橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素及優(yōu)化設(shè)計研究

陳志超

（惠州市道路橋梁勘察設(shè)計院,廣東 惠州 516001）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加速建設(shè)，橋梁作為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，承載著人們出行和物流運輸?shù)闹厝?。然而，由于自然環(huán)境和不可避免的荷載作用影響，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題日益凸顯。橋梁結(jié)構(gòu)損壞和壽命縮短嚴重影響了城市交通的正常運行，給社會經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大隱患。所以，首要任務(wù)是通過深入了解橋梁在使用過程中所面臨的各種環(huán)境因素和荷載作用，揭示橋梁結(jié)構(gòu)損傷和老化的機理，為設(shè)計和養(yǎng)護管理提供科學依據(jù)。針對這些因素提出的優(yōu)化設(shè)計方法，能夠有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗風、抗震、防腐蝕等性能，從而延長橋梁的使用壽命，降低維修和更換成本。

該文旨在系統(tǒng)研究橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素及其優(yōu)化設(shè)計方法，為橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實踐指導。通過結(jié)合實地橋梁觀測，探索橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題，并提出一系列切實可行的優(yōu)化設(shè)計方法，以期能夠為城市橋梁的安全運行和長期可持續(xù)發(fā)展提供有效保障。

1 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

1.1 材料因素的影響

橋梁結(jié)構(gòu)所采用的材料是決定其耐久性的重要因素之一。選擇合適的材料可以有效延長橋梁的使用壽命，并提高其抗壓、抗拉和抗腐蝕性能。以下是一些常用的耐久性較好的材料及其特性：

（1）高強度鋼材：高強度鋼材具有出色的強度和韌性，能夠承受較大的荷載，并在極端條件下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其優(yōu)點包括重量輕、施工方便以及可回收再利用等。

（2）混凝土：混凝土被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，具有很好的抗壓和耐久性能。通過添加適當?shù)膿胶狭虾瓦M行優(yōu)化設(shè)計，混凝土可以進一步增強其抗震、抗裂和防水性能，提高橋梁的使用壽命。高性能混凝土具有更高的抗壓和抗裂性能，以及更好的耐久性。通過優(yōu)化配合比、使用優(yōu)質(zhì)的原材料和進行充分的養(yǎng)護，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）復(fù)合材料：復(fù)合材料由纖維增強材料和基體材料組成，具有優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性。復(fù)合材料的使用可以減輕橋梁自重、增加結(jié)構(gòu)剛度，并提高抗震和抗腐蝕性能。

（4）耐候鋼：耐候鋼能夠在大氣環(huán)境中形成致密的氧化膜，從而具有較好的耐腐蝕性能。它可以減少橋梁的維護需求，延長使用壽命。

1.2 環(huán)境因素的影響

自然環(huán)境中的溫度變化、濕度和潮濕環(huán)境等因素對橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的影響。環(huán)境中氣候變化會引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞和腐蝕現(xiàn)象。主要表現(xiàn)形式包括橋梁混凝土碳化、鋼筋銹蝕以及混凝土凍融破壞等問題[1]。溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較為顯著。當溫度升高時，橋梁結(jié)構(gòu)會發(fā)生膨脹，從而可能導致構(gòu)件之間產(chǎn)生過大的內(nèi)力，甚至出現(xiàn)熱裂縫。而溫度下降會引起橋梁結(jié)構(gòu)的收縮，導致構(gòu)件的變形和應(yīng)力集中，周期性的溫度變化會加劇橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。

1.2.1 橋梁混凝土碳化

混凝土碳化過程比較復(fù)雜。水泥熟料中含有的主要礦物成分為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁酸四鈣。水泥熟料經(jīng)水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。混凝土碳化是指大氣中的二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸性物質(zhì)，進而與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導致混凝土pH 值降低的現(xiàn)象。影響混凝土碳化程度的因素包括材料特性和外部環(huán)境，見表1。

表1 橋梁混凝土碳化影響因素

1.2.2 鋼筋銹蝕

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素之一是鋼筋銹蝕。當橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋暴露在潮濕環(huán)境或受到化學污染時，可能會發(fā)生銹蝕現(xiàn)象導致鋼筋的斷裂和截面積減小，進而降低鋼筋的抗拉強度和承載能力。同時，銹蝕還會引起周圍混凝土的開裂，破壞混凝土的保護層，使得混凝土易受環(huán)境侵蝕和荷載作用的影響，嚴重影響其使用壽命和結(jié)構(gòu)安全性。

