混凝土桥梁结构耐久性设计探析

李翌程，朱自立

（湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙 410007）

0 前言

在运行桥梁工程建筑时，工程安全受外界很多因素影响。此时，混凝土表现出来的抵抗能力被称为耐久性，这也是对桥体使用寿命的一个衡量指标。随着社会的发展和经济水平的提高，交通量在逐步增大，致使桥梁所要承受的荷载量逐渐变大。此时，混凝土以及所使用的材料因为时间过长而老化，再加上设计或者是施工过程中存在不足，都导致桥梁的耐用性降低，呈现出越来越多的病害与缺陷，更严重的是对结构的安全性造成威胁。在进行现行公路设计时，一般会重点突出桥梁的承载能力，却忽视了因为环境的变化而引发的材料劣化，导致结构的耐久性降低。这样，因为对耐久性缺乏足够的重视，而极易引发工程安全事故，从而增大修理费用，而且会降低结构的使用寿命，造成资源的严重浪费。可见，在进行混凝土桥梁结构设计时，必须针对这些问题，对设计技术进行优化，尽可能提高桥梁的使用寿命。

1 混凝土耐久性设计的内涵

1.1 混凝土耐久性设计的内容

对混凝土结构的耐久性设计主要有以下两方面：首先是选取合适的混凝土材料，其次是要合理控制裂缝宽度并且对结构的构件进行优化。在选用材料时，必须根据实际情况而定，按照环境的作用和类别等级以及设计的基准期等因素，选取不同的材料。与此同时，还必须尽可能降低工程造价，并秉承节能环保的理念。关于结构细部的优化，主要是指对构件进行防水、排水和防腐蚀处理。在这个过程中，必须本着严谨的科学态度来进行。如果桥体被水或者是化学物质腐蚀，必然会严重降低其安全性，缩短其使用寿命。对于一项工程而言，安全工作占据核心地位，而且必须确保设计的合理性才能够保证工程质量的可靠性。

对于我国的现行规范而言，虽然会考虑到环境因素的常见影响，但是并没有考虑到结构受力时，混凝土结构会受到什么影响。这样就会导致混凝土的耐久性受到影响时，混凝土保护层受到损坏，桥面铺装不坚固。可见，完善现行的规范以及相关规定，有助于提高桥梁结构的质量，然而这还有很长的路要走，需要经过很长时间的摸索来完善现行规范。

1.2 混凝土结构耐久性设计原则

在优化设计来提高混凝土结构耐久性的时候，需要设计人员具备加强的业务能力。首先，设计人员必须对提高混凝土结构的耐久性这一目标给予足够的重视，即做好桥梁预期设计使用年限的评估工作。此外，还必须掌握混凝土结构耐久性该通过怎样的标准来判断是否失效。当前，针对使用年限的问题，已经有了相当确切的规定，并将使用寿命总结为3种。但是，对于上述提及的失效标准并没有统一的规定与看法。相对于普通的混凝土结构来说，关于耐久性是否失效可以从以下两种方式来判断：第一，如果耐久性退化将导致结构发生变形，导致其正常使用功能受阻。这种失效主要是通过钢筋锈蚀开裂作为判定标准的。第二，混凝土结构性能降低，承载能力也是大大折扣，严重影响其正常使用。

2 桥梁耐久性差的主要原因

2.1 桥梁设计规范方面的不足

桥梁结构建设必须确保工程质量的可靠性，这需要一定的规范与规定来指导工程的开展。在进行建设工作时，所有工作的开展必须参照这些规定来执行，而且不可以任意更改。或者是说即使修改也要做出明文规定。需要指出的是，我国很多参考性规则一般具有强制性，而且具备法律效益，这是区别于国外规程的一个典型特征。我们对它的管理却没有与工程科学的发展脚步保持一致。例如，对于很多跨海大桥而言，缺乏适当的规范作为指导，导致其质量安全成为一个隐患。

2.2 设计和结构构造体系的缺陷

对于桥梁设计领域而言，结构耐久性引起了业内人士足够的重视，而且这是一个亟待解决的现实问题。在进行实际操作的过程中，设计人员往往过多地偏重于结构强度计算，以此来满足安全需求，但是却忽略了在整个过程（包括设计、施工以及投入使用）中的人为错误，因为这些人为错误也极有可能降低结构耐久性。如果某工程的整体性不高、计算图式不明确、混凝土强度不够等都可能降低结构耐久性。除此之外，根据环境以及使用条件的不同，设计者对结构体系设计提出了各种要求。为了确保结构的合理性和可靠性，在进行设计时必须按照一定的规范来进行。与此同时，还必须保证设计人员能够正确认识结构本性，根据自身多年工作经验来准确判断结构是否合理。

