对路桥设计中的安全性和耐久性的几点探讨

2015-04-09范荣

四川水泥 2015年5期

关键词：碳化耐久性路桥

范荣

(湛江市规划勘测设计院，广东湛江 524000)

对路桥设计中的安全性和耐久性的几点探讨

范荣

(湛江市规划勘测设计院，广东湛江 524000)

公路桥梁作为交通枢纽性工程，其在公路交通工程中占据关键的地位。但随着公路桥梁工程的大量兴建，它在运营过程中受材料性能、受力荷载、环境因素的影响，其耐久性能随时间发展而逐渐降低，当降低到极限值时可能会发生桥梁坍塌事故。因此，为了确保公路桥梁结构运营的安全性、耐久性，对其设计过程中安全性与耐久性的研究具有非常重要的意义。

公路桥梁安全性耐久性钢筋锈蚀

0引言

在上世纪60、70年代建设的公路桥梁，到目前均已运营了40～50年，其受施工因素、环境因素、运营状况等影响，且原设计荷载标准较现代标准偏低，加之桥梁的运营、养护管理不到位，导致一些公路桥梁过早的出现裂缝、钢筋锈蚀等病害，导致结构耐久性能下降问题，影响桥梁结构的稳定性。在近十几年来，我国交通量迅速增加，且超载车辆也不断增多，这就造成大多数桥梁处于超载运营状态，且多数公路桥梁构件老化、破损等原因加剧了桥梁安全性、耐久性下降速度。

1公路桥梁安全性和耐久性的现状

1.1 危桥数量多，安全性降低

在1982年的公路普查中，危桥总数占全国桥梁数量的3.45%。在我国国道公路桥梁中，桥梁的设计荷载等级低于公路-10级约占5.4%。虽然我国已经加大对钢筋混凝土桥梁的维修加固，并投入大量的人力、物力、财力，但是桥梁老化的数量随时间的推移逐渐的增多，钢筋混凝土桥梁新生病害的速度仍远超维修加固的速度，且一些桥梁因承载力不足已不可正常运营，不得采取有效地限速限载运行，并对病害较严重的桥梁采取维修加固措施，提高其承载能力。

1.2 耐久性能降低

由环境作用引起混凝土结构出现局部损伤，如环境中的CO2、氯离子、水等通过混凝土的缺陷（裂缝、孔道、孔穴等）渗入到结构内部，并与混凝土结构中的一些成分发生物理、化学反应，导致混凝土结构出现损伤，影响整体结构的承载能力与耐久性。

（1）混凝土碳化

混凝土中的Ca(OH)2和环境中渗透进混凝土中CO2发生化学反应，使混凝土结构内部环境的碱度逐渐降低[2]，破坏了钢筋表面的钝化保护膜，致使钢筋处于易氧化的状态，从而导致钢筋发生锈蚀反应。

（2）氯离子侵蚀

桥梁结构受冬季除冰盐与海洋环境中氯离子的影响，氯离子透过混凝土构件表面的缝隙侵蚀到钢筋表面与钢筋发生电化学反应，使钢筋过早的锈蚀。

此外，研究还发现，在混凝土的配合比设计中水灰比设计不合理，或是在混凝土浇筑施工中振捣不密实，这些因素均可导致混凝土结构内部的钢筋出现过早的锈蚀。

（3）碱—骨料反应

碱骨料反应是指混凝土中的碱性物质与具有碱活性的骨料之间发生反应，反应所生成的产物吸水膨胀或反应导致骨料膨胀，造成混凝土开裂破坏现象，常被称为混凝土结构的“癌症”。

（4）冻融循环破坏

冻融破坏，主要是渗入到混凝土结构内部的水分在冬季外界温度较低的环境下结冰冻胀，造成混凝土内部微观结构的破坏，经过长时间多次循环冻胀后，损伤积累造成结构表面层的剥落，混凝土结构的相对弹性模量降低。研究发现，混凝土强度越高，其脆性越高，对应力也越敏感，在荷载重复作用下会产生更多的微裂缝，而这些微裂缝又成为外界腐蚀介质进入混凝土结构内部的通道，从而加快混凝土结构破坏。