1.3 裂縫的影響

橋梁上裂縫的原因是多方面的，常見的包括氣候變化、外部荷載作用和結(jié)構(gòu)老化等因素。裂縫的出現(xiàn)輕微時可能只會影響橋梁的美觀度，但嚴重情況下可能會導致橋梁整體穩(wěn)定性下降甚至發(fā)生坍塌。通常情況下，微小的裂縫對橋梁的承載能力和耐久性影響較小，但如果裂縫寬度過大，則可能引起混凝土碳化、結(jié)構(gòu)凍融損傷和鋼筋銹蝕等問題，從而影響橋梁的使用壽命[2]。對于橋梁裂縫的治理，需要綜合考慮多種因素，并采取有效的措施，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命，涉及設(shè)計、施工、維護等方面的工作，需要專業(yè)人員的參與和科學管理。

2 橋梁耐久性優(yōu)化設(shè)計研究

橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性優(yōu)化設(shè)計是確保橋梁在長期使用過程中能夠保持良好性能和安全的重要任務(wù)。近年來，因橋梁耐久性問題造成的坍塌事故引起了人們的高度重視，所以要從各個環(huán)節(jié)對橋梁的耐久性進行研究[3]。橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命建議值如表2。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命

2.1 材料的合理選擇

橋梁作為承載交通運輸、連接陸地交通網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其材料的選擇直接決定了其使用壽命和安全性能。合理選擇材料可以有效地提高橋梁的抗氧化性、抗腐蝕性和機械性能，從而延長其壽命并降低維護成本。故提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵在于混凝土材料的合理選取[4]。

（1）水泥的選用。水泥的選用對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。合理選擇水泥強度等級、抗?jié)B透性和耐久性，并考慮其工程性能，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性。通過考慮水泥的強度、耐久性、特殊環(huán)境要求和可持續(xù)性等方面的因素，可以確保橋梁結(jié)構(gòu)在長期使用中具有較好的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。

（2）骨料的選用。骨料的強度和穩(wěn)定性是影響混凝土耐久性和承載能力的重要指標。合適的強度和穩(wěn)定性的骨料可以提供堅固的骨架支撐混凝土，增加混凝土的抗壓能力和耐久性。高強度的骨料適用于承受大荷載的橋梁結(jié)構(gòu)，而低強度的骨料則適用于小型橋梁結(jié)構(gòu)。通過合理選擇骨料的強度和穩(wěn)定性，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）控制水灰比和水泥用量。水灰比是指水與水泥、礦物摻合料等固體成分的比例，而水泥用量則是指在混凝土中使用水泥的數(shù)量。合理控制水灰比可以顯著影響混凝土的強度和耐久性。較低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗?jié)B性，從而減少水分和有害物質(zhì)的滲透，延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時，合適的水灰比還可以提高混凝土的強度和耐久性，增加對外界力的承載能力。

2.2 做好現(xiàn)場管理

橋梁工程施工現(xiàn)場管理對項目進展和安全至關(guān)重要。主要有兩個方面需要注意。第一，季節(jié)性施工管理。不同地區(qū)氣候條件存在差異，季節(jié)更替也會影響施工進度和質(zhì)量。施工方應(yīng)了解氣候變化對施工場地的影響，并采取相應(yīng)措施應(yīng)對極端天氣，防止對橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞。定期觀測氣候條件、研究歷史數(shù)據(jù)，制定合理的季節(jié)性施工方案，以確保橋梁的耐久性。第二，施工設(shè)備管理。施工設(shè)備狀態(tài)直接關(guān)系到施工效率和橋梁工程質(zhì)量。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，施工單位應(yīng)完善設(shè)備管理方面的相關(guān)制度。為方便管理，可以靈活運用日常檢修與信息技術(shù)進行融合。建立施工場地全程、實時的設(shè)備管理體系，利用信息技術(shù)的實時反饋、及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的情況，在提高設(shè)備利用率的同時保證設(shè)備能夠正常使用，以此來達到提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的效果。

