海南省交通规划勘察设计研究院 海南省海口市 570000
摘要：随着海南省自由贸易港的建设快速推进，预制装配式混凝土桥梁作为在路桥建设中使用最为广泛的一类常规桥梁，具有施工方便、易于保证质量，施工周期短，且最大限度的减轻对桥梁周边环境的干扰等优点。在桥梁设计中习惯性地重视结构强度设计轻视或忽视耐久性设计，造成桥梁在运营阶段出现了结构损坏和潜在的安全隐患，进而在面对偶然的地震灾害时桥梁引结构先受损而无法承受巨大的地震荷载，最终导致桥梁坍塌。因此必须在桥梁设计阶段就应该重视耐久性及抗震设计。本文在新规范的要求下，并基于海南省的地理环境下对桥梁的耐久性设计和抗震设计思路进行归纳总结。
关键词：装配式混凝土桥梁；抗震设计；耐久性设计
一、桥梁耐久性和抗震性能的联系
公路工程混凝土桥梁结构的使用年限一般在30年以上，而高速公路或一级公路的主体结构使用年限规定为100年，一些特殊的桥梁使用年限还会更久。耐久性是指在漫长的使用年限中，在外部和内部的不利因素的长期作用下，保持桥梁结构使用功能的性质。因此耐久性是桥梁是否能完成其使用寿命的重要性能。抗震性能是桥梁在受到地震荷载作用时，维持自身结构完好和完整的能力。良好的耐久性保证了桥梁在地震前结构完好，良好的抗震性能保证了地震时桥梁结构完好。桥梁的耐久性的发挥贯穿了整个桥梁的运营使用周期，桥梁的耐久性是抗震性能是否能充分发挥的前提，也是桥梁在抵抗地震作用时的日常保障，两者共同决定了桥梁在面临地震等受力极限状态下的安全。
二、桥梁结构耐久性和抗震性影响因素
2.1外部因素
影响混凝土桥梁结构耐久性和抗震性的外部因素包括酸、碱、盐的腐蚀作用，冰冻破坏作用，水压渗透作用，碳化作用，风化作用，荷载的冲击和振动作用。震源的深浅，地震等级的高低也是影响桥梁抗震性能的主要外因。另外设计人员对于桥梁耐久性和抗震性的重视程度和设计的合理性同样是重要的影响因素。
2.2内部因素
影响混凝土桥梁结构耐久性和抗震性的内部因素则是来自于水泥混凝土材料自身的缺陷，例如混凝土原材料中的碱性物质与活性成分发生化学反应，生成膨胀物质而引起混凝土产生内部自膨胀应力而开裂的现象（碱集料反应）。还有混凝土各种组成材料之间的配比变化时，也将对混凝土结构的耐久性产生较大的影响。
往往混凝土桥梁结构的的耐久性和抗震性能是由内外部影响因素共同影响的，比如桥墩混凝土凝固时失水过快而产生干缩裂缝，进而外部雨水渗透进混凝土内部使得墩主筋锈蚀，严重影响了桥墩的耐久性和抗震性。因此在设计上必须综合考虑内外因素。
三、桥梁的耐久性设计思路
目前耐久性设计的主流理论方法是基于可靠度的结构设计方法。由理论结合实践从而得出的提高耐久性的结论。进行耐久性设计时，首先应明确耐久性不足时有3种主要的后果：1）、混凝土开裂，磨损，表层损坏等等。2）、钢筋锈蚀，脆化。3）、混凝土与钢筋粘接作用减弱甚至消失。
基于以上3种后果，设计工作首先应确定桥梁结构所处的环境类别，海南省自然环境一般为Ⅰ类一般环境或Ⅲ类近海或海洋氯化物环境。
提高耐久性措施一：根据环境类别确定桥梁主要构件的混凝土强度等级，以及针对桥梁各部位的荷载和环境情况选择相对应性质的混凝土。桥梁上部结构选用混凝土强度不低于C40，预应力混凝土构件不低于C50。常年处于地下水位以下的桩基、承台或者系梁应选用抗渗性能较高的水下混凝土，位于海水环境中的结构还应选择环氧涂层材料的钢筋和钢绞线，在设计混凝土的配合比时应重视原材料的选用，避免碱集料反应对混凝土自身的影响。
提高耐久性措施二：桥面系中的现浇层和铺装层对于上部结构梁板尤其重要，不仅直接承受车辆的磨损，还起到隔水保护的作用，推荐做法为现浇层的混凝土标号不低于梁板混凝土标号且不低于C50，且厚度不小于10cm，因现浇层与梁板接触属于新旧混凝土接触问题，实践表明新铺混凝土的强度高于原结构混凝土强度时两者结合强度更牢固，而且等级不低于C50是因为C50及以上混凝土的抗渗性能较好。而铺装层则推荐使用抗滑性和耐磨性较好沥青混凝土，除了行车舒适度较好以外，沥青混凝土铺装层的更换施工对桥梁的影响较小，对桥梁上部结构损坏的风险较小。此外现浇层与铺装层之间必须设置一层防水层，并结合桥位的气候条件做好合理的桥面排水设计。海南属于高温多雨地区，中小桥的桥面排水主要依靠纵坡排水，大桥特大桥则横纵向结合排水。
