对桥梁结构耐久性设计研究

欧亚斌

（商洛市交通设计院，陕西 商洛 726000）

长期以来，人们受混凝土是一种耐久性能良好的建筑材料这一认识的影响，忽视了桥梁结构耐久性问题，造成了桥梁结构耐久性研究的相对滞后，并为此付出了巨大的代价。具体的设计过程按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。前者是控制结构在丧失服务能力临界状态时的承载能力、设计的基本原则是要求荷载效应不利组合的设计值，必须小于或等于结构抗力的设计值。利用荷载安全系数、材料安全系数及工作条件系数来考虑不确定因素作用下的结构总体的安全储备，是一个半概率的极限状态设计法。可以认为是对安全性要求的保证。后者控制结构在正常使用状态时应力、裂缝和变形小于一定的限值，对应于适用性的要求。

1 桥梁安全性、耐久性差的主要原因

1.1 环境影响不容忽视

桥梁的施工及使用环境总是与设计的环境有一些差别，因此环境的影响是非常重要的、混凝土的抗拉强度大约是其抗压强度的10%，由于早期的水化热影响、干缩应变反应强烈，加上环境温度、湿度、日晒雨淋、冲击荷载的影响，混凝土结构很容易产生裂缝。开裂后，由于水分子、氯离子的侵入，导致钢筋面层的钝化，从而使钢筋腐蚀，破坏了钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力，其直接后果是钢筋与混凝土能很好的协同工作。混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱，最终导致结构的耐久性破坏。

1.2 施工和管理水平低

国内外多座桥梁出现安全性和耐久性差的现象，一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。

1.3 设计理论和结构构造体系不够完善

在承认施工存在问题的同时，也不可否认，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。

许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用个过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求，但仅用了5-10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。

2 桥梁结构耐久性设计

2.1 满足结构混凝土耐久性的基本要求

提高混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前提和基础。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成，其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。《桥规JTG1362》明确规定了不同使用环境下，结构混凝土的基本要求，对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定，这是《桥规JTG D62》对公路桥涵结构耐久性设计的基本要求，设计时应遵照执行。

2.2 加大钢筋的混凝土保护层厚度

混凝土碳化是钢筋锈蚀的前提。就一般情况而言，只有保护层混凝土碳化，钢筋表层钝化膜破坏，钢筋才有可能锈蚀。因此，加大钢筋的混凝土保护层厚度，是保护钢筋免于锈蚀，提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一。鉴于此，相关规定给出了钢筋最小混凝土保护层厚度，但其与国际上较为通用的设计规范相比，还是有点差距。设计时适当加大钢筋的混凝土保护层厚度对提高混凝土结构耐久性是非常有益的。

2.3 加强构造配筋，防止和控制混凝土裂缝

混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表，反过来，裂缝的存在会增加混凝土渗透性，提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性不断下降的渠道。当混凝土开裂后，侵蚀速度将大大加快，形成导致混凝土结构耐久性的进一步退化的恶性循环。因此，防止和控制混凝土的裂缝，对提高混凝土结构的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂缝，除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外，更重要的是要采取构造措施，控制混凝土施工及使用过程大量出现的非工作裂缝。

2.4 提高后张法预应力钢筋管道压浆质量

后张法预应力钢筋管道压浆质量是影响预应力混凝土梁耐久性的关键因素之一。《桥规JTG D62》规定，预应力钢筋管道压浆用水泥浆的抗压强度不应低于30MPa，其水灰比为0.4～0.5，为减少收缩，还可通过试验掺入适量膨胀剂。《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2004认为，预应力钢筋的锈蚀会导致结构的突然破坏，事先不易发现，在耐久性设计中必须特别重视，并采用多重的防护手段 对此，对于可能遭受氯盐侵蚀的预应力混凝土结构，预应力筋、锚具、连接器等钢材组件应采用环氧涂层或涂锌，后张预应力体系的管道必须具有密封性能，不使用金属的螺旋管，宜采用有良好密封性能的高密度塑料波形管，同时，管道灌浆材料和灌浆方法要事先通过试验验证，尽可能降低浆体硬化后形成的气孔，并采用真空灌，必要时还可以在灌浆材料中掺入适量的阻锈剂。

2.5 在结构局部使用防腐材料

目前我国大量地修建16～25m的多跨现浇连续钢筋混凝土箱梁结构的桥梁，由于普通钢筋混凝土结构是一种必然地带裂缝工作的结构，因而在负弯矩区总会出现负弯矩裂缝，鉴于负弯矩区裂缝是一种向上开口的“V”形裂缝，桥面水容易渗入，遭受长期浸蚀后，负弯矩钢筋的锈蚀问题是应予以重视的问题。近年来，由国外引进的环氧树脂涂层钢筋已在国内生产，应用于一般钢筋混凝土负弯矩区的钢筋中，这对保证结构的耐久性无疑是很好的事情。再如，英、美等国的调查均发现锚头区有钢丝锈蚀问题，甚至发生过桥梁倒塌事故，因而张拉结束后立即用环氧树脂砂浆封堵锚头可有效防锈。

2.6 加强桥面铺装层的防水设计

桥面渗水的排除和防渗漏问题，都将涉及到桥梁的耐久性问题，应引起格外的重视。桥面铺装防水层对桥面的防护有重要作用，必需精心设计与施工。桥面铺装层应采用密实性较好的C3O以上等级的混凝土，混凝土铺装层内应设置钢筋网，防止混凝土开裂。采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料(赛柏斯)，都能收到较好的防水效果。桥面铺装层顶面应设置防水层，特别是连续梁(或悬臂梁)的负弯矩段更应十分重视防水层设计。此外，还需加强泄水管设计，应特别注意泄水管周边的构造细节处，加强伸缩缝处的排水设计，防止水分从伸缩缝处渗入梁内。近年来，由于高速公路蓬勃兴起，目前广泛地使用FYT-1(属柔性防水效果)和M1500型(属刚性防水范畴)防水构造，但其实际效果如何尚有待接受时间的考验。

3 结语

桥梁安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题，要积极借鉴国外成功的经验和做法，除了加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计。同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响。目前，正处在大规模建设桥梁之际，要充分认识到混凝土结构耐久性对实施可持续发展战略、节约能源、资源和保护环境所带来的积极和负面影响，深刻领会加强混凝土结构耐久性的重要意义。