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桥梁结构耐久性设计研究

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：吴柳峰

[导读] 摘要：传统桥梁设计中比较注重桥梁结构的安全性和实用性，忽视了结构的耐久性，导致了诸如钢筋锈蚀、保护层脱落、锚具损伤等大量的耐久性问题，大大缩短了桥梁结构物的使用寿命，世界各国不得不为桥梁的维修养护而投入大笔费用。

        北京市市政专业设计院股份公司浙江分公司浙江杭州 310000
        摘要：传统桥梁设计中比较注重桥梁结构的安全性和实用性，忽视了结构的耐久性，导致了诸如钢筋锈蚀、保护层脱落、锚具损伤等大量的耐久性问题，大大缩短了桥梁结构物的使用寿命，世界各国不得不为桥梁的维修养护而投入大笔费用。近代以来，桥梁专家们逐渐注意到了桥梁耐久性问题的紧迫性和重要性，为此，许多国家的桥梁技术专家都在进行耐久性的研究分析。本文主要对预应力混凝土桥梁耐久性提升对策进行研究，以此达到节省费用，提高利用率，延长结构寿命的目的。
        关键词：桥梁；耐久性；细部结构；设计思路
        引言
        桥梁建设不仅能促进交通运输业的发展，还能促进周边地区的经济社会发展。然而由于结构长期承载，桥梁中的混凝土材料在使用过程中往往老化严重，容易出现桥梁耐久性和安全性方面的问题，再加上对于桥梁细部设计考虑不周或者施工环节存在一定质量问题，造成桥梁结构安全性和耐久性无法得到保证[1]。桥梁结构耐久性的提升有助于保证桥梁工程的质量和安全，大大降低维护和管理费用，节约社会资源，提高桥梁工程的经济效益，并延长桥梁的使用寿命。
        1桥梁结构耐久性分析
        从桥梁结构的耐久程度进行研究，大体可分为两个方向：一是在材料的机理上对结构的老化损伤的程度和影响因素进行研究；二是以材料的耐久性为研究基础，从整体结构的角度出发，对结构的耐久性评估、维修策略和优化、设计等应用进行研究。对材料的耐久性研究，主要是在大气环境下对钢筋锈蚀与混凝土碳化问题的研究，在此项研究中，获得最新的科研成果分别是：冻融循环作用下宏观损伤模型和深度计算模型。对于钢筋锈蚀的研究，涉及的方面主要包括：钢筋锈蚀梁的裂缝对钢筋锈蚀的影响预测以及锈蚀钢筋的力学性能。当前，在材料学科领域取得较大的成果也是混凝土结构耐久性的研究，大致可分两个内容：一是广泛研究建筑材料的耐久性退化机理；二是简单研究混凝土结构性能退化后耐久抗力。
        2桥梁结构耐久性设计的重要性
        桥梁结构耐久性与抗震性设计的最终目标为基于既知桥梁结构外在负载承受能力，根据相关指标，选择合适的几何参数，以科学设计桥梁结构，促使桥梁结构的抗震性与耐久性可规定条件与时间内符合既定参数标准。目前，我国桥梁结构设计依旧存在许多问题亟待解决，例如，设计者过于注重桥梁结构强度，忽视了结构的耐久性，导致桥梁结构的安全性与使用寿命不达标，存在安全隐患。所以，为确保桥梁使用安全性与使用寿命，需从桥梁结构设计中加强对桥梁安全性、抗震性、耐久性的重视，采取措施提高桥梁结构的承载能力与使用性能，降低桥梁病害发生概率。
        2.1基本内容和程序
        预应力混凝土结构耐久性评估检测流程是：现场调查、无损、有损检测技术获取结构有关作用和抗力信息；对结构性能和可靠指标分析评估；撰写评估报告（使用、维护意见和建议）。检测内容主要包括环境条件的调查、外观损伤状况的检测、混凝土中性化深度检测、预应力混凝土结构几何尺寸的测定、钢筋锈蚀检测等。预应力混凝土结构进行耐久性通过耐久性评价指标进行分级，然后根据评定情况对预应力混凝土结构和构件进行相应的维护。这里涉及很多的预应力混凝土构件剩余寿命预测模型，其可靠性还有待进一步研究，距离实际应用到结构还有一定的距离。
        3桥梁结构耐久性设计方法
        3.1桥面铺装
        桥梁运营过程中，车辆荷载和主梁传递的反复应力和挠变不断作用于桥面铺装，这导致桥面铺装在运营过程中往往出现早期损坏，影响整个桥面的防水系统，这可能导致主梁主筋在桥面水的作用下发生腐蚀，使得混凝土铺装层与主梁剥离，造成桥面铺装和主梁不能协同配合承担应力，使桥梁整体结构的安全性和耐久性受损。为提高桥面铺装的抗疲劳性能，使桥面铺装与主梁有效结合，协同承担应力，掺入一定量的钢纤维于混凝土中，减少混凝土的开裂；抗剪连接钢筋设置在预制板的顶层。确保桥面铺装和预制板紧密结合；采用冷轧带肋钢筋网，提高铺装混凝土的强度。