措施三：提高各个部位的保护层厚度。结合海南省国省道改建项目的桥梁外业调查结果表明，提高保护层厚度能充分保护了内部钢筋，并且在浇筑混凝土时能使混凝土易于振捣，较充分地包裹住钢筋，保障了混凝土与钢筋之间的粘力。近海环境下或不可更换的特殊桥梁构件还应选用表面有抗氧化的环氧涂层材料的钢筋和钢绞线。
四、桥梁的抗震性设计思路
本文仅讨论预制装配式桥梁的抗震设计思路。目前关于地震分析的理论方法主要有反应谱法和时程分析方法。在进行抗震设计时，同样需要明确当桥梁抗震性能不足时，桥梁的破坏形式：1）、桥梁地基水平或竖直移动而导致破坏。2）、桥梁上部结构梁板相对位移过大，或者在地震作用下桥梁的倾覆弯矩过大而造成落梁。3）、桥墩受剪切破坏而失效。
第一种桥梁的破坏方式则需要在桥位设计时，对桥梁所在区域的地质情况进行详细的勘察，避免跨越地震断裂带。
对于第二和第三种破坏的方式，可以通过抗震分析和验算来采取相应的抗震措施。抗震设计方法分3类：1、分别在E1和E2地震作用下进行抗震分析和验算。2、仅在E1地震作用下进行抗震分析和验算。3、不进行抗震分析和验算。3类方法都必须满足相关构造和抗震措施。海南省的抗震设防烈度为Ⅵ～Ⅷ度，仅三亚、五指山、万宁、白沙、昌江、乐东、陵水、保亭、琼中地区方位内的大中小桥（特大桥除外）适用于第三类抗震设计方法，其余地区的桥梁均需要进行抗震分析和验算。
桥梁的上部结构在地震分析是被当做桥墩节点上的连续质量点，不承受地震荷载。在上部结构的选择上，预制装配式的连续体系的上部结构要比简支体系的上部结构具有更好的抗震性能。而在预制装配式连续体系桥梁中，小跨径桥梁的抗震性能优于大跨径的桥梁。因此桥梁的上部结构依据桥位所在地区的地震烈度而选用，建议8度区及以上首选连续的预制装配式梁板，并采用多支座。
针对在地震作用中主要的两种耗能方式，桥梁抗震设计分为两种抗震体系：1）、按延性抗震设计，即利用桩柱节点、盖梁与柱节点等结构连接部位形成塑性铰耗能。2）、按减隔震设计，即通过支座发生塑性变形或增大阻尼，延长结构周期，耗散地震能量。两种体系的采用主要受桥墩的长细比和桥墩的墩型控制，当桥墩较高时，柔度则较大，比较适用于按延性抗震设计体系；当桥墩较矮时，刚度较大，则适用于按减隔震设计体系。对于海南地区而言，地形以丘陵为主，绝大部分桥墩的高度都在30m以内，所以大部分桥梁适用于按减隔震设计体系。
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（a）现浇混凝土桥墩塑性铰区 （b）预制装配桥墩塑性铰区
按减隔震设计体系中，需要在强度上保证桥墩不发生脆性破坏。影响桥墩强度的因素有墩型的截面形状，截面尺寸，主筋配筋率，箍筋配筋率等。对于相同截面积，矩形墩比圆形墩承载能力喝抗震性能更好。在满足抗震验算的桥墩配筋率的前提下，主筋之间的净距应大于水泥混凝土粗骨料粒径的3倍以上，以保证混凝土和钢筋的粘接力。在地震烈度7度以上地区，圆形桥墩建议采用双肢螺旋箍筋，矩形桥墩采用“小箍连环套”箍筋方式，且箍筋植筋不小于12mm。在桥墩布置方面，尽可能使墩高相近，布置遵循对称、均匀原则。这样能更好地平均地震水平力作用，使每个桥墩受力均衡。
在海南目前的桥梁施工技术中，还未采用过预制装配式桥墩。相对于现浇钢筋混凝土桥墩，预制装配式桥墩具有更好地抗震性能，这是由于预制桥墩的墩节段是通过预应力筋连成一个整体，当地震作用时其塑性区域混凝土主要在受压的趾部压坏，大部分的保护层依旧完好，纵向耗能钢筋仍处于弹性工作状态，在震后无需过多修复即可恢复使用。
结束语
综上所述，桥梁抗震性及耐久性的设计，要从实际中总结经验，从现象逆向思考设计，结合内外影响因素，分析主次原因，因地制宜的选择桥位、桥型以及上下部结构，做好细节上的严格把控。在具体实践的过程中，积极采取抗震措施和耐久性措施等，最大程度上保证桥梁结构的整体性能。
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