市政橋梁耐久性設(shè)計(jì)分析研究

楊顯

摘要 文章以研究東灌渠大橋耐久性設(shè)計(jì)為實(shí)例，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選用、環(huán)境作用等級(jí)劃分、鋼筋混凝土材料、保護(hù)層厚度確定方法、裂縫寬度控制、后張法預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁、鋼筋混凝土防腐蝕措施等各項(xiàng)耐久性設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面分析研究，滿足了市政橋梁耐久性設(shè)計(jì)的目標(biāo)，該耐久性設(shè)計(jì)控制方法對(duì)類似市政橋梁的耐久性設(shè)計(jì)具備一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 橋梁；耐久性；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)境等級(jí)；材料；保護(hù)層厚度；抗裂；防腐措施

中圖分類號(hào) U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0066-03

0 引言

城市化的發(fā)展催生了大量的市政橋梁建設(shè)，取得了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但同時(shí)也暴露出橋梁耐久性設(shè)計(jì)的不足，例如橋梁運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)早期裂縫、支座破壞、混凝土碳化深度超標(biāo)、鋼筋銹蝕等問(wèn)題與橋梁耐久性設(shè)計(jì)存在一定的關(guān)系。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)橋梁中約30%以上的橋梁面臨結(jié)構(gòu)性損傷缺陷及功能性失效等潛在隱患[1]。市政橋梁使用年限設(shè)計(jì)方面，小橋30年、中橋及重要小橋50年，特大橋、大橋、重要中橋100年。若橋梁建成通車后的耐久性不足，將造成重大安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，因此重視落實(shí)橋梁耐久性設(shè)計(jì)工作是避免或減少橋梁病害的重要手段。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)橋梁類別合理確定耐久性設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)至關(guān)重要，東灌渠大橋的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)貫徹了這一重要思想，提升了耐久性設(shè)計(jì)的水平。

1 工程概況

清遠(yuǎn)市東灌渠大橋?yàn)楹訛I路控制性工程，其為跨越興徑水電站東灌渠而設(shè)，擬建橋梁全長(zhǎng)約170 m。清遠(yuǎn)市年平均氣溫20.7 ℃，最低氣溫為1月份，最高氣溫為7月份，年平均日照1 662.2 h，年平均降雨量1 900 mm，每年無(wú)霜期平均為314.4 d，年平均濕度70%～99%，在進(jìn)行橋梁耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮上述氣候特點(diǎn)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)形式比選

橋梁結(jié)構(gòu)形式有拱橋、斜拉橋、懸索橋、連續(xù)梁橋、簡(jiǎn)支梁橋等類型，不同類型橋梁耐久性設(shè)計(jì)特點(diǎn)有所差異、經(jīng)濟(jì)性及施工質(zhì)量控制難度不同。采用拱橋設(shè)計(jì)方案時(shí)，拱座存在巨大水平推力，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告橋址范圍地質(zhì)不適用拱橋方案。斜拉橋、懸索橋一般用在大跨度橋梁設(shè)計(jì)，工程造價(jià)高、施工難度相對(duì)大，擬建橋梁全長(zhǎng)約170 m并不適合采用。連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)方案可分為掛籃現(xiàn)澆箱梁、預(yù)制節(jié)段箱梁拼裝，采用現(xiàn)澆時(shí)不能與橋梁下部結(jié)構(gòu)平行作業(yè)因此施工工期較長(zhǎng)，采用節(jié)段拼裝時(shí)拼裝質(zhì)量控制難度相對(duì)大。簡(jiǎn)支梁橋具有受力體系明確可靠、維修方便、耐久性設(shè)計(jì)可靠、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制梁設(shè)計(jì)時(shí)可平行于下構(gòu)施工，對(duì)于170 m長(zhǎng)的橋梁具有很強(qiáng)的適用性。因此，東灌渠大橋選擇采用簡(jiǎn)支梁橋設(shè)計(jì)方案，上部結(jié)構(gòu)采用4×40 m先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，按簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)控制。

