混凝土桥梁结构耐久性设计

2013-03-19许静怡

城市道桥与防洪 2013年3期

许静怡，于华

(大连市城市交通设计研究院，辽宁大连116033)

0 前言

由于交通量的快速增长、交通荷载的增大、混凝土自身的一些特点和材料的老化，以及早期在设计和施工及其他各方面的局限等，使城市立交桥在运营了若干年后的今天，病害、缺陷逐渐显现，有的已涉及到结构问题。因耐久性不足而导致桥梁使用性能差、健康寿命短，与设计使用寿命相差甚远，尤其是北方寒冷地区和近海环境。大连市某立交桥于上世纪80年代建成通车，目前已经出现了各种程度不同的病害、破损、缺陷等。这些病害已经对桥梁结构的安全形成了很大的潜在危险，对桥上、桥下的交通安全构成了威胁，对其维修已显迫切。

近几十年来所修建的桥梁健康使用寿命的短期行为，当今已得到了桥梁界的广泛关注，桥梁结构的耐久性问题也愈来愈得到重视。本文通过对该立交桥所存在的病害、缺陷及对其维修方案的设计，就桥梁结构设计中与安全性、耐久性相关的问题进行分析探讨，并提出桥梁设计中一些供借鉴和帮助的相关问题。

1 病害形式及原因分析

1.1 病害形式

该立交桥主桥上部结构为连续箱梁、简支箱梁等；下部结构为矩形截面独柱墩、圆截面双柱墩等。设计荷载标准为汽-超20级，挂车-120。大连为濒海环境。该桥目前主要病害有以下几个方面：

(1)桥面铺装：沥青混凝土出现网裂、拥包、挤出。因经常性的小补，沥青混凝土桥面不平整、完整性差。其下面的水泥混凝土铺装层出现破碎，甚至酥碎；钢筋网锈蚀。

(2)简支梁桥段的后浇桥面板湿接头部位混凝土破损，多处出现破碎、脱落，渗水漏水，桥面板出现漏洞、“露天”(见图1)。此前维修过几次，仅限于对该局部的补漏。该后浇带与箱梁结构的连接仍较差，呈反复掉落。

图1 湿接头混凝土掉落、桥梁“露天”实景

(3)箱梁底面存在着横向裂缝。

(4)箱梁底面、盖梁悬臂板底面混凝土表面碳化、泛碱严重，梁底多处出现水锈、花白(见图2)。混凝土出现保护层剥落，钢筋外露，且锈蚀严重，不少钢筋截面已呈非圆形。

(5)桥墩盖梁顶面不平整；墩柱四角主筋锈蚀、混凝土表面泛黄、敲击呈空洞声。

上述现象在伸缩缝附近尤其严重。主桥的伸缩装置的护角角钢已出现很多损坏，翘起。

1.2 有关设计方面的原因分析

引起桥梁结构耐久性不足的原因是多方面的，包括设计理念、环境因素、材料因素，以及施工、运营维护等诸多方面。病害的出现反映出以往桥梁结构设计耐久性问题的缺失，而客观上，交通量的增加，车辆荷载的增大，又需要桥梁承载能力的提高。

图2 混凝土破损、泛碱、裂缝实景

1.2.1 设计方面认知程度的局限

结构的安全性、耐久性与使用环境密切相关，桥梁的病害、缺陷也往往源于其细节设计和附属构造设计的局限。以往的桥梁，重视建设而不重视维护管理。设计中重视结构强度设计而不重视结构耐久性的设计；重视承载能力极限状态而不重视正常使用极限状态；重视结构分析而不重视结构构造方面的保障；注重工程主体设计而不重视细部构造及细节设计。设计中往往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、构造、材料以及工程建设全过程的安全保证，忽视了不同环境对其混凝土的不同要求而需采取适宜的技术保证措施。同时，环境因素的复杂、功能需求的不断提高和我国大规模桥梁建设起步较晚而经验不足等诸多方面原因，也使人们对以往的桥梁在设计构造方面往往不能满足耐久性的需求。这些结构设计理念和设计认知程度方面的问题，也是设计人员需要不断提高的。

