公路桥梁耐久性设计研究

张学栋

摘 要：为了有效解决桥梁耐久性方面存在的问题，选择公路交通中常用的混凝土桥梁为对象，通过现场调查和资料查阅确定病害发生的主要部位，分析了产生原因，并提出了耐久设计的主要内容和具体的应对措施，设计时材料和结构相结合不能仅仅从材料优化方面来考虑混凝土桥梁的耐久性。

关键词：桥梁；耐久性设计；结构；混凝土

前言

桥梁作为道路跨越天然或人工障碍物的建筑物，在交通连接中发挥着重要的作用。然而，由于所处环境的特殊性及受力的复杂性，大多数桥梁并没有达到预期的效果，在寿命周期内出现大量的病害类型，导致强度降低、寿命缩短、经济损失严重。上述问题的出现，除了与设计、施工、环境因素及车辆荷载等因素有关外，更主要的是由于结构的耐久性不足引起的。随着我国西部大开发战略的不断推进，交通基础设施建设将迎来全面发展的时期，由于西部地区地理、地质等条件的限制，桥梁在道路中比重会有所提高，因此加强对桥梁结构耐久性方面的研究就显得十分必要和更有意义。

1 公路桥梁耐久性

资料显示，世界上大多数国家和地区采用的桥梁结构，混凝土桥占有很大的比重，其中欧洲混凝土桥梁的比例为70%，美国混凝土桥梁比重为52%，我国的混凝土桥梁占80%以上，结合国内外实际，以下仅以混凝土桥梁为例来说明桥梁的耐久性设计。通过对某地现役混凝土桥梁调查发现，混凝土桥梁以下部位容易产生病害现象，制定措施时要根据部位特点采取合理的方法，混凝土桥梁的上部主体结构和桥面系为病害发生的主要部位，基础和附属结构发生病害的概率并不是很高，只占到26.0%，但也应引起足够的重视。

对于混凝土桥梁而言，影响结构耐久性的主要问题有：冻融循环、钢筋锈蚀、碱集料反应、结构构造、施工周期及结构维护等，这些问题涉及桥梁结构的设计、施工、养护、管理及使用等方面。

2 桥梁耐久性设计

查阅文献发现，目前关于桥梁结构耐久性的研究大多是从材料方面来考虑，而对结构设计改善混凝土桥梁耐久性的研究比较少。在桥梁设计阶段，设计者往往只重视结构强度是否满足规范要求，很少从结构方面来考虑桥梁的耐久性，结果导致桥梁在服役期内出现大量的病害，这也再次印证材料和结构设计的重要性，仅仅从材料角度来改善桥梁的耐久性是行不通，需重视混凝土桥梁的结构设计。

2.1 耐久性设计内容

桥梁的耐久性设计涵盖的内容比较多、涉及的面比较广，主要包括以下内容：

（1）根据桥梁的使用要求及所处的环境，合理确定结构的使用年限、作用等级及环境类别。（2）在保证强度的前提下，优选环境作用影响比较小的桥梁结构类型、材料及布置方式。（3）根据桥梁结构及跨径，确定合理的钢筋混凝土耐久性要求。（4）参照确定的耐久性要求，选择混凝土的保护层厚度。（5）合理确定混凝土桥梁上部结构、下部结构及附属设施的裂缝控制指标。（6）确定桥梁结构防、排水要求，选择合理的排水设施及结构。（7）对于特殊的环境条件，采取一定防腐及防护措施。（8）确定合理的结构施工、验收及养护标准。（9）根据环境条件及车辆荷载作用情况，确定结构在服役期内的检测、养护及维修标准。

2.2 具体措施

耐久性设计贯穿于桥梁的设计、施工及养护等阶段，并根据各阶段的特点提出了具体的设计要求及标准，其中设计阶段主要包括：

（1）钢筋配筋率及截面尺寸。混凝土桥梁结构比较重，设计时为了提高承载能力，一般采用较小的构件截面尺寸、较密的钢筋配筋率，结果给混凝土浇筑带来困难，不易振捣，集料分布不均，密实度达不到规定的要求，影响混凝土的耐久性，为病害的发生留下隐患。因此设计时一定要根据构件承重的要求选择合理的截面尺寸，并结合采用的集料最大粒径选择合理的钢筋配筋率。

