影響橋梁混凝土結構耐久性的因素及設計優(yōu)化研究

王凱

（山東高速工程項目管理有限公司，山東濟南 250000）

0 引言

為保障人民的出行安全，滿足人民的出行需求，當前時代下的橋梁工程建設相比傳統(tǒng)的橋梁工程有了更高的質量要求。混凝土結構作為橋梁中的主體結構，與整個橋梁的穩(wěn)定性和使用壽命有著緊密聯(lián)系，成為設計優(yōu)化中的重點。

推進混凝土結構的設計優(yōu)化，不僅能夠為橋梁的設計與施工創(chuàng)造便利，同時還能為其他類型工程的建設提供參考。

1 橋梁混凝土結構的概念與構成

橋梁混凝土結構是指橋梁中使用混凝土材料構建的各個組成部分，包括橋墩、橋臺、橋面板等?；炷磷鳛橐环N綜合性能優(yōu)良的建筑材料，因其耐久性、抗壓性和成本效益高等特點而在橋梁工程中得到廣泛應用，并發(fā)揮著關鍵作用，成為橋梁工程中常用的建筑材料之一。

隨著建筑技術和材料科學的不斷進步，橋梁混凝土結構在設計和施工方面發(fā)生了較大變化，從傳統(tǒng)的簡單混凝土橋梁到現(xiàn)代的預應力混凝土橋梁，混凝土結構性能不斷優(yōu)化，橋梁的承載能力和耐久性進一步提高[1]。

混凝土的主要成分水泥、骨料、粉煤灰等具有抗壓、抗?jié)B透和抗凍融等性能，使橋梁混凝土結構在不同環(huán)境條件下具有較好的耐久性。橋梁混凝土結構通常需要面對潮濕、鹽堿等腐蝕環(huán)境，因此，在設計和施工中要采取防腐措施，以提高結構的耐久性[2]。橋梁混凝土結構的設計要考慮不同的荷載條件，包括靜載、動載和溫度荷載等，通過采用合理的結構設計方案，確保結構具有足夠的承載能力，滿足橋梁的使用要求。預應力技術是橋梁混凝土結構中常用的一種提高承載能力的手段，通過在混凝土中施加預應力，可改善混凝土的受拉性能，增加結構的整體剛度。混凝土澆筑技術的進步使橋梁結構的施工更加靈活，可采用模板、模具等工具，建設復雜形狀的橋梁結構，且適應不同尺度和高度的需求。拼裝化施工在橋梁混凝土結構中逐漸得到應用，預制構件、模塊化設計等手段使施工過程更加便捷。

2 提升橋梁混凝土結構耐久性的意義

2.1 推進社會發(fā)展

橋梁作為交通基礎設施的一部分，關乎車輛和行人的日常出行，橋梁的損壞和維修會導致交通中斷、維修費用增加等問題，給社會帶來一系列的經濟損失。提升橋梁混凝土結構的耐久性可減少結構損壞、裂縫等可能引發(fā)安全事故的隱患，從而提高交通的安全性；耐久性強的橋梁能夠更長時間地為社會提供穩(wěn)定的交通服務，對于城市規(guī)劃、居民出行以及商業(yè)活動等方面具有積極影響，也能大幅度提升社會公共服務水平。

2.2 助力經濟建設

橋梁工程往往涉及巨額的資金投入，提升混凝土結構的耐久性可確保這一巨額投資的使用效益，保障工程投資的回報率；耐久性差的橋梁結構容易受到環(huán)境侵蝕、車輛荷載等因素的影響，導致較為頻繁的維修和更新，提升橋梁混凝土結構的耐久性將減少維修和更新成本，使其長期維持良好狀態(tài)；橋梁作為連接城市和地區(qū)的紐帶，其耐久性的提升將促進區(qū)域內的經濟活動，穩(wěn)定、暢通的橋梁交通能夠促進物流、商業(yè)流通，有利于推動城市和周邊地區(qū)的經濟發(fā)展[3]。

2.3 保護生態(tài)環(huán)境

提升橋梁混凝土結構的耐久性可以減少結構損壞引發(fā)的廢棄物和資源浪費，由于橋梁工程的規(guī)模相對較大，經常性的維修和更換會產生大量廢棄的建筑材料，且結構維修和更換的過程通常涉及大量的能源和材料消耗，產生大量的二氧化碳排放，而強化橋梁結構的耐久性可以延長結構使用壽命，減少對資源的需求，提升橋梁混凝土結構的耐久性，減少這一過程中的能源和材料消耗，降低碳排放，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

