桥梁设计中的结构耐久性问题研究

汪晓霞

混凝土桥梁是最主要的一种桥梁结构,在我国的公路、市政建设中得到了广泛的应用。桥梁通常处于恶劣的环境中,在运行中除了要承受车辆、风、地震等荷载作用以外,还要受到外部环境、有害物质的侵蚀,混凝土材料会不断退化,导致桥梁结构各部位出现不同程度的损伤。实际桥梁结构设计中普遍重视强度设计而忽视耐久性设计。实践反复证明,桥梁结构由于耐久性失效所产生的维护、修复费用大大高于建造时的一次性投入。桥梁耐久性问题虽然不仅是设计原因引起的,施工、选材也是重要影响因素,但设计是桥梁结构功能最基本的保障,因此在桥梁设计中应将桥梁结构物的高耐久性作为重要的设计原则,统一考虑合理的结构布局和构造细节,应使设计出的结构易于检查、维修。本文重点阐述怎样在设计中提高桥梁的耐久性。

1 耐久性的影响因素

1.1 环境因素

2002年出版的新混凝土规范增加了有关耐久性的规定,混凝土结构所处的环境类别的划分如表1所示,环境等级越高,说明结构所处的环境越恶劣,对结构的耐久性越不利。混凝土的抗拉强度约为抗压强度的1/10,早期水化热的影响使得混凝土干缩反应剧烈,再加上环境湿度、温度、日晒、雨淋及冲击荷载的影响,混凝土结构很容易开裂。开裂后,由于水分子、氯离子的侵入,钢筋面层发生钝化,从而使钢筋腐蚀,进而引起钢筋表面与混凝土的化学粘结力遭到破坏,最终导致混凝土构件强度和刚度逐渐削弱,结构的耐久性不断降低。

表1 混凝土结构的环境类别

1.2 设计理论的不完善

工程设计中普遍重视强度设计,轻视乃至忽视结构耐久性设计;重视结构承载力极限状态的分析,轻视正常使用状态的分析;重视结构的建造,轻视结构的检测和维护。这种设计观念上的不完整,直接导致了设计规范中关于耐久性设计的欠缺,虽然也有部分条文提到耐久性设计方面的考虑,但也只是形式上的补充,没有贯彻执行的决心。许多设计人员目前尚不能从结构体系、构造、材料、维护等方面以及从设计、施工到运行全过程加强和保证结构的耐久性和安全性。设计出的桥梁结构有些存在结构整体性和延性不足,冗余性小;有些则是计算图示不明确,造成局部受力过大;有些混凝土强度过低,保护层厚度过小,钢筋直径过细等,这些都会削弱桥梁结构的耐久性。

1.3 施工因素

众所周知,施工过程因素多变,如果控制不好,结构的质量必然会受到影响。桥梁结构的耐久性也会受施工因素的影响。如混凝土浇筑中控制措施不当,导致漏筋;拆模方法不当或拆模过早,引起早期裂缝;混凝土配合比计量不准,变异性较大等。施工过程控制的好坏决定着设计意图能否得以实现,即使耐久性设计十分完美,如果不能在施工中得以贯彻,结构的耐久性仍然难以保障。因此,施工因素也是影响结构耐久性的重要因素。

2 设计中如何提高桥梁结构的耐久性

2004年新颁布的桥梁规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中明确规定了结构混凝土在最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量和最大含碱量等方面的要求,这是对于桥梁结构耐久性最基本的要求。笔者认为耐久性设计应针对设计年限、结构所处的环境类别、荷载工况及不同的极限状态进行设计。

2.1 加大混凝土保护层的厚度

保护层是钢筋与混凝土之间粘结力的保障,同时,对钢筋也能起到保护作用,防止有害介质侵入到混凝土内部腐蚀钢筋。有关研究表明,氯离子扩散至钢筋表面的时间与保护层厚度的平方成正比,而在碳化现象中,二氧化碳的扩散速度也与保护层厚度密切相关。一般来讲,保护层越厚,钢筋表面免于侵蚀的时间就越长,钢筋锈蚀的速度也就越慢,结构就越耐久。由此可见,加大混凝土保护层的厚度有助于提高混凝土结构的耐久性。