2.3 嚴把施工質(zhì)量

（1）控制混凝土用水量?？刂苹炷劣盟靠梢杂行p少混凝土的孔隙率和滲透性。通過降低用水量，可以使混凝土中的水膠比降低，從而減少混凝土內(nèi)部的孔隙數(shù)量和尺寸，提高混凝土的致密性，阻止水分和有害物質(zhì)的滲透，延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。過高的用水量會導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的收縮和溫度應(yīng)力，增加裂縫和剝落的發(fā)生和擴展風險。因此，在設(shè)計和施工過程中，合理控制用水量可以減少這些問題的發(fā)生，保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。

（2）振搗和養(yǎng)護質(zhì)量控制。合理控制振搗和養(yǎng)護質(zhì)量對于提高混凝土的密實性、強度和耐久性至關(guān)重要。通過科學合理的振搗操作和養(yǎng)護措施，可以保證混凝土的致密結(jié)構(gòu)形成和早期強度發(fā)展，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

科學合理的養(yǎng)護是保證混凝土早期強度發(fā)展和耐久性提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。養(yǎng)護過程中，應(yīng)注意控制溫度和濕度，確?；炷恋乃磻?yīng)能夠順利進行。確保有充足的養(yǎng)護時間，使混凝土充分發(fā)展強度和抗裂性能，有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。同時在振搗過程中，應(yīng)確保振動設(shè)備的質(zhì)量和穩(wěn)定性，減少振搗不均勻帶來的問題。

3 橋梁耐久性優(yōu)化設(shè)計工程案例

3.1 工程概況

惠州市某城鎮(zhèn)規(guī)劃了一座跨越江河的主要交通橋梁，為確保橋梁的安全和正常運行，工程團隊決定進行橋梁結(jié)構(gòu)耐久性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。對橋梁取樣并進行相關(guān)研究，旨在研究橋梁材料及結(jié)構(gòu)對耐久性、抗腐蝕性的影響。

3.2 橋梁混凝土碳化影響

根據(jù)圖1 中未碳化與碳化混凝土梁的荷載—撓度曲線對比結(jié)果可知，橋梁混凝土碳化后，結(jié)構(gòu)所能承受的荷載有所提高，但極限撓度減小。一般情況下，橋梁混凝土的碳化深度比較小基本與鋼筋的保護層厚度相當，對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較小?；炷撂蓟瘜炷两Y(jié)構(gòu)造成的最不利后果主要還是鋼筋銹蝕問題[5]。

圖1 碳化與未碳化混凝土橋梁的荷載－撓度曲線（kN）

3.3 橋梁裂縫寬度對鋼筋銹蝕影響

相關(guān)研究結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫寬度和其中的鋼筋銹蝕程度之間存在密切聯(lián)系，如圖2 所示給出了裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度的關(guān)系。根據(jù)圖2 的結(jié)果顯示，可以觀察到混凝土裂縫的寬度與鋼筋發(fā)生銹蝕的嚴重程度之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性。如果混凝土裂縫的寬度較大，鋼筋就更易發(fā)生嚴重的銹蝕問題。當混凝土裂縫的寬度在0.1 mm 以下時，鋼筋發(fā)生各種銹蝕的程度處于相近的水平。

圖2 裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度曲線

當混凝土裂縫的寬度超過了0.2 mm 時，鋼筋發(fā)生嚴重腐蝕程度上升至73%。這意味著混凝土裂縫寬度的增加會使鋼筋受到更大程度的氧化侵蝕，從而導致鋼筋的腐蝕損傷變得更加嚴重。

通過這些數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，控制混凝土裂縫的寬度對于減少鋼筋銹蝕問題是非常重要的。保持混凝土裂縫寬度在可控范圍內(nèi)，例如不超過0.1 mm，將有助于減少鋼筋的銹蝕程度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。這也提示著在橋梁設(shè)計和施工過程中，應(yīng)該注意混凝土質(zhì)量、施工工藝等因素，以有效控制裂縫的產(chǎn)生和擴展，從而保護鋼筋免受嚴重銹蝕的影響。

4 結(jié)語

通過對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素及優(yōu)化設(shè)計進行研究，該文得出了以下結(jié)論：

（1）自然環(huán)境中的溫度變化、濕度與潮濕環(huán)境等因素，以及交通荷載和自身重力等荷載作用都會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。而合理選擇抗腐蝕、抗疲勞、抗裂紋的擴展性能良好的材料，能夠有效延長橋梁的使用壽命。

（2）防護措施和養(yǎng)護管理對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要影響。而保持混凝土裂縫寬度在可控范圍內(nèi)，例如不超過0.1 mm，將有助于減少鋼筋的銹蝕程度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。