3 橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定方法

市政橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)市政城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（2019版）[2]結(jié)合擬建橋梁特點(diǎn)進(jìn)行確定。擬建橋梁全長(zhǎng)約170 m，道路等級(jí)為城市主干路，擬建橋梁為大橋，橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及使用年限應(yīng)為100年，設(shè)計(jì)荷載采用汽車荷載城－A級(jí)、人群荷載3.2 kN/m²，橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)采用一級(jí)，橋面防水等級(jí)Ⅰ級(jí)、防水層使用年限應(yīng)大于或等于15年。管線過(guò)橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：污水管、電壓高于10 kV電纜、燃?xì)夤埽▔毫Υ笥?.4 MPa）；腐蝕性或有毒的氣、液體管不納入設(shè)計(jì)過(guò)橋范圍；其余管線過(guò)橋設(shè)計(jì)時(shí)采取有效的安全保護(hù)設(shè)計(jì)措施。

4 環(huán)境作用等級(jí)劃分

環(huán)境作用直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，地下水和土腐蝕性影響最為明顯。環(huán)境溫度和濕度的變化，都會(huì)對(duì)橋梁造成影響，會(huì)腐蝕橋梁的建筑材料，長(zhǎng)時(shí)間使用，就會(huì)影響橋梁的質(zhì)量[3]。因此，地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性、環(huán)境作用等級(jí)劃分合理性對(duì)耐久性設(shè)計(jì)在一定程度上起到?jīng)Q定性作用。

4.1 地質(zhì)環(huán)境等級(jí)

根據(jù)地質(zhì)勘察，橋址處地下水無(wú)味無(wú)色、透明狀。經(jīng)化學(xué)分析：場(chǎng)地內(nèi)地下水類型為HCO₃^?gSO₄2^?—Na⁺gCa²⁺和HCO₃^?gC1^?—Na⁺gCa²⁺型水，pH=7.3～7.4，呈中性；礦化度屬于淡水；侵蝕性CO₂為3.92～4.91 mg/L。按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版）標(biāo)準(zhǔn)判定：該場(chǎng)地環(huán)境類別為Ⅱ類，土層透水性為B類；綜合判定地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋都具有微腐蝕性。對(duì)土層取樣進(jìn)行土易溶鹽化學(xué)分析結(jié)果為pH=7.0～7.4，中性～堿性，SO₄^2?=35～39 mg/kg，在Ⅱ類環(huán)境中對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。綜合判定土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具有微腐蝕性。

4.2 橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境作用等級(jí)

市政橋梁缺乏耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，但市政橋梁與公路橋梁使用功能基本一致，因此采用公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[4]（下文簡(jiǎn)稱“公耐規(guī)”）作為擬建市政橋梁耐久性設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。擬建橋梁分類為大橋、使用壽命100年，結(jié)合地質(zhì)勘察結(jié)論土和水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性的特點(diǎn)，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的環(huán)境作用等級(jí)類別應(yīng)劃分為I類，即一般環(huán)境，影響結(jié)構(gòu)劣化主要為混凝土碳化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制碳化引起鋼筋銹蝕。橋墩處于水中，水位變化引起橋墩干濕交替，因此橋墩應(yīng)按I-C類一般環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。清遠(yuǎn)市年平均濕度70%～99%，蓋梁和上部結(jié)構(gòu)按I-A類一般環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，一般環(huán)境作用等級(jí)分類如表1所示。

5 材料及混凝土耐久性設(shè)計(jì)

5.1 水泥耐久性設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

水泥是混凝土材料重要構(gòu)成，其質(zhì)量對(duì)混凝土承強(qiáng)度與使用耐久性有著決定性影響[5]。應(yīng)采用質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱和堿含量較低的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，細(xì)度應(yīng)小于 350 m²/kg、水泥的堿含量不得大于0.6%、水泥中鋁酸三鈣含量應(yīng)小于8%，選用硅酸二鈣含量較高的水泥用于承臺(tái)等大體積混凝土。

5.2 混凝土碎石、砂的耐久性設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

應(yīng)采用級(jí)配、粒徑（碎石針片狀顆粒含量≤7%）符合要求，吸水率低≤2%、潔凈、堅(jiān)硬（碎石壓碎指標(biāo)≤10%）、無(wú)有害雜質(zhì)、無(wú)堿活性的碎石（堿含量≤1.8 kg/m³）的碎石、砂用于混凝土配制，應(yīng)對(duì)碎石、砂進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)合格后使用。碎石最大公稱粒徑應(yīng)小于鋼筋最小凈間距的75%，密布鋼筋構(gòu)件中，應(yīng)小于鋼筋最小凈距的50%，結(jié)構(gòu)最小邊尺寸的25%。

5.3 礦物摻合料及水的耐久性設(shè)計(jì)