2.4 促進行業(yè)發(fā)展

提升橋梁混凝土結構的耐久性需要在工程設計、材料選擇和施工工藝等方面進行創(chuàng)新，將推動工程技術的發(fā)展，促使相關領域的技術不斷進步；通過提升橋梁混凝土結構的耐久性，可以提高工程質量和可持續(xù)性，使其能夠更好地適應不同的環(huán)境條件；對于政府和相關管理機構而言，減少橋梁維護和更新的頻率將降低社會管理成本，便于人力、物力和財力等相關資源更好地投入社會建設事業(yè)中。

3 影響橋梁混凝土結構耐久性的因素

3.1 材料因素

第一，水灰比是混凝土中水分和水泥質量比值的一項重要參數(shù)，直接影響混凝土的強度和耐久性。合理設計水灰比，既能保證混凝土的工作性能，又能提高其抗?jié)B性和耐久性[4]。

第二，骨料種類和比例對混凝土的強度、抗裂性和抗?jié)B性都有重要影響。不同的骨料對混凝土的物理性能和化學性能存在差異，對其正確選擇有利于提升混凝土結構的耐久性。

第三，摻和料的選用也會對混凝土結構的耐久性產生重要影響，結合具體施工來看，在后續(xù)施工中使用粉煤灰、礦渣能夠大幅度改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，設計人員需要結合工程建設的實際需求，科學選用摻和料。

第四，一些新型的耐久性材料，譬如自修復混凝土和高強度混凝土，在提升橋梁結構耐久性方面具有顯著優(yōu)勢，需加強對相關材料的研究與應用。

3.2 設計因素

設計環(huán)節(jié)也會對混凝土結構的耐久性產生深遠影響，結合該類工程的設計工作來看，在設計工作中，荷載分布、連接節(jié)點和結構形式等因素都會對橋梁建筑結構的穩(wěn)定性和安全性產生影響，合理開展相關設計工作，能夠避免建筑結構在使用過程中出現(xiàn)疲勞和裂縫等問題；為規(guī)避混凝土裂縫等常見的施工質量問題，在工程設計環(huán)節(jié)，需要合理選用預應力技術和伸縮縫等常用的施工技術，降低裂縫對于橋梁結構耐久性的負面影響。

此外，在橋梁工程的設計和施工過程中，外部因素也是一項重要的參考因素，在氣候多變的高寒地區(qū)，在橋梁工程的設計工作中就需要考慮采用一定的防護措施，譬如耐久性涂料、防腐涂層等，以降低外部惡劣環(huán)境對橋梁的負面影響[5]。

3.3 環(huán)境因素

溫度變化是橋梁混凝土結構老化的主要外部原因，較大的溫差變化會引起混凝土的膨脹和收縮，導致裂縫和結構損傷；潮濕的環(huán)境容易引起混凝土的腐蝕和劣化，特別是在海邊或潮濕的氣候條件下；大氣中的污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，會對混凝土結構產生腐蝕作用，降低其耐久性；橋梁基礎混凝土結構暴露在土壤中，土壤中的污染物也會對混凝土產生不利影響。

3.4 維護管理因素

維護管理也是橋梁施工的一項關鍵性任務，在部分工程的建設過程中，很多施工團隊采用無損檢測技術和結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，對橋梁開展及時、全面的評估，能夠快速發(fā)現(xiàn)工程施工中的常見問題，對于延長橋梁的使用壽命有著巨大幫助[6]；在后期的維護工作中，采取有效的加固和修復措施也是保障橋梁耐久性的關鍵，在維護中，常用的修復措施包括金屬結構防腐檢修、混凝土修復和裂縫灌漿，加固措施則是以外貼復合材料和預應力技術為主，對于提升整個工程的施工質量有著重要意義。

與傳統(tǒng)的維護管理模式相比，得益于對信息技術的深入應用，技術人員可構建起完善的橋梁維護管理數(shù)據(jù)庫，進而制訂個性化的橋梁維護方案，推進橋梁施工的精細化管理。

4 橋梁混凝土結構耐久性的設計優(yōu)化策略

4.1 優(yōu)化橋梁設計參數(shù)

首先，在混凝土配合比設計中，需要綜合考慮混凝土的強度和耐久性，合理選擇水灰比、骨料種類和比例，以實現(xiàn)混凝土的高強度和長壽命。通過添加摻和料如礦渣粉、粉煤灰等，進一步改善混凝土的抗?jié)B性和耐久性。摻和料能夠填充混凝土內部孔隙，減緩水分和有害物質的滲透，提高混凝土的整體性能。在橋梁設計中，要根據(jù)橋梁所處環(huán)境選擇合適的材料及結構參數(shù)。

