基于耐久性的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計研究

文 / 李勝華

橋梁是現(xiàn)代社會最重要的交通樞紐之一，隨著我國交通通行數(shù)量的不斷增加，混凝土橋的構(gòu)造要求具有更高的強度和耐久性。若混凝土橋梁結(jié)構(gòu)強度和耐久性無法滿足現(xiàn)階段的交通需求，不僅會導致橋的整體壽命顯著縮短，同時也會對我國交通運輸業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生嚴重的不良影響。因此,設計者必須全面進行混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性設計。然而,當前不少設計人員并未了解混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計的重要性，或受自身專業(yè)技能的限制，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計不合理，從而導致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性較差，這些問題均會對橋梁工程的穩(wěn)定、健康和長久運行造成諸多的不良影響?；诖?，就需要設計人員全面做好混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計。

一、基于耐久性的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)狀及存在的問題分析

自19世紀水泥出現(xiàn)后，混凝土、鋼筋混凝土等被我國廣泛應用于橋梁、房屋等工程建設中。由于混凝土自身具有抗壓強度高、強度等級范圍寬、耐久性好等特點，其在我國橋梁基礎(chǔ)建設中占據(jù)著重要的地位。然而，隨著使用年限的不斷延長，不少橋梁工程已經(jīng)步入“老齡化”的階段，再加上現(xiàn)代運輸業(yè)不斷發(fā)展，橋梁上的行車負載量不斷增加，均會導致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性降低。除了這些因素外，不少研究均指出，基于耐久性的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量不足也是降低混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一，如使用混凝土質(zhì)量較差、鋼筋保護層厚度設計不當?shù)染讓е禄炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)鋼筋保護層出現(xiàn)銹蝕，從而降低橋梁結(jié)構(gòu)的強度和耐久性，也會縮短橋梁的使用年限。

（一）材料選擇不合理

在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計過程中，合理選擇混凝土混合材料和其他材料不僅能顯著提高橋梁結(jié)構(gòu)強度，還能提升工程整體的施工質(zhì)量,從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。例如，合理選擇混凝土的高堿溶液、氧化鐵保護膜附著在混凝土內(nèi)部的鋼筋結(jié)構(gòu)表面，不僅能提高混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性，同時還能有效預防混凝土橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生鋼筋銹蝕、開裂等病害問題。然而，在橋梁結(jié)構(gòu)設計過程中,很多設計者沒有考慮材料元素對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響，不能合理選擇材料進行混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計和工程建設，進而會降低混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和工程整體的建設質(zhì)量。

（二）橋梁結(jié)構(gòu)設計過程中的人因失誤

在橋梁結(jié)構(gòu)設計過程中，不少設計人員均認為橋梁結(jié)構(gòu)強度提升，能有效提高橋梁工程整體的強度和安全性,這樣的片面認識會導致設計者在混凝土橋構(gòu)造設計中只重視橋構(gòu)造的強度設計。而忽略了設計過程中的計算標準不明確、橋梁工程設計標準低等人因失誤，這些問題也會極大地影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。尤其是隨著我國橋梁上交通量的逐漸增多，若在設計過程中，設計者遵守傳統(tǒng)的橋結(jié)構(gòu)設計標準，不僅會導致設計的混凝土橋結(jié)構(gòu)耐久性和安全性不足，給其運行造成巨大的安全隱患,也無法滿足現(xiàn)階段的交通需求。

（三）橋梁結(jié)構(gòu)設計方法不當

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計包含的內(nèi)容眾多，如結(jié)構(gòu)保護層厚度設計、支座結(jié)構(gòu)設計、伸縮縫構(gòu)造設計、排水結(jié)構(gòu)設計、橋面設計等，任何一項環(huán)節(jié)設計不當均會對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不良的影響。然而，受不少設計人員設計理念滯后、專業(yè)技能不足、單純考慮工程建設投資成本、對基于耐久性的橋梁設計考慮不足等因素的影響，常常會導致設計人員難以采取正確或規(guī)范的方法進行混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計，從而也會降低混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