（5）钢筋锈蚀

混凝土构件中钢筋钝化保护膜破坏后，钢筋在水分和氧气的作用下发生锈蚀反应，造成钢筋体积膨胀，迫使混凝土结构出现沿钢筋走向的裂缝，且使得混凝土与钢筋的粘结力降低。同时，钢筋表面积的减少，使钢筋混凝土构件的承载能力减弱，并随着时间推移，构件裂缝、变形逐渐增大，最终导致结构破坏。

2公路桥梁设计中安全性与耐久性的研究

2.1 公路桥梁安全设计的研究

（1）提高设计水平，改善方案设计思路

针对公路桥梁设计规范中存在的不足之处，组织设计专家、施工经验丰富的人员、监理工程师进行公路桥梁规范的修订，完善设计规范，提高公路桥梁设计标准，为公路桥梁的设计、施工、运营做基本依据。

路桥设计单位需要定期对参与、从事公路桥梁设计的人员进行教育培训，以提高设计人员的设计知识。在对设计人员进行培训时，需要设计人员进行考察施工现场，使之对桥梁施工过程中的材料、施工机械有一个全新的理解和全方位的感受，为他们以后的设计工作注入新的设计理念。

改善设计思路：提高设计人员对于城市路桥所处环境的动态变化设计水平。现今，城市路桥的动态变化繁多而且情况复杂，改善以往的静态设计思路转向动态设计思路就显得必要而且紧迫。

（2）重视疲劳损伤，提高创新水平

在城市路桥设计中重视疲劳损伤：在设计城市路桥设计时注意加入疲劳损伤因素，充分考虑疲劳损伤的形成原因，结合具体影响因素制定科学、合理的涉及对策解决损伤问题。

适应现代发展需要，提高理论和实践中的创新水平：现在城市路桥建设中大跨径、结构形式复杂越来越多。为了适应时代发展需求必须提高城市路桥设计中的理论和实践创新，研究其内在机理，分析其具体影响因子，给出科学合理的解决方案。

2.2 提高公路桥梁耐久性的设计措施

（1）控制水灰比与提高混凝土强度

混凝土拌合物的水灰比与混凝土强度是两个相互关联的因素。若混凝土拌合物的水灰比越小，则混凝土强度会越大，同时混凝土结构的密实度也会越高；相反，若混凝土拌合物的水灰比越大，则混凝土强度会越小，同时混凝土结构的密实度也会越低。而混凝土碳化主要外界环境中的CO2、SO2等腐蚀性气体通过混凝土结构孔隙向内部扩散以及发生化学反应的过程，若混凝土内部结构密实程度越高，则腐蚀性气体向内部扩散的阻力会越大。因此，混凝土碳化速度与混凝土拌合物的水灰比成反比，且它是影响混凝土碳化速度的主要因素之一。

（2）选取合适的水泥品种

由于水泥的品种较多，不同品种的水泥（硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等）其化学组成有较大的不同，并对混凝土的碳化速度有不同程度的影响。研究表明，若混凝土拌合物的配合比相同，采用矿渣水泥的混凝土结构碳化速度比采用其它品种水泥混凝土结构碳化速度较快。此外，由于混凝土结构内部碱性物质含量受多方面因素的影响，即使采用同一类型水泥的混凝土结构，其碳化速度也不相同。

（3）其他措施

混凝土水化硬化反应状态对混凝土碳化反应的速度有较大的影响。若混凝土浇筑施工质量不良，导致混凝土结构密实度较低，则会加快混凝土碳化速度；同时，若混凝土养护期表面失水较多，则会造成混凝土结构表层结构疏松，将会使得同一构件的不同部位其碳化速度存在较大的差异。