基于耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

吳昌星 王滿

1.武漢遠行通路橋工程設(shè)計咨詢有限公司 湖北武漢 430050

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1 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的理論研究

現(xiàn)階段混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在土木工程中，從根本上提升了工程結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，使工程成本得到管控，但由于混凝土結(jié)構(gòu)原材料存在各項弊端，導(dǎo)致病害問題頻繁出現(xiàn)，嚴重影響到了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。針對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，不同專家從材料耐久與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計兩方面入手進行評估，分析出影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素主要體現(xiàn)在以下幾方面：

混凝土碳化[1]。主要就是混凝土內(nèi)水泥的水化產(chǎn)物與二氧化碳結(jié)合，生成碳酸鈣或其他物質(zhì)，混凝土內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，最終引起鋼筋鈍化或銹蝕，嚴重影響到混凝土結(jié)構(gòu)的承載力；

氯離子對結(jié)構(gòu)的侵蝕。氯離子從孔隙滲入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，與鋼筋結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，致使混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降；

混凝土結(jié)構(gòu)的凍害。在混凝土結(jié)構(gòu)長期處于外界低氣溫環(huán)境下，極有可能發(fā)生內(nèi)部凍害問題，因受到熱脹冷縮影響，結(jié)構(gòu)表面將會出現(xiàn)明顯裂縫；

鋼筋銹蝕?；炷龄摻罱Y(jié)構(gòu)的銹蝕是影響混凝土耐久性的直接因素。在鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，受到兩個電極共同反應(yīng)的作用，鋼筋有效截面將會不斷縮小。

2 耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀分析

2.1 橋梁工程現(xiàn)狀

橋梁工程是當前社會城市化發(fā)展的重要組成部分，對加快社會主義市場經(jīng)濟增長速率具有重要意義。受到運營環(huán)境與日漸增長的交通負荷量等因素影響，部分既有橋梁的力學(xué)性能無法滿足橋梁結(jié)構(gòu)新要求，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性下降。不僅如此，一大批橋梁面臨著老化風(fēng)險，病害治理及維護難度極大，原有荷載標準與當前荷載狀況不相符，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與承載力的評估不到位。

2.2 橋梁工程病害

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性降低的問題主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)、施工環(huán)節(jié)、維護環(huán)節(jié)等共同作用造成?，F(xiàn)階段在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，存在忽視混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計問題，沒有對混凝土及鋼筋質(zhì)量進行嚴格檢測，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)施工效果與預(yù)期目標存在較大差距。

2.3 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的定義

為加快橋梁工程發(fā)展進程，國家與有關(guān)部門對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計工作給予了高度關(guān)注，致力于從混凝土材料、構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)三方面入手，通過分析橋梁結(jié)構(gòu)的環(huán)境以及受力特征，總結(jié)出混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要點[2]。當前混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的定義為：在橋梁工程設(shè)計環(huán)節(jié)，通過細致分析橋梁建設(shè)材料質(zhì)量、混凝土結(jié)構(gòu)計算方式、施工工藝以及維護環(huán)節(jié)存在的混凝土耐久性影響因素，對橋梁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行不斷優(yōu)化。

3 耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3.1 耐久性材料設(shè)計

耐久性材料設(shè)計主要就是基于材料耐久性退化原理，對應(yīng)用在混凝土橋梁工程施工期間的材料力學(xué)性能進行嚴格管控。舉例而言，結(jié)合耐久性材料設(shè)計成果，建立起高強混凝土、混凝土外加劑等材料入場標準，對材料的綜合品質(zhì)進行全面管控。

3.2 耐久性計算與驗算

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的計算與驗算工作需要嚴格遵守國家與有關(guān)部門頒布的現(xiàn)行法律規(guī)范，對混凝土結(jié)構(gòu)橋梁耐久性影響系數(shù)進行定量分析，基于橋梁結(jié)構(gòu)荷載、抗力隨時間變化規(guī)律等數(shù)值，計算出混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的時間函數(shù)。通過前期預(yù)算橋梁工程結(jié)構(gòu)承載力的變化規(guī)律，制定出混凝土橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期評估標準，針對此標準對混凝土結(jié)構(gòu)橋梁耐久性設(shè)計方案進行不斷優(yōu)化。

3.3 橋梁外觀構(gòu)造設(shè)計

在混凝土結(jié)構(gòu)橋梁外觀構(gòu)造設(shè)計過程中，相關(guān)設(shè)計部門需注重分析橋梁結(jié)構(gòu)方案與地理環(huán)境、周邊氣候條件等存在的矛盾，針對此些矛盾不斷優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[3]。具體來說，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)外觀主要包括各類地形條件下橋梁結(jié)構(gòu)的布置與結(jié)構(gòu)形式選擇、行車對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響等。針對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響因素，計算出混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形定量數(shù)值，保障混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)荷載傳力路徑均勻平滑，降低混凝土橋梁結(jié)構(gòu)病害問題發(fā)生幾率。

4 耐久性混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容

4.1 材料耐久性退化原理的結(jié)構(gòu)設(shè)計

從混凝土材料角度研究結(jié)構(gòu)的整體耐久性已經(jīng)積累了諸多實踐經(jīng)驗，通過材料耐久性退化原理，能夠更好分析出影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素，并針對此類因素對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行不斷優(yōu)化。

應(yīng)用科學(xué)手段減緩混凝土碳化速率?；炷撂蓟菍?dǎo)致鋼筋銹蝕的重要條件，會隨時間的變化而變化，因此可建立起混凝土結(jié)構(gòu)抗力變化模型，對混凝土內(nèi)水泥、水灰比、外加劑等材料對混凝土堿性的影響進行評估。其中，因水泥品種的不同，水泥水化物內(nèi)的堿性物質(zhì)含量與混凝土滲透度呈現(xiàn)出較大差距，經(jīng)過實際研究發(fā)現(xiàn)，在橋梁結(jié)構(gòu)處于暴露環(huán)境的情況下，礦渣混凝土比普通水泥混凝土的碳化速度快50%～90%。

4.2 提升混凝土材料的抗?jié)B性

為切實降低混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子侵蝕以及凍脹病害發(fā)生，在收集并研究施工實際案例中發(fā)現(xiàn)，在混凝土內(nèi)水灰比大于0.55時，混凝土的滲透率將會不斷增長，因此需結(jié)合混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性要求，將混凝土內(nèi)水灰比控制在合理范圍之內(nèi)。選擇更加適宜的水泥種類，如水泥稀土與顆粒較小的品種等，控制混凝土拌制期間的用水量。注重在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂抹防水材料以及防水砂漿，增強混凝土的抗?jié)B透力。

4.3 加強防鋼筋銹蝕管理力度

嚴格監(jiān)管混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕監(jiān)管工作，分析出導(dǎo)致鋼筋銹蝕的各類影響因素，準確預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。適當增加混凝土保護層厚度，確保鋼筋不會輕易遭受到外部環(huán)境因素影響出現(xiàn)銹蝕情況，確實延長鋼筋結(jié)構(gòu)的使用壽命，保障混凝土橋梁整體耐久性。

5 結(jié)語

總而言之，為從根本上提升混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性，需做好橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，結(jié)合工程具體建設(shè)要求，不斷優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)組件剛性，延長橋梁工程整體使用壽命，保障工程的投入部門核心利益。