二、基于耐久性的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計策略

（一）做好混凝土結(jié)構(gòu)材料設計

混凝土結(jié)構(gòu)材料選擇合理與否對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性具有直接的影響。混凝土橋的結(jié)構(gòu)設計和建設工程實踐證實，混凝土橋結(jié)構(gòu)所使用的混凝土種類、用量和水灰比等對混凝土的碳化速度和酸堿度有一定影響，從而會對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生一定的不良影響,因此,就需要設計者認識到混凝土橋的結(jié)構(gòu)耐久性受材料因素的影響，并在設計過程中合理選擇混凝土材料及相關(guān)水泥用量、水灰比等。一般來說，含有堿度高的水泥，與其他原料混合后容易產(chǎn)生膨脹反應生成膨脹物質(zhì)或吸水膨脹物質(zhì)，不僅會破壞橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，還易引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。因此，設計者必須選擇低堿水泥作為混凝土橋結(jié)構(gòu)材料，并嚴格控制好低堿水泥、用水量及水灰比等，以全面提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性，由此才能顯著提高其耐久性。另外，由于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)會使用較多的鋼筋材料，而鋼筋與氯離子發(fā)生反應會被腐蝕，因此，設計者也不能選擇氯水泥作為混凝土的原材料。防止鋼筋腐蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

（二）按照最新的橋梁結(jié)構(gòu)設計標準進行結(jié)構(gòu)設計

在混凝土橋結(jié)構(gòu)的設計過程中，為了避免影響混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性，設計人員還需綜合考慮橋梁工程設計標準低、計算標準不明確等因素對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，全面學習最新橋梁結(jié)構(gòu)設計標準及要求，然后，橋結(jié)構(gòu)設計按照最新的橋結(jié)構(gòu)設計標準嚴格執(zhí)行，這樣才能設計出符合現(xiàn)代交通需求的橋梁和最大限度地提升混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性。

（三）采用恰當?shù)姆椒ㄗ龊酶黜棙蛄航Y(jié)構(gòu)設計

1.做好結(jié)構(gòu)保護層厚度設計

在鋼筋混凝土的簡單支柱橋工程的結(jié)構(gòu)設計過程中，將混凝土結(jié)構(gòu)保護層設計厚度適當增加可促進橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性提升，但是，混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度增加的同時，建設投資的成本也相應提高。為了提高混凝土橋的結(jié)構(gòu)耐久性和達到經(jīng)濟型工程建設的要求，設計者參照梁鋼筋保護層的厚度，以橋梁耐久性的影響為計算基準，合理設計結(jié)構(gòu)保護層的厚度，不僅能有效降低建設投資的成本，還能提高橋梁的結(jié)構(gòu)耐久性。

2.支座結(jié)構(gòu)設計

橋梁支座是支撐橋梁結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件,若其結(jié)構(gòu)設計不當會對整個橋梁結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不良影響，因此,設計者需要全面優(yōu)化支撐座周圍的細節(jié)結(jié)構(gòu)來設計。例如，要做好支撐座周圍細微部分構(gòu)造的防塵、防水設計，只有不讓周圍的灰塵和積水影響支承座構(gòu)造，才能提高支承座構(gòu)造的耐久性。另外，橋接支撐構(gòu)件的使用壽命比較短在結(jié)構(gòu)設計過程中，設計者需要在柱子上留下一定的設備空間，以為后續(xù)支座更換或維修處理工作提供有利條件。