2.2 选材方面的考虑

优选高性能的钢材,如高屈服、高强度、高水平钢材的断裂韧性、焊接性能好,耐腐蚀等。使用环氧涂层钢绞线和钢筋,防止钢绞线和钢筋腐蚀。优选高性能的混凝土,在桥面铺装中使用环氧沥青混凝土,可以增加强度、耐磨性及密实度,从而使桥面有更好的耐久性。对于水中下部的桥墩,建议使用抗渗性能好的混凝土,如采用普通硅酸盐水泥,标号不应低于42.5,水泥含量不应小于370 kg/m3,水灰比不大于0.45。混凝土配合比设计中,严格控制混凝土的有害裂缝。如选择含碱量低的水泥,不使用碱活性的集料,避免将含氧化镁或硫酸盐的膨胀集料或生石灰碎块混入集料中等。混凝土中氯离子含量对钢筋腐蚀的影响极大,一般情况下,钢筋混凝土中氯盐掺量应少于水泥重量的1%,掺氯盐的混凝土必须振捣密实,且不宜采用蒸汽养护。

2.3 结构或构件选型方面的考虑

尽量选用箱形断面,提高结构的整体刚度,减轻桥梁的疲劳振动。尽量采用全预应力结构,对主桥纵、横向均施加预应力,保证截面在使用阶段不出现拉应力,防止结构出现裂缝。构件断面设计中,配置的钢筋间距应适当,方便振捣,使混凝土粗细骨料分布均匀,保证混凝土的密度和强度。混凝土外露面的边缘、棱角和沟槽均应呈圆弧形。

2.4 加强简支梁端封头混凝土及铰缝施工质量控制,避免梁头和铰缝渗水

在以往旧桥检测和加固施工中发现在空心板封头处,由于混凝土开裂,厚度过薄等原因,水从伸缩缝等部位沿着封头的微小裂缝逐渐进入空心板内部,并很难排出来,长期侵蚀梁体混凝土和钢筋。因此应注重封头混凝土施工质量,确保混凝土密实。在铰缝处,由于连接比较薄弱,加上施工质量较差,许多桥梁在使用早期就出现铰缝开裂,桥面铺装层沿铰缝纵向开裂,桥面防水层开裂,铰缝处严重渗水,板的翼缘混凝土碳化最为严重,部分钢筋开始锈蚀。因此,从设计上要采取措施,加强铰缝连接,避免单板受力,从而保证桥面防水层整体性不被破坏。

2.5 注重防水层的设计

桥梁结构应布置一定的抗渗、抗剪、抗拉的防水层,防水涂层与沥青混凝土铺装层之间应具有良好的相融性,二者之间的粘结力不应低于沥青混凝土铺装层与水泥混凝土桥面板之间的粘结力。另外,在桥面铺装层的顶面,特别是连续梁的负弯矩段,应设置防水层。为避免水分从伸缩缝处渗入梁内,应加强伸缩缝处的排水设计,注意排水管的设计,特别是水管周边的构造细节处。

3 结语

桥梁结构的安全运行依赖于耐久性设计是否完备,依赖于后期检测和维护是否得当。作为桥梁耐久性保障的第一步,桥梁结构设计必须重视耐久性设计问题,从选材、选型等多个层面全面加强混凝土桥梁结构的耐久性。实践证明,桥梁耐久性问题还没有得到充分重视,规范中关于耐久性设计的规定还不够完善,需要设计人员结合工程经验,发挥主观能动性,将耐久性设计的理念深入到桥梁结构设计的细节之中,切实提供桥梁的耐久性。

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