海洋環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性設(shè)計

朱愛東 （華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進的大背景下，近年來，越來越多的跨海大橋建成通車，這對于我國交通事業(yè)的進一步發(fā)展無疑起著重要作用，不僅方便了人們的出行，同時也推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展。但由于近海地區(qū)的環(huán)境因素較為復雜，橋梁所處的環(huán)境條件惡劣，結(jié)構(gòu)耐久性是需要重點考慮的問題。因此，我們要根據(jù)海洋環(huán)境的實際情況，進行科學合理的橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性設(shè)計。

1 橋梁安全性和耐久性設(shè)計的重要性

影響橋梁安全性的因素很多，有設(shè)計原因、施工原因以及不可抗力因素等；而影響橋梁耐久性的因素則更為復雜，在混凝土的制備過程中，任何一個環(huán)節(jié)的細微變化都可能引起結(jié)構(gòu)耐久性的變化。目前，我國正在大規(guī)模建設(shè)橋梁工程，有些項目不但規(guī)模大，而且結(jié)構(gòu)復雜，在橋梁工程的建設(shè)中，難免會出現(xiàn)一些安全隱患問題，不僅影響橋梁的使用壽命和通行安全，嚴重時甚至可能出現(xiàn)坍塌事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)有關(guān)資料，導致部分橋梁工程建設(shè)質(zhì)量不達標的原因可分為以下兩個方面：一方面，在橋梁設(shè)計階段，由于一些設(shè)計人員缺乏橋梁施工經(jīng)驗，設(shè)計時考慮不周全，導致橋梁運營時出現(xiàn)功能性缺失[1]；另一方面，由于施工單位在施工時未能完全按照設(shè)計圖紙施工，存在較多的不規(guī)范行為，往往導致橋梁工程在建設(shè)中就埋下安全隱患，進而對整體的工程質(zhì)量造成影響。為了有效解決這一問題，在橋梁工程的設(shè)計、施工和管理的全過程中，要時刻重視橋梁的安全性和耐久性，這不僅是確保橋梁工程建設(shè)質(zhì)量和運行安全的關(guān)鍵，而且對推動我國經(jīng)濟進一步發(fā)展也起著重要作用。

2 提高橋梁設(shè)計安全性的措施

2.1 完善設(shè)計規(guī)范、加強質(zhì)量控制

在橋梁工程項目建設(shè)中，設(shè)計階段是至為關(guān)鍵的階段，要提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，首先要建立完善的設(shè)計規(guī)范，以確保橋梁工程設(shè)計的科學合理。在設(shè)計過程中，要嚴格按照設(shè)計、復核、審核流程對設(shè)計成果層層把關(guān)，相關(guān)人員要積極履行自身職責，對橋梁項目設(shè)計過程進行有效監(jiān)督，避免因主觀因素造成設(shè)計圖紙有質(zhì)量缺陷。

2.2 重視結(jié)構(gòu)疲勞損傷問題

目前，我國機動車保有量仍在持續(xù)增長，給橋梁工程的使用帶來很大壓力，隨著橋梁的長期運營，難免不受到汽車超載的影響[2]。長此以往，在汽車動荷載作業(yè)下，橋梁一定會受到不同程度的疲勞損傷[3]。目前，鋼筋混凝土仍在橋梁建設(shè)中大量使用，鋼筋混凝土的材料特性，決定了它會出現(xiàn)細微的裂縫。在橋梁運行過程中，若不能及時對裂縫進行修補，任其發(fā)展，必然會導致橋梁結(jié)構(gòu)安全性降低。因此，設(shè)計人員在設(shè)計時，必須進行嚴格的設(shè)計驗算，確保結(jié)構(gòu)疲勞性能指標符合要求，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全有效。

3 提高橋梁耐久性的措施

3.1 混凝土橋梁

橋梁耐久性設(shè)計應該以預防為主，同時兼顧經(jīng)濟效益。鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的主要表現(xiàn)形式之一[4]。目前，近海環(huán)境下混凝土橋梁耐久性措施包括采用高性能混凝土；提高混凝土保護層厚度；控制混凝土裂縫寬度；提高施工質(zhì)量；鋼筋表面加防腐層；摻加鋼筋阻銹劑；混凝土表面涂層；陰極保護類電化學技術(shù)等。這些措施都各有優(yōu)缺點，也有其使用的局限性，而混凝土橋梁耐久性設(shè)計是一個系統(tǒng)性的工程，需要綜合考慮到環(huán)境氣候特點、工程所處的腐蝕特點、施工工藝和管養(yǎng)運營等各方面的條件，因地制宜，對橋梁結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計。表1對常用的耐久性措施進行了比較。

表1 混凝土橋梁常用耐久性措施對比表

3.2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁

海洋大氣環(huán)境氣溫高、濕度大，富含氯離子、氧氣和水汽，在海水鹽霧等因素長期作用下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁容易受到較強的腐蝕。為此，我們需要重視海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性設(shè)計。

在海洋環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁常用的耐久性措施包括防腐涂層、表面熱噴涂、鋼材冷鍍鋅、采用耐候鋼、預留腐蝕余量、采用陰極保護類電化學技術(shù)、包裹層防腐等。這些措施有各自的優(yōu)缺點，也有其使用的局限性，表2對常用的耐久性措施做了對比。