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        3.2抗震性设计
        进行桥梁设计时，需选择良好的抗震减震策略，其原理在于适度延长桥梁结构自震周期，促使其在地震力的影响下，适度减少结构内力，增大桥梁结构的阻尼，提升延展性，以抵消地震作用力，实现减震抗震。在上部结构与下部结构位移允许范围内，桥梁支承体系可以选择柔性支承与减震支座等相关策略，以实现桥梁结构减震抗震处理。
        3.3关注桥梁结构设计
        在复杂建设环境下，混凝土外部形状、应力需要尽量简单，减少暴露在外的表面、棱角，可使用圆角代替部分棱角，各土振捣、养护等工作提供便利，表面形状应有利于排水。对于各处结构缝，要做好相应的构造设计，尽可能避开最不利部位，减少外部载荷作用下出现形变问题。可能遭受氯盐侵蚀或处于干湿交替、水位变动等部位，设计时要注意采取有效的防腐措施，对于混凝土表面要进行防水、涂层、憎水等处理。
        3.4上部结构设计
        根据桥梁结构所在区域的气候条件，以最大降雨量与蒸发量为基础，合理布置纵向与横向双向排水坡。其中，横向排水的泄水管位置与数量，需以径流面积为基础加以计算分析，严格控制泄水管道间隔在4~5m。由于上部结构的边板悬臂，需科学布设相应滴水槽，并确保排水管出口位置的科学合理性，不能与混凝土构件表层相接近。预应力筋的锚固端需采取一定的防锈策略，确保封端混凝土的良好性能，且需具备良好抗裂性。为防止桥面刚性防水层承受活载荷作用，例如，车辆处于顶板负弯矩区域内导致结构产成V形裂缝，发生渗水，很容易引发钢筋锈蚀现象，因此，在桥面设计过程中，应选用柔性防水层。
        3.5材料选择
        桥梁工程中需要根据现场设计、施工需求选择相应的水泥类型，尽量选择含碱量低、水化热低的水泥，所使用的矿物掺合料要满足工程耐久性要求，各类优质的矿物渣、粉煤灰等均可选用。各类骨料要保证级配合格、坚固耐久、粒型良好，以便减少混凝土中的硅酸盐水泥用量。
        3.6基于保证桥梁结构间连接性与整体性的优化设计
        桥梁工程最大的特点就是桥面的拱形的设计，在设计过程中为确保桥梁工程结构的整体性使桥梁工程的承重力提高，必须重视桥梁结构之间的连接性与整体性的设计水平。另外，桥梁结构耐久性设计还须重视结构防护层的设计，因为防护层的厚度与质量直接影响着防护层对桥梁结构的保护效果，同时也影响着桥梁结构的耐久性。除此之外，对于钢筋的耐久性设计也不能忽视。即钢筋外部构造的耐久性设计，比如外部防护、钢筋材料外部的防护设计与处理都须适当，只有使钢筋的耐久性得到较大限度的提高，才能使混凝土的质量得到提高。
        结束语
        桥梁结构耐久性设计关乎桥梁工程的质量和安全，对桥梁的使用寿命有着重要的影响。本文结合长兴县吕山乡戚吕公路李湖大桥实际工程，对影响桥梁结构耐久性的因素如混凝土材料、桥梁上部结构、桥梁下部结构以及施工工艺进行分析，可以发现，桥梁结构的细部设计影响桥梁工程的耐久性，应结合工程具体环境特点，加强对于桥梁结构细部设计的重视，以有效提升桥梁结构的耐久性。
        参考文献：
        [1]李晓光.桥梁工程结构耐久性设计实践探微[J].科技创新与应用，2018（30）：95-96.
        [2]郜小兴.桥梁细部设计对结构耐久性的影响分析[J].交通世界，2018（28）：78-79.
        [3]柏猛.桥梁结构耐久性设计方法研究[J].企业技术开发，2018，37（10）：88-90.
        [4]庄孝敏.桥梁混凝土耐久性设计[J].四川水泥，2018（08）：74.
        [5]张韶波.桥梁耐久性设计方法和关键问题探究[J].工程建设与设计，2018（07）：112-114.