基于多因素分析的公路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計分析

摘要 該文針對某沿海地區(qū)大跨度市政道路橋梁的實際案例，分析了影響其結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境因素、荷載因素和設計因素，并提出了相應的設計措施。環(huán)境方面：亞熱帶季風氣候、氯鹽環(huán)境和酸雨對結(jié)構(gòu)耐久性影響顯著，工程中應提高混凝土抗?jié)B性，增大保護層，優(yōu)化外加劑；荷載方面：恒載、車輛荷載和溫度效應是影響其結(jié)構(gòu)耐久性的控制性因素，采用合理的荷載組合和設計參數(shù)能夠保證結(jié)構(gòu)安全耐久；設計方面：通過跨徑布置優(yōu)化、截面尺寸選擇、墩柱剛度設計、群樁布置等，在滿足使用要求的同時，提高結(jié)構(gòu)耐久性，節(jié)省工程造價。

關鍵詞 多因素分析；公路橋梁；結(jié)構(gòu)耐久性

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0118-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市基礎設施建設日新月異，大跨度橋梁工程不斷涌現(xiàn)。同時，在沿海、工業(yè)發(fā)達地區(qū)，環(huán)境因素復雜，腐蝕問題嚴重，工程中對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高要求。如何在惡劣環(huán)境下，合理設計橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并采取有效的防護措施，以延長使用壽命，保障行車安全，成為亟待解決的關鍵技術(shù)問題。

1 工程概況

案例工程高架橋全長1.2 km，橋面寬32 m，該橋位于沿海地區(qū)，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫17.8℃，夏季最高氣溫可達41.2℃，冬季最低氣溫-7.6℃。年均降雨量1 454 mm，空氣中氯離子平均含量

0.085 mg/m3，二氧化硫平均濃度0.035 mg/m3。該橋是一座大跨度市政道路橋梁，橫跨繁忙的城市快速路，車流量大，環(huán)境條件較為復雜[1]。如何在強腐蝕環(huán)境中保證其安全耐久，延長使用壽命，是該項目面臨的主要技術(shù)難題。

2 公路橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素分析

2.1 環(huán)境因素

工程橋梁位于沿海地區(qū)，環(huán)境條件較為復雜，存在多種不利于結(jié)構(gòu)耐久性的因素。首先亞熱帶季風氣候區(qū)的特點是夏季高溫多雨，空氣濕度大，高溫會加速混凝土的水化熱過程，導致內(nèi)外溫差增大，易產(chǎn)生溫度應力。而高濕環(huán)境會加快氯離子、二氧化碳等有害物質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透，破壞鋼筋保護層，引發(fā)鋼筋銹蝕。同時高濕環(huán)境也利于微生物的繁殖，引起混凝土的生物腐蝕[2]。而且橋址緊鄰海岸，海水飛沫攜帶大量氯離子，空氣中氯離子平均含量高達0.085 mg/m3，氯鹽環(huán)境下混凝土的耐久性下降極為顯著。

另外本地區(qū)工業(yè)廢氣排放量大，二氧化硫平均濃度0.035 mg/m3，在潮濕環(huán)境中極易形成酸雨。酸雨中的SO42-、NO3-等酸根離子會與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應，生成具有膨脹性的鈣鋇石、鈣鋁石，引起混凝土開裂和強度降低。因此，惡劣的自然環(huán)境和復雜的荷載條件是影響該工程橋梁耐久性的主要環(huán)境因素。

2.2 荷載因素

從該工程角度分析，荷載可分為靜力、動力以及溫度三種。工程靜力荷載主要包括橋梁自重、鋪裝層重量恒載，以及行人荷載等準靜態(tài)荷載。恒載為該工程主要控制荷載，大跨度連續(xù)剛構(gòu)的自重彎矩很大，在撓曲段產(chǎn)生巨大的拉應力，易引起混凝土開裂。同時主跨懸臂施工階段，大懸臂狀態(tài)下自重彎矩更為不利，應采取合理的施工工藝如合攏段臨時加固等措施[3]。準靜態(tài)荷載雖然小于汽車荷載，但是行人匯集產(chǎn)生的堆載效應不可忽視，尤其是人行道板、天橋等考慮行人荷載控制的構(gòu)件。各跨恒載彎矩統(tǒng)計如表1所示。

動力荷載方面，其主要為車輛荷載，具有顯著的動力效應。城市道路橋梁的車流量大，超載車輛時有發(fā)生，荷載大小波動性強。在動力系數(shù)作用下，構(gòu)件承受的實際應力遠大于靜力計算值。車輛荷載主要引起主梁正彎矩，在跨中斷面產(chǎn)生拉應力。由于混凝土抗拉強度低，在大應力幅下易產(chǎn)生疲勞損傷，使裂縫逐漸萌生擴展。在裂縫處，鋼筋抗拉作用增強，而保護層厚度降低，氯離子更易侵入，容易加劇銹蝕發(fā)生的概率，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

