計(jì)人員的青睞。但是很多設(shè)計(jì)人員都忽略了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的科學(xué)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在施工過程中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性大打折扣，給整個(gè)橋梁工程造成了不利的影響。因此，研究分析基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1.1 混凝土橋梁現(xiàn)狀

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)其混凝土結(jié)構(gòu)采取有效的耐久性設(shè)計(jì)，包括材料的使用、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工工藝的選擇以及后期的維護(hù)保養(yǎng)措施等，在保障橋梁結(jié)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。但是我國(guó)很多混凝土橋梁在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，都忽略了混凝土的耐久性設(shè)計(jì)，再加上橋梁日常的檢修和保養(yǎng)不當(dāng)，導(dǎo)致很多橋梁工程在正常運(yùn)行期間出現(xiàn)各種病害，使用壽命大幅度降低，甚至很多橋梁工程都面臨著拆除重建的問題。

對(duì)于混凝土橋梁而言，混凝土的耐久性設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)方面：一方面是科學(xué)合理地選擇混凝土的材料；另外一方面是采取有效的技術(shù)措施，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低混凝土裂縫的寬度。前者需要結(jié)合工程所在區(qū)域的自然環(huán)境以及施工要求，選擇合適的材料。而后者則是需要對(duì)結(jié)構(gòu)采取有效的設(shè)計(jì)、施工和保養(yǎng)技術(shù)，以提高橋梁本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

1.2 影響橋梁耐久性的因素

（1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的缺陷：當(dāng)前，在橋梁工程的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，很多設(shè)計(jì)人員都將主要精力集中在提高結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度，以滿足橋梁工程安全性的要求，忽視了混凝土結(jié)構(gòu)本身的耐久性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致存在一些設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。此外，不同的施工環(huán)境和施工條件，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的要求也不盡相同，很多設(shè)計(jì)人員都沒有結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致橋梁混凝土的耐久性較差，進(jìn)而影響整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2） 材料因素：對(duì)于橋梁工程而言，材料是保障整個(gè)工程施工質(zhì)量的基礎(chǔ)。而合理地選擇混凝土的混合料，可以在保障其強(qiáng)度的同時(shí)，提高混凝土的使用壽命。例如，合理地選擇混凝土的高堿溶液，可以確保混凝土內(nèi)部的鋼筋結(jié)構(gòu)表面，形成一層氧化鐵保護(hù)膜，避免鋼筋出現(xiàn)腐蝕問題，進(jìn)而降低混凝土的開裂現(xiàn)象，確?；炷恋膹?qiáng)度。

（3） 施工工藝的選擇：很多橋梁施工過程中，施工企業(yè)為了趕進(jìn)度，在施工過程中很難完全按照標(biāo)準(zhǔn)的施工流程進(jìn)行施工，再加上現(xiàn)場(chǎng)管理不嚴(yán)格，勢(shì)必導(dǎo)致橋梁工程的施工工藝存在諸多問題，例如，混凝土的振搗不到位、后期保養(yǎng)不全面等，都可能導(dǎo)致橋梁混凝土出現(xiàn)裂縫、強(qiáng)度下降等問題，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)本身的耐久性。

2 基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 傳力路徑設(shè)計(jì)原則

（1） 縮短傳力路徑：傳力路徑越復(fù)雜，混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，可能出現(xiàn)損壞的部位也就越多。因此，無論是對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)還是支撐結(jié)構(gòu)而言，傳力路徑越簡(jiǎn)捷，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越高。

（2） 應(yīng)力均勻流暢：對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，如果結(jié)構(gòu)力學(xué)不連續(xù)或者應(yīng)力不均勻，那么對(duì)于一些結(jié)構(gòu)較薄弱部位，將很容易產(chǎn)生各種病害， 影響混凝土橋梁本身的耐久性。 因此，應(yīng)當(dāng)采取有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保力的傳遞路線簡(jiǎn)潔、平滑以及均勻。

2.2 整體性原則

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，保持結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性，不僅提高了結(jié)構(gòu)本身的承載能力和剛度，而且也是橋梁美觀的要求。由于橋梁工程長(zhǎng)時(shí)間暴露在大自然環(huán)境當(dāng)中，所面對(duì)的環(huán)境較為惡劣，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)中的伸縮縫經(jīng)常出現(xiàn)病害，影響橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，也給車輛的安全通行帶來不利的影響。近年來，無伸縮縫橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選，在提高橋梁本身整體性和連續(xù)性的同時(shí)，提高了橋梁結(jié)構(gòu)本身的耐久性。