2.3 桥梁施工和管理方面的问题

目前，我国桥梁建设呈现出了明显的趋势，主要包括：工期相对比较紧张、任务相对比较繁重，如果某些施工过于野蛮或者是缺乏严格而完善的管理模式，那么就极有可能引发质量问题，导致桥梁坍塌。对引发这种现象的原因进行探究，可以发现这主要是因为施工没有按照设计要求来进行，而且材料的强度相对比较低，再加上施工工艺的不合理，都造成了施工质量不合格现象的出现。同时，也有很多桥梁存在偷工减料的问题，这也势必会缩短桥梁的耐久性。更为严重的是，有的桥梁没有经过长时间使用，就已经产生了耐久性不足的现象，这与桥梁质量低下是密不可分的。如果钢筋的保护层受到破坏，或者是施工现场的构件出现开裂问题，都会导致桥梁的耐久性不足。

3 混凝土桥梁结构耐久性设计的措施

3.1 加强对桥梁结构耐久性的研究

在建造桥梁并投入使用的过程中，外界环境、有害的化学物质等都会对桥梁造成一定的侵蚀，而且还在负载强大的外界负荷，这无疑对桥梁的质量提出了严峻的考验。同时，如果材料自身性能退化，这就导致桥梁结构被损坏，逐渐呈现劣化的趋势。从上世纪的80年代开始，我国已经建造了很多斜拉桥，虽然并没有呈现倒塌现象，却不得不提前换索来保证拉索的耐久性，这样就造成了严重的经济浪费。

许多质量问题的出现是由于缺乏合理的耐久性设计而造成的。这就为人们敲醒了警钟，使人们对桥梁的耐久性问题给予重新认识。经过大量的事实证明，施工和材料两个方面的原因，造成了桥梁的耐久性降低。可见，是设计上的缺陷决定结构的耐久性不高。

一直以来，人们都注重研究结构计算方法，但是却没有对总体构造和细节处理给予足够的重视。结构的耐久性设计是有别于常规结构设计的，因此需要推动耐久性研究实现定性向着定量的方向发展。

3.2 加强对桥梁结构疲劳损伤的研究

对于桥梁结构而言，需要承受很重的荷载。其中的车辆和风荷载都是动荷载，这会使得结构产生应力，既可能引发结构振动又可能引发结构疲劳。桥梁的建设过程中所使用的材料并不均匀也不连续，而是有很多缺陷的。随着荷载的不断增大，这些微小的缺陷就很有可能逐渐被扩大，形成严重的损伤，再继续扩大就会形成可见的宏观裂纹。如果得不到合理的控制，这些宏观裂纹就可能引发脆性断裂。需要指出的是，这些早期疲劳不易察觉，但极有可能导致严重的灾难性后果。

在钢桥设计过程中，疲劳损伤是亟待解决的核心问题。由于结构疲劳所引发的钢材开裂是比较常见的，而且由于疲劳断裂所引发的断桥的案例数不胜数。对近20年的桥梁现状进行研究发现，对于疲劳损伤的研究已经涉及到混凝土的结构，同时依然需要加强对于动态性能和疲劳性能等方面的研究。疲劳损伤的研究不仅是对于整个桥梁结构而言的，而且要需要考虑局部疲劳，并尽可能减少因为局部疲劳所引发的桥梁结构坍塌。

3.3 加强对“超载”的管理

车辆超载也是引发桥梁结构出现疲劳损伤的一个重要原因，但是其所带来的后果却是在超规范范围之内的。

车辆超载可以分为以下三种情况：第一，如果桥梁修建过早，那么势必会出现严重的超龄负载运营现象；第二，桥梁通行的车辆已经严重超负荷，超过了原设计。还有一种是车辆违规超载现象的出现。对于前面两种情形产生的原因进行总结，发现这是由于设计荷载不断浮动以及交通量不断增大所引发的。后一种情况是车辆的使用者出现严重的违法超载现象。

桥梁的超载会带来非常严重的后果，增大了疲劳应力幅度，而且导致不可逆内部损伤。这样会导致桥梁也不适应正常负荷，难以维持正常的工作状态，这将会对桥梁的安全性造成威胁，降低其耐久性，这就势必会造成桥梁的使用寿命缩短。更为严重的是，超载可能会引发结构破坏。目前，桥梁超载现象十分严重，成为亟待解决的问题。因此，要积极借鉴国外的经验，学习其先进、合理的做法，从质量管理以及行政性超载管理等几个方面来提高桥梁耐久性。

3.4 推广使用防腐技术，提高结构耐久性

目前，我国修建了很多桥梁，然而由于钢筋混凝土的质量易出现问题而引发地带裂缝，这就会导致桥面的水渗入到桥梁之中，对其产生腐蚀。可见，钢筋的锈蚀问题亟待于解决。为此，从国外引进先进的环氧树脂涂层钢筋制造技术，并进行批量生产，这都有利于提高桥梁结构的耐久性。

4 结语

随着社会的发展，桥梁在人们生活中的地位日渐提升，因此这就获得了越来越多的关注。目前，混凝土结构是一种十分普遍的桥梁结构，但是这种结构的低耐久性也是有目共睹且亟待解决的难题。因为桥梁的耐久性低不仅会降低桥梁的耐久性，而且会对人们的生命财产安全造成威胁，造成很大的经济损失。可见，研究混凝土结构的耐久性是一项具有重要研究意义的课题。寻找提高耐久的有效措施，并不断优化设计，防患于未然，将有助于建设高耐久性的桥梁，更好地推动经济发展。

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