混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)淺析

1.引言

作為交通的咽喉，橋梁不僅起到了聯(lián)系交通的作用，還帶動(dòng)了周?chē)貐^(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。然而，鑒于其所處的環(huán)境以及所承擔(dān)荷載的特殊性，橋梁往往較為容易在安全以及耐久性方面出現(xiàn)問(wèn)題。

2.橋梁及其構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命定義

在橋梁工程中，通常是按照業(yè)主要求確定橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，因此往往缺乏理論支持。目前，國(guó)內(nèi)規(guī)定的橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施使用壽命均為100年，相應(yīng)的規(guī)定比較模糊。但橋梁不同組成部分的退化速度不同，維護(hù)等方面也存在較大差異，因此，橋梁設(shè)計(jì)使用壽命等應(yīng)根據(jù)不同的構(gòu)件制定不同的規(guī)定。

橋梁的使用壽命主要用來(lái)定義其主體結(jié)構(gòu)，但組成橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件較多，且具備不同的功能和材料，因此，這些構(gòu)件在使用時(shí)的壽命跟主體結(jié)構(gòu)的壽命通常并不相同，其表現(xiàn)為在橋梁的使用壽命內(nèi)需要對(duì)既有部分構(gòu)件進(jìn)行更換。因此，僅僅使用一個(gè)整體的設(shè)計(jì)使用壽命對(duì)全部構(gòu)件進(jìn)行要求，是不太合理的，應(yīng)該對(duì)各個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，以降低維修次數(shù)及建筑和使用期維修成本，尋求與社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本之間的平衡。根據(jù)上述分析，本文將橋梁同構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命定義為：設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)橋梁及其構(gòu)件耐久性時(shí)所參照的依據(jù)并且要求符合安全性的使用年限。

導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效的因素較多，主要包括材料劣化導(dǎo)致承載力下降使得安全性得不到保障、過(guò)大的維修費(fèi)用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)報(bào)廢、結(jié)構(gòu)功能出現(xiàn)變化等。在對(duì)結(jié)構(gòu)使用年限進(jìn)行分析時(shí)，必須考慮經(jīng)濟(jì)、功能以及技術(shù)因素，但這些方面在不同的情況下具有不同的要求，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)壽命的終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其使用壽命進(jìn)行劃分，具體情況如表1所示。

表1 從壽命終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)的角度劃分結(jié)構(gòu)的使用壽命

表2 構(gòu)件分類(lèi)

表3 橋梁構(gòu)造或構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命建議值

目前，劃分橋梁構(gòu)件的方法主要包括根據(jù)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件特點(diǎn)進(jìn)行劃分兩種。但對(duì)于我國(guó)橋梁工程而言，采取按照構(gòu)造體系進(jìn)行劃分的方法是存在一定困難的，這主要是因?yàn)槲覈?guó)采用的大部分混凝土橋梁構(gòu)件形狀不規(guī)整。因此，在實(shí)際劃分橋梁構(gòu)建時(shí)，需要按照結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行劃分，即先劃分梁橋、拱橋以及附屬設(shè)施等，再對(duì)其所包括的構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分。同時(shí)，結(jié)合不同構(gòu)件、不同維修以及工作目的，從耐久性的角度出發(fā)，將橋梁的構(gòu)件分為不同類(lèi)構(gòu)件（表2）。

3.設(shè)計(jì)使用壽命簡(jiǎn)化計(jì)算

基于壽命周期的成本分析原理，對(duì)參考數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，得出橋梁及其構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的建議算式：

L=（C1C2C3C4C5）L0

其中，C1C2C3C4C5代表影響使用壽命的系數(shù)，分別為氣候影響、橋位小環(huán)境、養(yǎng)護(hù)、重要性和更換難易程度；L0代表結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命建議值。

氣候影響系數(shù)C1：當(dāng)氣候較為濕潤(rùn)時(shí)，混凝土的碳化速度在低溫環(huán)境下將會(huì)降低，構(gòu)件就具有較長(zhǎng)的合理設(shè)計(jì)壽命；但鋼筋構(gòu)件處于較低溫度且周?chē)h(huán)境較為干燥時(shí)，鋼筋所受到的腐蝕作用將會(huì)被削弱，構(gòu)件就會(huì)具有較長(zhǎng)的合理設(shè)計(jì)壽命。C1的建議取值區(qū)間為0.9-1.1。