表2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁常用耐久性措施對比表

4 橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性設(shè)計——以某沿海地區(qū)橋梁工程為例

4.1 工程概況

該橋梁項目位于中國南部海濱城市，橋梁建設(shè)條件復雜，大部分處于陸域或近海灘涂區(qū)。陸域地形平緩，場地表層為人工填土及堆積物，土質(zhì)不均。同時，由于該區(qū)域處于沿海地區(qū)，降水量較多，夏季炎熱，受臺風影響多，這些自然因素對于工程設(shè)計的安全性和耐久性都造成了不同程度的影響，均需要嚴加防范。

4.2 設(shè)計前的勘察和準備工作

為確保所建設(shè)的橋梁工程的安全性和耐久性符合要求，在設(shè)計工作開始前，有關(guān)單位對項目區(qū)域進行了詳細的實地考察，得到了大量準確而具體的勘察數(shù)據(jù)。在獲得充足的勘察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當?shù)噩F(xiàn)有的交通路網(wǎng)情況，設(shè)計人員經(jīng)過研究分析，最終確定了公路橋梁的具體走向和結(jié)構(gòu)形式。

4.3 樁基設(shè)計

樁基設(shè)計是整個橋梁工程施工的基礎(chǔ)，直接關(guān)系著橋梁的施工進度和施工質(zhì)量。海中鉆孔灌注樁，一般處于水下區(qū)，環(huán)境作業(yè)等級為D 級，少數(shù)樁基處于潮差區(qū)，在落潮時會露出海面，夏季炎熱氣候條件下環(huán)境作業(yè)等級達到F級。為確保樁基安全耐久，設(shè)計時適當增大了鋼筋保護層厚度，并采用摻合料提高混凝土的密實度，降低氯離子的擴散能力。同時，保留樁基永久鋼護筒作為鉆孔灌注樁的防腐屏障。

4.4 橋墩設(shè)計

海水中的橋墩處于非常嚴重的腐蝕環(huán)境中，通常也是海洋環(huán)境下橋梁腐蝕最為嚴重的結(jié)構(gòu)部位。設(shè)計時，除了增加了墩柱的保護層厚度外，還對墩柱水位變動區(qū)部位涂刷了防腐涂層。并結(jié)合國內(nèi)工程施工經(jīng)驗，采用透水模板布改善墩柱外觀質(zhì)量，增強混凝土表面致密性，提供混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能。

4.4 箱梁設(shè)計

箱梁屬于上部結(jié)構(gòu)，為降低自重，鋼筋保護層厚度不宜太厚，在炎熱氣溫下裂縫控制難度較大，僅使用海工高性能混凝土無法滿足耐久性設(shè)計要求，必須同時采用其他防腐措施。設(shè)計時，考慮預制箱梁在預制廠涂刷一次防腐涂層，現(xiàn)澆箱梁拆模后涂刷一次防腐涂層。同時考慮到預應力結(jié)構(gòu)的長期使用安全，預應力管道后灌漿采用海工專用預應力管道灌漿材料。鋼箱梁根據(jù)情況選用噴涂環(huán)氧富鋅底漆或冷噴鋅的防腐措施。

4.5 抗震設(shè)計

抗震設(shè)計是公路橋梁設(shè)計中必不可少的一項重要內(nèi)容。具體來看，本項目所處區(qū)域水平向地震動加速度峰值為0.12g，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，橋梁抗震設(shè)防烈度為7度，抗震設(shè)防措施等級為8 級。設(shè)計時，設(shè)計人員根據(jù)抗震規(guī)范采取防落梁措施，合理確定帽梁尺寸，設(shè)置防震擋塊，加強各片梁之間橫向連接，提高上部結(jié)構(gòu)的整體性。在伸縮縫處梁端、擋塊內(nèi)側(cè)設(shè)置減震橡膠緩沖塊。在樁基設(shè)計中，進一步增加樁基長度，使得大部分樁基穿過液化的土層，樁端嵌入到下層基巖中，確保樁基安全穩(wěn)定。

4.6 疲勞損傷設(shè)計

在橋梁的運營過程中，因交通情況的不同，會受到各種各樣的荷載，這些荷載往往是變化的，相應的橋梁結(jié)構(gòu)所承受的應力也是變化的，在交變荷載的作用下，引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。這些疲勞損傷具有疊加效應，使得橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞承受力持續(xù)增加，一旦疲勞承受力超過臨界值，就會導致橋梁出現(xiàn)裂縫，嚴重時甚至還會導致橋梁斷裂或坍塌。一般來說，在橋梁疲勞損傷的早期，往往因為損傷不明顯而不易察覺，待損傷明顯時，往往為時已晚，難有有效的補救措施。針對這一問題，設(shè)計人員在設(shè)計時，充分考慮了疲勞損傷問題，對橋梁中各個部位的構(gòu)件都進行了強化設(shè)計。

5 結(jié)束語

橋梁工程是我國重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在交通運輸和經(jīng)濟社會發(fā)展中都起著不可或缺的作用。為了提高橋梁工程的安全性和耐久性，避免出現(xiàn)不必要的問題，相關(guān)設(shè)計單位必須做到防患于未然，在橋梁設(shè)計之前，分析可能存在的安全隱患，并采取針對性的措施，將問題消滅在萌芽狀態(tài)，以確保橋梁工程的安全性和使用壽命。