溫度荷載方面，在晝夜溫差和季節(jié)溫差作用下，橋面鋪裝層與混凝土主梁由于線膨脹系數(shù)差異，會產(chǎn)生附加的溫度應力。溫度梯度還會引起主梁上下緣溫差效應，加劇頂?shù)装彘_裂。該工程所在地區(qū)夏季日照強烈，橋面鋪裝溫度可達60℃以上，而混凝土主梁內(nèi)部溫升緩慢，溫度梯度效應顯著，梯度效應分析結(jié)果如表3所示。

2.3 設計因素

該工程主跨采用（75+125+75）m的跨徑組合，其中最大跨徑達到了125 m。過大的跨徑會導致主梁自重顯著增加，在撓曲段產(chǎn)生更大的拉應力，增加裂縫開展的風險。而且主跨兩側(cè)75 m的邊跨相對較短，在活載作用下，撓度差異引起的次應力效應也更加明顯。另外主橋橫斷面設計采用了單箱三室截面，跨中梁高3.5 m。箱梁橫截面尺寸的選擇要兼顧受力性能和施工便利性，梁高偏小會使得主梁剛度不足，在荷載作用下易產(chǎn)生裂縫，而梁高過大則會增加自重，加劇溫度效應。頂?shù)装搴穸纫矊α芽p控制十分關鍵，厚度不足則配筋率偏高，裂縫更容易產(chǎn)生，而過厚則會擴大混凝土收縮徐變的不利影響[4]。

3 工程橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計

3.1 環(huán)境因素防護措施

根據(jù)案例工程的實際情況，針對影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的環(huán)境因素，可采取一系列防護措施。比如可針對性提高混凝土抗?jié)B性能，亞熱帶季風氣候區(qū)高溫多雨，空氣濕度大，有利于氯離子等有害物質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透。因此該研究建議在混凝土中摻加5%～10%的粉煤灰，3%～5%的硅灰，改善混凝土的抗?jié)B性。同時嚴格控制水膠比，主橋箱梁、橋墩混凝土的水膠比應小于0.35，承臺和引橋的水膠比應小于0.40。要求主橋箱梁混凝土的抗?jié)B等級不低于P12，橋墩不低于P10，提高混凝土密實度，延緩氯離子向內(nèi)部擴散，具體防護措施各項數(shù)據(jù)如圖1所示。

由于工程緊鄰海岸，飛來的海水飛沫會攜帶大量氯離子附著在構(gòu)件表面，因此應適當增加鋼筋保護層厚度。主橋墩身混凝土保護層厚度不小于50 mm，承臺不小于40 mm。對于箱梁頂板這種暴露于大氣中、承受車輛荷載直接作用的關鍵部位，混凝土保護層厚度不宜小于

60 mm。對于大氣二氧化硫過高，易形成酸雨腐蝕混凝土的問題[5]。研究建議在混凝土中摻加緩凝型減水劑，一方面可延緩水泥水化放熱，防止溫度裂縫，另一方面可降低水化產(chǎn)物中游離氫氧化鈣含量，提高抗碳化和抗酸性，外加劑摻量可在1.5%～2.5%范圍內(nèi)選擇。

3.2 荷載組合與設計參數(shù)選取

該工程根據(jù)荷載性質(zhì)和不利效應，考慮了多種荷載工況組合，并合理選取設計參數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)在復雜荷載作用下的耐久性和安全性。對于主橋連續(xù)剛構(gòu)，在設計中優(yōu)先考慮了恒載+汽車荷載+溫度荷載的基本組合，作為永久和主變量荷載，分別乘以荷載分項系數(shù)1.2、1.4和1.4。該工況主要控制撓度和正常使用極限狀態(tài)，如正應力和裂縫寬度。恒載標準值按材料實測密度計算，其中鋼筋混凝土25 kN/m3，鋪裝層24 kN/m3，欄桿、護欄等附屬構(gòu)件統(tǒng)計荷載3.5 kN/m。汽車荷載采用城-A級，橫向分布系數(shù)取0.66，動力系數(shù)采用雙怒線方法計算，大跨橋動載增大系數(shù)取1.05。溫度方面，溫升梯度取

1.2 ℃/cm，溫降梯度取0.6 ℃/cm。在恒載+汽車荷載標準組合下，125 m主跨跨中拉應力達到2.65 MPa，接近抗拉強度設計值2.89 MPa，應力幅為正負交替的