3.伸縮縫構(gòu)造設計

混凝土橋結(jié)構(gòu)設計最重要的一環(huán)是橋的伸縮縫隙結(jié)構(gòu)設計，且該項設計內(nèi)容也會對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生直接的影響，因此，就需要設計人員高度重視合理設計橋梁伸縮縫構(gòu)造。如果在伸縮縫隙結(jié)構(gòu)和梁兩側(cè)設計并嵌入鋼筋，則可全面提高伸縮縫隙整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性從而也能提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。另外,設計者必須盡量采用鉸鏈來代替接頭。由此，不僅可以減少伸縮縫隙的設置數(shù)量，還可以提高伸縮縫隙結(jié)構(gòu)的設計質(zhì)量，并預防和減少伸縮縫隙的病害。

4.排水結(jié)構(gòu)設計

良好橋接結(jié)構(gòu)的排水防止結(jié)構(gòu)設計，可有效減少橋表面積的水和橋下的浸水，提高混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性。為了提高橋結(jié)構(gòu)排水防止結(jié)構(gòu)的設計品質(zhì)，設計者必須根據(jù)橋結(jié)構(gòu)的實際情況，合理設計排水系統(tǒng)的出口、排水管等，以防止橋梁構(gòu)件漏水而發(fā)生積水問題。再如，在橋面泄水管的設計過程中，設計人員應將混凝土結(jié)構(gòu)和泄水管隔離開來，并對泄水管進行密封處理,以促進橋面積水全部排到橋下，另外，必須采用垂裙式的壁護欄防水方式，設計橋外側(cè)的翼板構(gòu)造。

5.橋面設計

受外部環(huán)境、內(nèi)外溫差、橋面上行車荷載等因素的影響，混凝土橋的橋面容易發(fā)生變化、裂縫、沉降等病害。這些問題不僅影響橋的結(jié)構(gòu)耐久性，還對橋上運行的安全構(gòu)成了嚴重的威脅。如在設計過程中，需合理選擇橋面鋪設混凝土材料，一般選擇等級高、密度高的混凝土。另外，在混凝土中加入適量的復合纖維混凝土，不僅能提高橋面和橋結(jié)構(gòu)整體的耐久性，還能有效降低橋面產(chǎn)生裂縫的概率。

（四）采用先進的防腐技術(shù)提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性

鋼筋混凝土的裂縫是混凝土橋最常見的病害之一。另外，由于裂縫的問題，橋面積的水滲入橋的構(gòu)造內(nèi)部，會對橋構(gòu)造中鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用，從而影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性。因此，就需要設計人員采取合理的防腐技術(shù)對鋼筋混凝土進行處理，如在鋼筋表面涂抹防腐層防止腐蝕性、水份、氧份介質(zhì)滲入結(jié)構(gòu)保護層，并做好鋼筋和涂層的黏合，可以提高混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性。另外，設計人員還需積極學習和引入國外先進的鋼筋防腐技術(shù),將環(huán)氧樹脂鋼筋應用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設計和施工建設中。

結(jié)語

混凝土橋的結(jié)構(gòu)耐久性設計質(zhì)量與整個橋的結(jié)構(gòu)耐久性、穩(wěn)定性及使用年限的高低密切相關(guān)，同時也會對橋梁運輸業(yè)和橋梁上行車安全產(chǎn)生一定的影響，因此，設計者必須嚴格進行混凝土橋結(jié)構(gòu)的耐久性設計。然而，當前我國混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計現(xiàn)狀不佳，存在較多的問題，如材料選擇不合理、橋梁結(jié)構(gòu)設計過程中的人因失誤、橋梁結(jié)構(gòu)設計方法不當?shù)?。對此，設計者有必要積極探索基于耐久性的混凝土橋結(jié)構(gòu)設計方法，如做好混凝土結(jié)構(gòu)材料設計、按照最新的橋梁結(jié)構(gòu)設計標準并采取適當?shù)姆椒ㄗ龊酶鳂蛄旱慕Y(jié)構(gòu)設計，采用先進的防腐技術(shù)來提高橋的結(jié)構(gòu)耐久性，從而促進混凝土橋梁健康長久地運行。