2.3 可修性原則

所謂可修性原則，就是對(duì)橋梁部分低于結(jié)構(gòu)使用壽命的部件，采取可維修、可更換等設(shè)計(jì)原則，通過對(duì)這些構(gòu)件 （例如橡膠支座、鋼拉索等） 的定期檢修和更換，以提高整個(gè)橋梁的使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)過程中，可以通過預(yù)留設(shè)計(jì)提升空間、操作平臺(tái)等方式，降低橋梁后期的維護(hù)保養(yǎng)難度，提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

3 實(shí)例分析混凝土橋梁的耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

某鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋梁工程項(xiàng)目，橋梁寬度約為8.82 m，跨徑約為25 m。橋梁施工所在地區(qū)的年相對(duì)濕度約為70%，平均溫度約為20 ℃。本橋梁的目標(biāo)使用壽命為50年。主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 某鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋橫斷面示意圖/mm

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)

通過參考橋梁的耐久性指標(biāo)，對(duì)本橋梁的耐久性進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度增加時(shí)，本橋梁的主梁耐久性和整橋的耐久性都存在一定幅度的上漲，反之，本橋梁的主梁耐久性和整橋的耐久性都存在一定幅度的下降 （如圖2所示）。而從投資角度來看，混凝土保護(hù)層的厚度增大，投入的資金也較高。而為了滿足最低50年的耐久性要求，本工程主梁的保護(hù)層厚度不應(yīng)低于35 mm。而每增加15 mm，投資預(yù)算將增加1.9萬元。因此，綜合考慮本工程結(jié)構(gòu)的耐久性要求和經(jīng)濟(jì)型，本工程最終確定的主梁混凝土保護(hù)層厚度約為45 mm。

圖2 調(diào)整主梁鋼筋保護(hù)層厚對(duì)橋梁耐久性影響

3.2 混凝土材料的選擇

經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析可得知，本工程主梁的耐久性和主梁鋼筋直徑呈反比關(guān)系，與混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈正比關(guān)系。因此，合理地降低鋼筋直徑或者增大混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，有助延長(zhǎng)本工程橋梁的整體耐久性。因此，最終確定的鋼筋直徑選用為30 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

3.3 橋梁防排水構(gòu)造的設(shè)計(jì)

（1） 為了減少橋梁表面的積水，本橋梁水平放置的橋梁構(gòu)件上沒有設(shè)置排水系統(tǒng)出口，減少了由于漏水所導(dǎo)致的積水問題。

（2） 在進(jìn)行橋面泄水管設(shè)置時(shí)，使得水直接排到橋下，并采取了有效的密封性措施，確保泄水管與混凝土之間保持隔離。

（3） 采用垂裙式墻式護(hù)欄防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊梁外側(cè)的翼板，以避免水流順著翼板底部流下。

（4） 本橋梁所有的排水設(shè)施在設(shè)計(jì)時(shí)，均采用可更換性設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了后期的維修和更換流程。

3.4 橋梁伸縮縫的構(gòu)造設(shè)計(jì)

（1） 為了確保伸縮縫整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 在設(shè)計(jì)過程中，伸縮縫的兩側(cè)與主梁之間的鋼筋采用預(yù)埋設(shè)計(jì)。

（2） 為了避免伸縮縫內(nèi)落入雜物，減少伸縮縫的變形問題，采用了優(yōu)質(zhì)的橡膠材料對(duì)其進(jìn)行填嵌，同時(shí)也提高了伸縮縫本身的防水性能。

（3） 在整個(gè)橋梁設(shè)計(jì)過程中，盡可能地采用鉸接的方式替代伸縮縫，降低伸縮縫設(shè)置的數(shù)量。

3.5 橋梁支座的設(shè)計(jì)

（1） 由于支座本身的使用壽命相對(duì)較短，因此，本工程在設(shè)計(jì)過程中，在制作周圍的墩頂上預(yù)留了一定設(shè)備空間，便于支座的更換和維修處理。

（2） 為了減少支座周圍塵土和積水產(chǎn)生，采取了有效的防排水措施，優(yōu)化支座周圍的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在橋梁建設(shè)過程中，除了確保橋梁本身的建設(shè)質(zhì)量和安全性之外，還應(yīng)當(dāng)采取必要的技術(shù)措施，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，降低后期的檢修維護(hù)費(fèi)用支出。因此，相關(guān)工作者應(yīng)當(dāng)重視橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究，積極探索，不斷創(chuàng)新，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，推動(dòng)橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展。