1.2.2 环境因素

在引起桥梁结构耐久性不足诸多方面的因素中，环境因素是不容忽视的。由于环境因素和混凝土自身的材料特点，结构表面产生裂缝，在水与气的作用下钢筋锈蚀，从而又导致了混凝土的胀裂、剥落。恶性循环，可以使混凝土和钢筋的有效面积逐渐减小，结构性能不断劣化，承载能力逐渐下降，耐久性降低。而这些与设计中采用了过薄的钢筋保护层厚度和水胶比过大的混凝土有很大的关系。以往面对恶劣的环境条件，工程技术人员的设计既有认知的不足，又显束手无策，因为受到了材料技术性能的局限。

此外，还包括材料自身特点及施工、维护管理等多方面因素，在此不再赘述。

2 维修方案介绍

本文工程实例中，采取根据主桥结构损坏的程度实施修复，祛除引起结构劣化的因子，避免结构进一步恶化；同时采取补强手段，增加梁高，提高结构承载能力。

2.1 主桥全线增加主梁高度，提高结构承载能力

将维修范围内的主桥沥青混凝土面层及其下面已破碎的水泥混凝土铺装层凿除，综合利用梁顶凿毛、涂刷粘结剂、“剪力健”和植筋等技术，新铺筑纤维混凝土，使其成为主梁结构的一部分，从而使维修在不增加恒载的情况下，加大结构高度，提高主梁的承载能力。而对于具有梁间湿接头的简支梁段，实行整体浇筑湿接头和桥面纤维混凝土，实现在增加梁高的同时提高结构的整体性，加强主梁的横向联系。

2.2 做好桥面防、排水措施

在桥面板顶涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，并增设柔性防水层，以延缓、阻断桥面积水的渗入。采用两道防水，增加了桥面抗渗能力，有利于提高结构的耐久性。

同时增设桥面泄水孔，特别是在零坡段和纵坡很小的桥段，加大泄水孔的密度，以及时排除降水。

2.3 修补混凝土缺陷，封堵裂缝，阻断水与气的渗入

对梁体及桥柱混凝土表面进行全面检查，视其破损程度，分别对周围完好的独立裂缝和混凝土表面风蚀、破碎成片的情况，采用不同的处理方法。

(1)对周围完好的、独立的裂缝的处理：

裂缝宽度不大于0.15 mm的，进行涂抹水泥基渗透结晶型系列产品的修补堵漏混合剂。利用其速凝、不收缩、高粘结强度等特点，尤其是其遇水激活的特性，封闭裂缝、堵塞和修补混凝土缺陷。缝宽大于0.15mm的，采取低压低速方式注入高强度、低粘滞性、高渗透力的树脂。

(2)对已风蚀、破碎的混凝土表面，其处理的一般程序为：

凿除风蚀、破碎、松动及已变颜色的混凝土；将外露钢筋除锈，外露表面涂刷环氧树脂，防止进一步锈蚀；涂刷水泥基渗透结晶型的防水涂料，以增加表面混凝土的密实度，同时增加粘结作用。

对于范围小、表面剥落、剥离、碳化深度浅、钢筋未外露的，在完成凿除风蚀、破碎、松动的混凝土后，逐层敷环氧树脂砂浆。对于局部严重破损处，采取粘贴钢板，破损形成环状的，采用粘贴碳纤维布等。

3 结构耐久性设计

新颁布的公路及城市新桥规中都增加了桥梁结构耐久性的设计内容，同时相关行业也颁布了有关桥涵混凝土结构防腐蚀的技术规范和标准指南等。其中提出了桥涵混凝土结构及其构件应根据不同的设计年限及相应的极限状态和不同的环境类别及其作用等级进行耐久性设计的概念，明确提出了环境作用下混凝土结构设计的基本原则和要求。学习规范，并总结以往桥梁设计及维修过程，依笔者的体会，耐久性设计具体到结构设计中，可从以下几个方面予以着手。

3.1 加强混凝土桥梁结构设计中的技术保证措施

环境对混凝土结构的腐蚀作用主要体现在钢筋的锈蚀和混凝土的腐蚀或损伤。

3.1.1 选用适宜的混凝土强度及性能等级，明确其性能指标

设计不但要保证混凝土的工作性能和强度性能，还要保证混凝土的耐久性能，尤其是在恶劣环境下，对其抗渗性、抗冻融性、抗钢筋锈蚀性、抗碳化及抗其它化学物质侵蚀性能提出具体的指标要求。因此，在结构设计中应根据结构的使用性能要求、环境程度，选择适宜的耐久性混凝土，合理地使用添加剂，增强混凝土的密实度，提高混凝土自身的抗破损能力。对于北方寒冷地区和近海地区，桥梁的有些部位可选择高耐久性混凝土。严格遵守对混凝土耐久性有很大影响的技术指标的限制规定，如最大水胶比、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碱含量等，并提出对混凝土胶凝材料等原材料选定的要求。