采用優(yōu)質(zhì)復(fù)合礦物摻合料，堿含量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定可溶性堿含量。橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土采用F類I級(jí)粉煤灰、普通鋼筋混凝土采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量應(yīng)小于8%，需水量比應(yīng)小于105%，比表面積應(yīng)高于350 m²/kg，硅灰摻量應(yīng)小于膠凝材料總用量9%。水應(yīng)清潔，不得含有影響水泥凝結(jié)的雜質(zhì)，嚴(yán)禁使用污水、pH值≤5的水和海水用于混凝土拌制。

5.4 外加劑耐久性設(shè)計(jì)

應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證各類外加劑相容性以及對(duì)混凝土性能的不利影響。外加劑中的氯離子總含量應(yīng)小于膠凝材料總質(zhì)量0.02%，硫酸鈉含量應(yīng)小于減水劑干重的12%，優(yōu)先采用聚羧酸類減水劑。

5.5 混凝土耐久性設(shè)計(jì)控制

應(yīng)對(duì)混凝土的配合比、強(qiáng)度等級(jí)、氯離子含量、堿含量耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行控制。擬建橋梁設(shè)計(jì)使用年限為100年的最低預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、橋墩蓋梁橋臺(tái)混凝土等級(jí)為C30，承臺(tái)及樁基礎(chǔ)混凝土等級(jí)為C25，為保障設(shè)計(jì)施工可靠度，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土、普通混凝土提高一個(gè)等級(jí)（5 MPa）設(shè)計(jì)。同時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算結(jié)果的混凝土強(qiáng)度等級(jí)高于耐久性混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)應(yīng)采用受力驗(yàn)算相應(yīng)等級(jí)強(qiáng)度的混凝土，經(jīng)驗(yàn)算小箱梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。水泥用量過(guò)低易造成混凝土強(qiáng)度不足，過(guò)高易產(chǎn)生高水化熱反應(yīng)，因此需確定混凝土最大水膠比控制值及水泥用量的合理區(qū)間，在施工前通過(guò)試配確定施工配合比。擬建橋梁設(shè)計(jì)預(yù)制小箱梁C50混凝土最大水膠比0.36、水泥材料用量360～480 kg/m³；墩臺(tái)C35混凝土最大水膠比0.5、水泥材料用量300～400 kg/m³；承臺(tái)樁基C30混凝土最大水膠比0.55、水泥材料用量280～400 kg/m³。氯離子對(duì)鋼筋混凝土耐久性影響大，混凝土中總的氯離子含量，鋼筋混凝土不大于0.1%，預(yù)應(yīng)力混凝土不大于0.06%[6]。

6 保障橋梁耐久性設(shè)計(jì)措施的分析

6.1 混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)分析

根據(jù)“公耐規(guī)”結(jié)合擬建設(shè)橋梁特點(diǎn)，預(yù)制小箱梁鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度為20 mm、墩臺(tái)蓋梁為25 mm、承臺(tái)和樁基礎(chǔ)為40 mm。同時(shí)，應(yīng)對(duì)氯離子侵蝕條件下的混凝土結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行驗(yàn)算保護(hù)層最小厚度。當(dāng)厚度小于“公耐規(guī)”規(guī)定的厚度時(shí)，按“公耐規(guī)”規(guī)定取值；當(dāng)厚度大于“公耐規(guī)”規(guī)定的厚度時(shí)，按驗(yàn)算厚度取值。設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)混凝土保護(hù)層厚度計(jì)算方法常用氯離子侵蝕下混凝土壽命預(yù)測(cè)模型，原理為Fick第二定律，即：在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，在距離x處，濃度隨時(shí)間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值?c/?t=-D?²C/?x²。國(guó)內(nèi)外基于此原理，通過(guò)模型修正有四種主流計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)常以CECS評(píng)定法作為混凝土預(yù)測(cè)壽命的模型，其參數(shù)少，具有較強(qiáng)的通用性，其耐久性極限狀態(tài)依次為鋼筋開(kāi)始銹蝕、混凝土表面銹脹開(kāi)裂、混凝土保護(hù)層出現(xiàn)最大容許外觀損傷。因此，東灌渠大橋采用CECS評(píng)定法進(jìn)行混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

6.2 混凝土的抗裂設(shè)計(jì)

裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響巨大，因此需要合理地進(jìn)行抗裂設(shè)計(jì)。根據(jù)“公耐規(guī)”東灌渠大橋普通混凝土裂縫容許值0.20 mm，可采用預(yù)應(yīng)力B類構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，裂縫寬度容許值為0.10 mm。東灌渠大橋預(yù)應(yīng)力構(gòu)件為預(yù)制小箱梁，考慮結(jié)構(gòu)重要性，小箱梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，其正截面混凝土的拉應(yīng)力不超過(guò)規(guī)定限值。小箱梁現(xiàn)場(chǎng)濕接縫混凝土應(yīng)摻入適量膨脹劑進(jìn)行抗裂。

6.3 防排水設(shè)計(jì)

水是發(fā)生鋼筋銹蝕、凍融破壞、堿－骨料反應(yīng)的重要誘因，所以做好橋梁防水設(shè)計(jì)是提高橋梁耐久性的有效舉措[7]。橋面瀝青混凝土鋪裝層之下，即在水泥混凝土整體化層上應(yīng)采用防水涂料設(shè)計(jì)。防水涂料性能應(yīng)具有黏結(jié)、防滲、耐熱、冷柔、抗碾壓、耐腐的特點(diǎn)。橋面排水應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，以達(dá)到雨水及時(shí)排出的效果。

6.4 預(yù)制小箱梁的后張預(yù)應(yīng)力體系耐久性設(shè)計(jì)

鋼絞線采用環(huán)氧涂層進(jìn)行防腐，錨具涂防腐涂層，預(yù)應(yīng)力管道采用塑料波紋管，采用微膨脹且強(qiáng)度等級(jí)高于箱梁混凝土等級(jí)的細(xì)石混凝土對(duì)埋入式預(yù)應(yīng)力錨頭進(jìn)行封端，其水膠比應(yīng)小于梁體混凝土的水膠比0.36，保護(hù)層厚度應(yīng)大于50 mm。預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量是影響耐久性的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)文件應(yīng)明確施加預(yù)應(yīng)力時(shí)采用智能張拉設(shè)備，采用設(shè)計(jì)張拉控制力與伸長(zhǎng)量雙控措施，以確保預(yù)應(yīng)力施加滿足設(shè)計(jì)要求；采用智能壓漿施工工藝以確保預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壓漿料的飽滿。

6.5 防腐蝕設(shè)計(jì)措施

為提高橋梁耐久性，擬建橋梁的樁基、承臺(tái)、橋墩、橋臺(tái)采用混凝土內(nèi)摻鋼筋阻銹劑方式進(jìn)行鋼筋阻銹，要求阻銹劑的性能在鹽水浸烘環(huán)境中鋼筋腐蝕面積減少95%以上。對(duì)于常水位以下的橋墩、埋設(shè)于土下橋臺(tái)、承臺(tái)采用成膜型涂料進(jìn)行混凝土表面處理設(shè)計(jì)以提高耐久性，成膜型涂料技術(shù)指標(biāo)要求如表2所示。

7 耐久性施工及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量的設(shè)計(jì)交底

橋梁耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)施工環(huán)節(jié)的落實(shí)。橋梁開(kāi)工前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)參建單位進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)交底，重點(diǎn)對(duì)影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的施工和養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)交底，以貫徹耐久性設(shè)計(jì)意圖。嚴(yán)格控制混凝土原材料、鋼筋、鋼絞線以及混凝土質(zhì)量，混凝土施工的工藝、防裂、防腐及保護(hù)層厚度控制措施到位，錨下有效預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力管道壓漿飽滿度滿足設(shè)計(jì)要求、明確混凝土養(yǎng)護(hù)及時(shí)性及持續(xù)時(shí)間要求等。

8 結(jié)語(yǔ)

東灌渠大橋橋型結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁，其結(jié)構(gòu)可靠度高，有利于設(shè)計(jì)施工的耐久性控制。合理選取設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境作用等級(jí)的準(zhǔn)確判定為耐久性設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。該文通過(guò)對(duì)水泥、碎石、砂、水、礦物摻合料和外加劑技術(shù)指標(biāo)、混凝土耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)、保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)方法，以及抗裂、防排水、預(yù)應(yīng)力、防腐、耐久性設(shè)計(jì)交底等影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素進(jìn)行分析研究，并將控制方法和成果應(yīng)用到東灌渠大橋耐久性設(shè)計(jì)中，提升了市政橋梁耐久性設(shè)計(jì)水平。

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