橋梁設(shè)計中的安全性和耐久性分析

何學(xué)德

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067）

1 工程概況

某大橋?qū)儆谥貞c忠縣移民新城大道工程一部分，跨越漕溪河。上部結(jié)構(gòu)主橋采用65+118+65m 的連續(xù)剛構(gòu)，引橋采用2×40m 的預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T 梁，下部結(jié)構(gòu)主橋剛構(gòu)橋墩采用雙肢薄壁墩，群樁基礎(chǔ)；引橋采用雙柱式墩，樁基礎(chǔ)；橋臺采用重力式橋臺、擴大基礎(chǔ)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造設(shè)計

2.1 混凝土保護層

鋼材腐蝕屬于導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性下降最為主要的因素之一，而鋼筋腐蝕的時間和混凝土保護層的實際厚度直接相關(guān)，呈現(xiàn)為平方關(guān)系。一些發(fā)達國家提出，為了防止橋梁表面裂縫的出現(xiàn)，需要配置充足的預(yù)應(yīng)力筋管道及普通筋保護層，并且管道保護層不應(yīng)該低于管道直徑的1.2 倍；普通鋼筋保護層的設(shè)計值不應(yīng)該低于4cm，從而確保在實際施工建設(shè)之后的保護層厚度不低于3cm，管道之間的凈距則不應(yīng)該低于5cm。國內(nèi)則規(guī)定預(yù)應(yīng)力管道到構(gòu)件側(cè)面或者頂面邊緣的凈距不應(yīng)該低于3.5cm，并且施工誤差應(yīng)該處于±5mm 的范圍內(nèi)，考量到在實際施工過程中可能會出現(xiàn)更大的誤差，所以實際保護層厚度通常過小。

處于不同環(huán)境作用之下的主筋、箍筋以及分布筋，相應(yīng)混凝土保護層的厚度需要滿足鋼筋防銹、與混凝土間粘結(jié)力傳遞等方面的要求，并且混凝土保護層的設(shè)計厚度值不應(yīng)該低于鋼筋公稱直徑。此外，對于配置連續(xù)密封套管的預(yù)應(yīng)力鋼筋，相應(yīng)保護層厚度應(yīng)該和普通鋼筋相同，并且不低于孔道直徑的一半，亦或是比普通鋼筋多出10mm；先張法構(gòu)件當(dāng)中的預(yù)應(yīng)力鋼筋處于全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)之下的混凝土保護層厚度需要和普通鋼筋相同，亦或是增加10mm；對于直徑超過16mm 的熱軋預(yù)應(yīng)力鋼筋，其配置的保護層厚度應(yīng)該和普通鋼筋相同；對于工廠預(yù)制后直接運送到施工現(xiàn)場的混凝土構(gòu)件，普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋保護層的厚度可以較現(xiàn)澆構(gòu)件降低5mm。

2.2 鋼筋布置和防護

鋼筋布置需要確保方位，并且要對周邊混凝土進行充分振搗。如果鋼筋布置密度過大，便會影響混凝土澆筑和振搗過程。應(yīng)該采取鋼筋骨架焊接的方式進行處理，以縮減鋼筋層高度、減少箍筋和定位鋼筋，繼而便于混凝土澆筑過程的施工。此外，還可以采取直徑更大的鋼筋，繼而縮減鋼筋層數(shù)與根數(shù)，提高層距及間距，保證混凝土澆筑和振搗質(zhì)量。通常情況下，在預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固區(qū)會布置大量構(gòu)造鋼筋，為了確?；炷翝仓驼駬v質(zhì)量，需要對配合比與施工工藝進行合理配置。在梁上部所配置縱向鋼筋之間的間距需要設(shè)計出能夠讓振搗棒通過的足夠空間。暴露于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件之外的各種金屬部件，其表面需要配置適當(dāng)?shù)姆栏胧?/p>

3 橋梁防水構(gòu)造設(shè)計

水屬于造成鋼筋銹蝕最為主要的因素之一，同時也是導(dǎo)致混凝土凍融破壞和堿-骨反應(yīng)的關(guān)鍵誘因。所以，橋梁防水設(shè)計是保證橋梁工程整體安全性、耐久性和防腐性的重要“防線”。

出于橋梁所處特殊環(huán)境與用途，相應(yīng)防水概念需要具備良好的整體性與系統(tǒng)性特征。在開展橋梁防水設(shè)計活動的過程中，不但要充分關(guān)注橋面部分，同時也要重視伸縮縫和接縫等部分。水流通常是經(jīng)過局部防水缺陷逐漸侵入到橋梁其它部位，繼而直接影響工程防水體系的整體展現(xiàn)。為確保水流被有效收集，并排出橋梁結(jié)構(gòu)范圍，橋梁自身配置的防水系統(tǒng)需要和路基排水等周邊排水系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)。與其它類型的構(gòu)件一樣，橋梁排水系統(tǒng)同樣需要經(jīng)常性地加以維護和修理，才能切實發(fā)揮出其效應(yīng)和功能。此外，橋梁排水系統(tǒng)實際使用壽命相對較短，在應(yīng)用橋梁產(chǎn)品的過程中一般需要作更換處理，所以在進行防水體系設(shè)計與構(gòu)造的過程中，需要確保排水系統(tǒng)便于清掃、維護以及更換。在進行防水系統(tǒng)設(shè)計時可采取如下措施：