橋位小環(huán)境系數(shù)C2：當(dāng)橋梁所處環(huán)境較為惡劣時(shí)，為了確保橋梁具有設(shè)計(jì)壽命，將會(huì)消耗較大的資金，在這種情況下，構(gòu)件將具有較短的合理設(shè)計(jì)使用壽命，因此，橋位小環(huán)境系數(shù)應(yīng)取較小值，結(jié)合對(duì)環(huán)境作用的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，C2的建議取值區(qū)間為0.5-1.0。

養(yǎng)護(hù)系數(shù)C3：當(dāng)采取較為先進(jìn)的科學(xué)養(yǎng)護(hù)手段時(shí)，橋梁的養(yǎng)護(hù)將會(huì)取得較好的效果，雖然將會(huì)有較長(zhǎng)的預(yù)期使用壽命，但其所消耗的資金較大。養(yǎng)護(hù)方式可分為零養(yǎng)護(hù)、簡(jiǎn)單養(yǎng)護(hù)以及周期性詳細(xì)養(yǎng)護(hù)等。以零養(yǎng)護(hù)作為L(zhǎng)0的基準(zhǔn)，C3的建議取值區(qū)間為1-1.2。

重要性系數(shù)C4：橋梁的等級(jí)與建設(shè)成本及社會(huì)成本等密切相關(guān)，當(dāng)橋梁的重要性較高時(shí)，其構(gòu)件所需的設(shè)計(jì)使用壽命也較長(zhǎng)。此外，橋梁的作用必須在公路系統(tǒng)中才能得到體現(xiàn)，在選取其重要性系數(shù)時(shí)，還需對(duì)公路系統(tǒng)的重要性進(jìn)行考慮。根據(jù)跨徑可將橋梁劃分為特大橋、大橋、中橋以及小橋四種。以小橋作為L(zhǎng)0的基準(zhǔn)，建議C4的取值區(qū)間為1.0-1.2。

更換難易程度系數(shù)C5：因?yàn)楦鞣N構(gòu)件的更換難易程度不同，以中等更換難度作為L(zhǎng)0的基準(zhǔn)，建議C5的取值區(qū)間為0.8-1.5。在確定取值時(shí)，需結(jié)合橋梁重要程度、交通量大小等，以期更換時(shí)的成本能與社會(huì)成本保持平衡。

4.橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命建議值

我國(guó)混凝土橋梁所受到的最大環(huán)境影響是碳化、鋼筋腐蝕等。結(jié)合隨環(huán)境變化所導(dǎo)致的構(gòu)件耐久性變化規(guī)律，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命按照相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化，可以得出表3所示構(gòu)件的使用壽命最小設(shè)計(jì)建議值。

上述建議值也考慮了以下內(nèi)容：

（1）不同的橋梁環(huán)境對(duì)不同的橋梁構(gòu)件使用壽命的影響不同，所采取的耐久性設(shè)計(jì)措施也不同，因而需按照使用環(huán)境對(duì)橋梁的使用壽命進(jìn)行區(qū)別選取。

（2）橋梁的使用壽命會(huì)隨著交通量等的增大而降低，這些通常不是由于技術(shù)因素造成的。因此，其對(duì)橋梁功能的影響也進(jìn)行了考慮。

（3）技術(shù)進(jìn)步的影響。若橋梁采取了新的施工方法或材料，其設(shè)計(jì)壽命也應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行具體考慮。

（4）表3所示的建議值主要針對(duì)二級(jí)橋梁，對(duì)于一級(jí)橋梁其設(shè)計(jì)壽命應(yīng)在其基礎(chǔ)上提高10年～20年。

5.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命的定義，對(duì)橋梁及其構(gòu)件設(shè)計(jì)的使用壽命進(jìn)行了定義；根據(jù)構(gòu)件不同的工作目的等，將構(gòu)件分為了四大類(lèi)；引入五種系數(shù)，對(duì)實(shí)際工程構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的取值進(jìn)行了分析，以提出橋梁設(shè)計(jì)使用壽命計(jì)算方法；通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，給出了橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命建議值，以期為混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)提供參考。