在恶劣环境作用下，混凝土的强度往往取决于耐久性而非承载力。本文中的工程实例处于北方地区，濒临海滨，其环境作用比较复杂。结构构件经常处于两类不同的环境，这时就应同时满足两种环境类别分别作用下的耐久性要求。对于经常接触水体的构件，如伸缩缝处的墩帽顶面等应按冻融环境设计；对于有氯盐侵蚀环境的跨海桥梁，配置钢筋混凝土和预应力混凝土所用水泥的氯离子含量尽可能地降低，墩柱还需掺用引气剂，有些部位常常还需要采取附加防腐蚀措施等。而这些是工程技术人员以往设计中没有考虑的。

3.1.2 加大混凝土的保护层厚度

加大保护层厚度，减轻和延缓混凝土碳化及氯离子由混凝土表面向内扩散，以尽可能保护钢筋钝化膜，从而减轻钢筋的锈蚀，增加混凝土的耐久性。这一点，新规范有明确的要求。

3.1.3 重视结构构造设计，控制裂缝

(1)在复杂环境下，混凝土外形应力求简洁，尽量减少暴露的表面积和棱角，棱角宜做成圆角。结构的形状和布置应有利于通风，便于施工时混凝土的振捣、养护。表面形状应有利于排水。选择适宜的各种结构缝位置，并做好其构造设计，减少荷载作用下或发生变形时的应力集中。

(2)对于可能遭受氯盐侵蚀或处于干湿交替、水位变动等部位，采取特殊的防腐措施，如混凝土表面防水处理、表面涂层或憎水处理等。同时各种结构缝也应尽可能避开最不利部位。

3.1.4 加强构造钢筋，防止和控制混凝土裂缝

由于裂缝的存在，为水与气的渗入提供了通道，使混凝土和钢筋的腐蚀不断加剧、劣化。因此，控制裂缝对提高耐久性非常重要。对此，桥梁混凝土结构尽可能采用预应力混凝土结构，抗裂构造钢筋布置不宜采用大直径大间距，等等。

3.1.5 加强桥面排水和桥面铺装层的防水设计

城市立交桥的主桥和高架桥比较容易设置合理的桥面纵坡，设计应考虑桥面的纵、横坡，合理布设泄水孔，既保证车辆运行舒适，又使桥面排水顺畅。合理设置桥面铺装防水层，增设桥面柔性防水层，有条件的可设置刚性及柔性两层防水，使之在不太增加造价的情况下，提高防渗水效果。

3.1.6 重视结构细节及附属构造设计

(1)在桥梁上部结构中，太多采用预制简支梁和纵横湿接头连接，而后期混凝土往往是结构的薄弱环节。后浇带混凝土收缩使两期混凝土之间产生缝隙，形成渗水以至漏水，使混凝土不断地被腐蚀，进而破坏。工程实例中的“露天”正是这种情况。因此设计中，要避免采用此类结构。如果采用这种结构时，应采取技术保证措施，如在后浇带混凝土中添加适量的膨胀剂，以减小收缩，使两期混凝土的耐久性同步。

(2)桥梁伸缩缝两端与主梁连接的部位，此处也是极易破损之处，设计中可采用高耐久性混凝土，添加膨胀剂及纤维增韧材料，并做好伸缩装置与构造钢筋的连接。

(3)为封闭预应力筋金属锚具，后浇混凝土的强度等级应与构件本体混凝土强度等级相同。

3.2 其他方面

当然，混凝土结构的耐久性在很大程度上还取决于结构施工过程中的质量控制与质量保证，以及结构使用过程中的正确维护与例行检测。因此，在提高桥梁结构安全性、耐久性设计的同时，相关部门还要做好桥梁的建设管理和维护管理等，如严格控制施工质量，严禁超载，定期检查和及时维修、养护，避免桥梁带病工作，以延长健康使用寿命，提高结构的安全性、耐久性。