0.35 fp，疲勞驗算安全系數(shù)1.52，滿足疲勞穩(wěn)定性要求。

在此基礎上，研究考慮了恒載+汽車荷載（乘以動力系數(shù)）+風荷載的標準組合，主要控制結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力。恒載不利效應取基本組合的0.95倍，汽車荷載標準值同基本組合，并在動力系數(shù)基礎上再乘以卸載系數(shù)0.5，以考慮車輛松散、減速等影響[6]。風荷載標準值按百年一遇10 min平均風速30 m/s、地表粗糙度B類計算，迎風面積按實際結(jié)構(gòu)尺寸采用。該工況下主墩單墩所受剪力達6 800 kN，彎矩1.2×105 kN·m，樁基護帽應力4.6 MPa，樁身應力9.3 MPa，均滿足承載力要求。在主橋合龍段設計時，除考慮常規(guī)的荷載組合外，還應驗算溫度變化引起的次應力效應。設計中采用了后張法預應力，配置8束φs15.2 mm鋼絞線，張拉控制應力

0.5 fpk，與主梁預應力同步張拉，以提高合龍段的抗裂性能。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

工程主橋跨徑采用（75+125+75）m的跨徑布置，在滿足通航要求的基礎上，減小了主跨跨徑，避免了主梁自重過大帶來的不利影響。兩側(cè)邊跨與中跨跨徑比接近0.6，在此范圍內(nèi)減小了邊跨撓度與中跨撓度之差，有利于改善主梁負彎矩區(qū)的受力狀況，減小負彎矩峰值，從而降低負彎矩區(qū)開裂風險。主梁標準段采用單箱三室截面，跨中梁高3.5 m，高跨比達到1/35.7，梁高明顯小于常規(guī)梁高跨比1/30，在節(jié)省材料的同時，降低了自重，減小了溫度應力和混凝土收縮徐變效應。頂板設計寬度為13.6 m，懸臂長度為3.4 m，以雙向六車道的通行能力控制，兼顧了使用要求和經(jīng)濟性[7]。腹板采用等高度設計，厚度220 cm，配置雙肋，以提高腹板抗剪剛度和穩(wěn)定性。標準段截面積10.66 m2，全橋混凝土用量節(jié)省8%以上。

在墩柱設計方面，該工程采用“工”字形實體薄壁墩身，兩墩柱凈距8 m，柱徑2 m，墩高35 m，高寬比為17.5，遠小于《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG D63—2019）標準的限值20，滿足整體穩(wěn)定性要求。實體墩身較空心墩剛度更大，配筋率僅為1.3%，混凝土用量增加5%，但鋼筋用量節(jié)省15%，綜合造價更經(jīng)濟。在基礎設計方面，群樁基礎采用直徑2 m的大直徑擴底樁，樁長45 m，樁間凈距為樁徑的2.5倍，形成“五樁一墩”布置，中間三樁承擔主要豎向力，兩端樁承受水平力和彎矩。相比常規(guī)直徑1.5 m樁基，單樁承載力提高78%，樁數(shù)量由8根減少到5根。護帽尺寸8 m×9 m，厚2.5 m，配置雙向預應力，有效約束了樁頂位移。

3.4 材料選用與質(zhì)量控制

針對該工程所處的惡劣環(huán)境條件，混凝土方面主橋箱梁采用了C55高強混凝土，水膠比控制在0.33以下，摻加20%粉煤灰和10%硅灰，以提高混凝土的抗?jié)B性和抗裂性。主橋墩身采用了C50高性能混凝土，摻加25%粉煤灰，水膠比控制在0.36以下。承臺和引橋墩采用C40混凝土，摻加30%粉煤灰，水膠比控制在0.42以下?；炷涟韬臀锏奶涠瓤刂圃?60～220 mm，含氣量4%～6%，確?；炷恋氖┕ば阅芎湍途眯阅埽鐖D2所示。

從原材料選擇方面，水泥采用了P·II52.5中熱硅酸鹽水泥，與礦物摻合料復配，減少水化熱，提高長期強度。粗骨料選用連續(xù)級配碎石，針片狀含量小于15%，壓碎指標小于10%。細骨料采用中粗砂，細度模數(shù)2.5—3.0，泥塊含量小于1%，有機雜質(zhì)低于標準的淡黃色。外加劑選用聚羧酸系高效減水劑，摻量為水泥用量的1.5%～2.0%，引氣劑采用樹脂類，摻量為水泥用量的0.02%‰—0.03‰。通過材料選用和質(zhì)量控制措施的有機結(jié)合，可以從源頭上保證了工程橋梁主體結(jié)構(gòu)的耐久性能，為橋梁建成后經(jīng)受惡劣環(huán)境考驗奠定了堅實基礎。

4 總結(jié)

綜上所述，該工程針對惡劣的自然環(huán)境條件和復雜的荷載工況，從材料、構(gòu)造、施工等方面采取了一系列措施，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設計方案，最大限度地保障了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。未來公路橋梁只有在設計理念、材料選用、施工工藝等方面，統(tǒng)籌兼顧，多管齊下，才能建造經(jīng)得起時間考驗的精品工程，為交通運輸事業(yè)的發(fā)展作出應有的貢獻。

參考文獻

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收稿日期：2024-06-21

作者簡介：索冬旭（1993—），男，本科，工程師，研究方向：橋梁工程設計。