3.1 排水

保證水可以被快速集中，繼而排出到橋外。

①將橋面設(shè)計出足夠大的坡度，使水被收集至緣石位置的集水口，隨后利用懸吊于橋面之下或者澆注于橋面之內(nèi)的排水管將其排出橋面；

②對于伸縮縫之下的結(jié)構(gòu)，需要綜合考量伸縮縫損壞和滲漏等情況對構(gòu)件耐久性形成的影響，需要在臺帽和蓋梁頂面位置設(shè)置斜坡和排水道等，使可能流經(jīng)此處的積水被盡快排出；

③為在管道失效的情況下方便檢查與更換，盡量不要把排水管道澆筑于混凝土當(dāng)中，可以采取懸吊在橋面以下或者置于主梁間空隙等方式進行處理，也可以設(shè)置于橋面邊緣位置的管溝之內(nèi)；

④必須保證排水系統(tǒng)的堅固性和耐用性，確保材料的穩(wěn)定性，可以抵抗常見的化學(xué)物質(zhì)侵蝕；

⑤在較易出現(xiàn)排水滲漏的位置，需要留出替代出口，從而避免箱梁和空心板當(dāng)中積水；

⑥在橋梁范圍的內(nèi)外，跟主要排水系統(tǒng)之間的連接需要和細節(jié)部位相互協(xié)調(diào)，例如管道清掃口等；

⑦要在方便檢修的位置設(shè)計排水系統(tǒng)結(jié)合點。

3.2 防水

對于橋梁所采取的防水保護方法主要包括結(jié)構(gòu)表面處理、電化學(xué)設(shè)備處理以及結(jié)構(gòu)性措施等。對于橋面防水層位置鋪裝料的選擇，需要符合下述要求：

①具有優(yōu)質(zhì)的抗?jié)B性能；

②具有優(yōu)質(zhì)的耐高溫和低溫性能；

③與混凝土橋面、瀝青面層之間具備良好的粘結(jié)性；

④在面層經(jīng)過碾壓之后，能夠呈現(xiàn)出較好的無破損性；

⑤對于橋面狀況具有良好的適應(yīng)性；

⑥對于橋面裂縫帶來的影響具有良好的抵御性；

⑦材料壽命不應(yīng)該小于面層使用壽命；

⑧具有優(yōu)質(zhì)的邊緣密封性。

4 橋梁伸縮縫構(gòu)造設(shè)計

一直以來，橋梁伸縮縫都是影響工程施工及維護工作的主要難題之一。因為橋梁伸縮縫需要長期暴露于大氣當(dāng)中，實際服役環(huán)境惡劣，導(dǎo)致伸縮縫成為橋梁結(jié)構(gòu)當(dāng)中最容易受到破壞，而且修復(fù)難度較大的部位。如果伸縮縫遭到破壞，不但會導(dǎo)致行車狀況的惡化，影響橋梁使用安全性，還會縮減橋梁使用年限。對橋梁伸縮縫在安全性、耐久性構(gòu)造方面考慮，要滿足可更換與可維修要求，具體包括：

①應(yīng)該在設(shè)計使用年限之內(nèi)維持良好的適用性，方便檢查與維護；

②為了防止橋梁結(jié)構(gòu)表面和橋臺遭受腐蝕，需要為全部伸縮縫供給排水系統(tǒng)；

③在允許一部分橋面位置通車的工況下能夠作更換處理；

④確保伸縮縫具有足夠長的設(shè)計使用壽命，防止在實際使用過程中更換過于頻繁。

5 橋梁支座構(gòu)造設(shè)計

倘若條件允許，如果支座預(yù)期使用壽命低于結(jié)構(gòu)壽命，需要在墩頂或者蓋梁位置預(yù)留出空間和通道，便于支座和千斤頂?shù)仍O(shè)備的運輸，盡可能為技術(shù)人員留出足夠的操作平臺，縮減后期維護難度及費用投入。應(yīng)該在支座周邊位置留出適當(dāng)?shù)目臻g，方便對支座進行檢查與維修；在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)該分析到達支座的具體方式。對支座細部進行設(shè)計的過程中，需要具體分析怎樣將可能堆積的塵土及水氣排出。開展蓋梁計算和配筋設(shè)計的過程中，要關(guān)注千斤頂?shù)仍O(shè)備所在位置所產(chǎn)生的集中應(yīng)力。

6 結(jié)束語

總而言之，橋梁工程設(shè)計階段是決定橋梁產(chǎn)品實際安全性和耐久性的重要環(huán)節(jié)，必須要對設(shè)計方案進行合理優(yōu)化處理，為工程后期施工建設(shè)與投入使用形成良好的指導(dǎo)，為國民出行的安全性和便捷性提供保障，促進國家交通運輸事業(yè)的持續(xù)優(yōu)化發(fā)展。