（2）保护层厚度。混凝土桥梁结构内通常布置着大量的钢筋，一旦保护层破坏或者厚度不合理，将导致水分、空气及其他物质进入腐蚀其钢筋，导致结构的耐久性下降。对比国内外关于混凝土保护层厚度的规定可以发现，我国相关规范规定的最小保护层厚度比较低，不论是主筋还是箍筋外的保护层均存在着这种现象。我国规范规定主筋外保护层厚度为：30？艽c≤50mm，箍筋外保护层厚度不低于15mm，而美国相关规范规定主筋外保护层厚度为：50？艽c≤70mm，箍筋外保护层厚度不低于25mm，差距非常明显。

综合考虑我国的自然环境、车辆轴载、耐久性的需要、施工工艺及水平，在结构承载能力满足使用的前提下，建议适当提高混凝土保护层的厚度，降低相关病害的发生。

（3）裂缝控制。混凝土结构由于自身的特性不可避免地产生裂缝，影响结构的耐久性。对于混凝土桥梁而言，不仅包括环境作用与车辆荷载引起的荷载型裂缝、非荷载型裂缝，还包括桥面板设置伸缩缝等，上述结构是受力的薄弱部位，处理不慎将导致使用寿命严重下降。对于混凝土自身产生的干缩裂缝、温缩裂缝可以通过施工、材料优选等措施来控制，这里就不再详述。针对设置的伸缩缝，设计采用合理措施，使其降低对耐久性的影响。

①伸缩缝两侧尽量不和桥面铺装层相连接，而应通过预埋钢筋使其与主梁端部连接起来；②对于变形量较大混凝土桥梁，伸缩缝构造采用橡胶和钢板的组合结构，使车辆荷载通过钢板结构来传递。

（4）桥面铺装。桥面铺装层是比较容易产生病害的，设计时必须予以充分考虑。桥面铺装层直接裸露于环境中，不仅要经受车辆荷载的反复作用，而且要与下部结构的受力相协调。如果产生病害，将导致降水、桥面积水等下渗，影响下部混凝土结构稳定性。目前桥面铺装层通常采用双层结构，具体为：环氧沥青混凝土+SMA混凝土，浇筑式沥青混凝土+SMA混凝土等，在使用过程发现，或多或少都存在一定的问题。因此设计时不能单纯从材料性能出发，要结合桥梁结构的受力特点，通过受力分析选择合理的铺装结构和厚度组合，使其满足耐久性的要求。

（5）桥梁防排水系统。水是引起混凝土桥梁结构发生病害的最主要因素之一，而防排水系统则是桥梁耐久性和防腐的优良屏障，良好的防排水系统可以保证降落的水迅速排除到桥梁结构以外，使其对桥梁的危害降到最低。设计时应坚持整体性、可检、可换、可修复的原则。将桥面部分、伸缩缝、接缝等部位作为整体来考虑设计防排水系统，防止出现局部防排水缺陷。具体措施如下：

①结合刚性防水层和柔性防水层的优点，采用新型防水构造，即双层防排水系统；②桥面设置一定的坡度，水汇集后集中排出桥面，同时在铺装层设置专门的排水管道和防水层，以免水分下渗。

3 结束语

根据混凝土桥梁耐久性影响因素，调查和分析了桥梁结构病害发生的主要部位和原因，据此提出耐久性设计的主要内容和相应措施，主要结论：

（1）我国规范规定的混凝土厚度太薄，建议适当增加混凝土保护层厚度。

（2）伸缩缝是影响耐久性的主要因素之一，建议从设置方式和防排水要求方面考虑确定合理的形式。

（3）结合桥梁受力特性，选择合理铺装结构和厚度组合。

参考文献

[1]吴海军.桥梁结构耐久性设计方法研究[D].上海：同济大学，2006.11.

[2]李海峰.混凝土桥梁耐久性设计与施工关键技术研究[D].郑州：郑州大学，2012.04.

[3]唐先习.混凝土桥梁合理耐用结构构造的研究[D].西安：长安大学，2010.