例如，在腐蝕性較強的海洋環(huán)境中，優(yōu)先考慮使用耐腐蝕性強的材料，或者采用相應的防腐保護措施；合理考慮橋梁所處地區(qū)的氣候條件，進行熱脹冷縮設計，采用伸縮縫等設計手段，減緩溫度變化對橋梁結構的影響，防止裂縫的發(fā)生。

4.2 完善橋梁防水設計

防水設計也是橋梁混凝土設計施工中的關鍵環(huán)節(jié)。

首先，為保障橋梁混凝土結構的防水性能，需選擇高質量的防水涂料、防水卷材等材料，防止水分滲透，確保防水層的長期穩(wěn)定性，進而減緩混凝土結構的老化速度。

其次，在防水層施工過程中，要加強對施工質量的監(jiān)控，確保防水層的厚度均勻、附著牢固，避免施工質量不達標導致的防水效果降低。

再次，合理設計橋梁的排水系統(tǒng)，排水溝、雨水管道等，確保雨水迅速排除，減少對橋梁結構的侵蝕。

最后，定期檢查橋梁的排水系統(tǒng)，清理堵塞物，確保排水系統(tǒng)暢通，及時維護可以防止因排水系統(tǒng)故障引起的混凝土結構受損。

4.3 有序開展橋梁養(yǎng)護工作

針對不同類型的地區(qū)和橋梁，需要制訂個性化的橋梁養(yǎng)護方案，以此達到理想的養(yǎng)護目標。

首先，利用先進的檢測技術，包括無損檢測、遙感技術等，對橋梁混凝土結構進行定期檢測與評估，通過數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，制訂有針對性的養(yǎng)護方案，包括修復裂縫、防腐保養(yǎng)、替換老化構件等內容，確保養(yǎng)護工作有序進行。

其次，建立橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)庫，記錄橋梁結構的養(yǎng)護歷史、檢測數(shù)據(jù)等信息，通過數(shù)據(jù)庫分析，制訂更科學的養(yǎng)護計劃。

最后，引入智能監(jiān)測設備，實時監(jiān)測橋梁結構的變化；利用物聯(lián)網技術，實現(xiàn)對橋梁健康狀況的實時監(jiān)控，提高橋梁養(yǎng)護的及時性和準確性[7]。

4.4 培養(yǎng)專業(yè)技術人才

專業(yè)技術人才的培養(yǎng)能夠為工程設計與施工輸送高質量的人才，且可有效規(guī)避一些常見的工程設計與施工問題，對于延長橋梁混凝土結構的耐久性具有重要意義。

首先，開展橋梁工程領域的技術培訓，深化專業(yè)知識，培養(yǎng)工程師對混凝土材料、結構設計、施工工藝等方面的專業(yè)能力，為設計和施工提供堅實的技術支持。定期組織培訓課程，介紹新養(yǎng)護技術、新材料的應用，使技術人才能夠及時掌握行業(yè)新動態(tài)，更好地應用于橋梁工程實踐中。

其次，鼓勵技術人才親身參與橋梁工程相關科研項目，了解實際問題，積累實踐經驗，提高解決問題的能力。

4.5 構建完善的質量監(jiān)管體系

完善的質量監(jiān)管體系作為工程質量管控中的核心，能夠為后續(xù)的工程質量管控提供科學的標準與依據(jù)。

首先，施工單位需要加大對工程質量的重視度，建立專業(yè)的施工監(jiān)理團隊，對橋梁混凝土結構的施工過程進行全程監(jiān)控，以此確保施工符合設計要求，提高工程質量。

其次，制定完善的質量驗收標準，對橋梁混凝土結構的材料、施工工藝等進行嚴格把關，確保每個環(huán)節(jié)都符合質量要求。

再次，在橋梁混凝土結構的設計和施工階段制訂詳細的質量保證計劃，明確質量目標、質量控制措施，確保工程質量的可控性。

最后，建立第三方質檢機制，由獨立的專業(yè)機構進行質量檢查，通過外部機構的評估，提高對工程質量的監(jiān)管力度，確保橋梁混凝土結構的耐久性。

5 結語

針對橋梁混凝土結構的施工與管理，工程設計人員需要從技術和管理兩個層面入手，緊跟行業(yè)和時代的發(fā)展腳步，通過優(yōu)化橋梁設計參數(shù)、完善橋梁防水設計、有序開展橋梁養(yǎng)護、培養(yǎng)專業(yè)技術人才等策略推進橋梁混凝土的設計與施工，進一步推動建筑工程行業(yè)的轉型與升級，為經濟社會的長遠健康發(fā)展奠定堅實的基礎。