混凝土桥梁结构的耐久性问题与优化对策分析

于国功

（河北省高速公路京衡管理处,石家庄 053020）

混凝土桥梁结构的耐久性问题与优化对策分析

于国功

（河北省高速公路京衡管理处,石家庄 053020）

目前，我国处于经济高速发展阶段，城市化进程日益加快，城际间交通对桥梁的需求不断增加。桥梁构建的重要指标为耐久性问题，耐久性关系到桥梁的合理使用、养护成本和后期维护等方面。《混凝土结构耐久性设计规范》（GB50476—2008）明确规定了桥梁的使用周期、用途和不同环境的构建标准。论文从数据统计和分析角度出发，分析（混凝土）斜拉桥开裂、（混凝土）梁式桥下挠、（正交异性）钢桥面疲劳裂缝问题，主要涉及（混凝土）梁抗裂、（正交异性）钢桥面优化、桥梁耐久性保障等方面内容。同时，回顾性分析国内、外桥梁破坏事故原因，并基于桥梁监测、控制和设计规范的安全性优化对策。

耐久性；安全性；桥梁事故；桥梁结构

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.035

1 前言

目前，国内混凝土建筑的使用寿命在30～40a，之后需要大面积修缮才能持续使用。其中，处于热带风暴、海风侵蚀的东南沿海建筑[1]，其使用寿命为35a左右。部分建筑工程使用12～15a就出现钢筋锈蚀、混凝土裂纹和结构组件刚性降低等问题，形成大量混凝土固体垃圾。混凝土结构耐久性设计属于现代施工技术范畴，可以有效地减少工程的后期隐患的发生率，保证建筑的可持续使用。

2 混凝土桥梁结构的耐久性问题分析

良好的耐久性可以提高混凝土桥梁的抗风化能力，降低所处环境对桥梁的侵蚀率，延长桥梁的使用周期。因此，耐久性是桥梁的整体性能的体现。优良的混凝土构建，处于正常环境中，可以表现出原有的外形、刚性和质量，并发挥相应的现役功能。《混凝土结构耐久性设计规范》（GB50476—2008），中明确规定[2]：现役桥梁的使用周期＞100a，甚至更长时间。然而，事实上，现役混凝土建筑在在30～40a就需要重建，部分建筑使用周期不足设计周期的1/2，就出现不同程度的疲劳裂缝、构建刚性降低和主要拱下挠等问题。

2.1 混凝土斜拉桥出现裂缝

自1975年我国建立第一座斜拉桥以来，已经先后建造248座斜拉桥，92%以上采用钢筋混凝土主梁。目前，国内（混凝土）斜拉桥均出现主梁开裂的问题。2015年调查数据显示：（混凝土）斜拉桥开裂主要为4种形式[3]，顶板裂缝占42%，底板裂缝占32%，腹板裂缝占21%，隔板裂缝占4%。上述桥梁使用年限处于11～26a之间，平均年限为8.4a±2.1a，远低于预期100a的设计要求。

（混凝土）斜拉桥出现裂缝主要是以下两方面原因：一是主观原因，初期设计不足、构造不合理、材料使用不当，以及施工监管不利等；二是客观原因，重型卡车通过率增加、混凝土伸缩比例过低，以及所处环境的多变等。虽然专家们对上述原因导致的裂缝进行了大量的实际调查和分析，但仍然难以得出一般性解释结论。我国混凝土斜拉桥出现裂缝情况见表1。

表1 我国主要混凝土斜拉桥出现裂缝统计表

2.2 混凝土梁式桥出现下挠

中型、大型跨度桥梁采用梁式结构，分为连续式预应力混凝土桥、连续式混凝土钢构桥，跨度范围为[100，300]m，连续式混凝土钢构桥适合大型跨度桥设计。目前，我国拥有连续式预应力混凝土桥（＞200m），诸如，虎门大桥复航道桥（1997建）。连续式预应力混凝土桥的耐久性问题在于主跨出现大幅度下挠[4]，其原因为构建变形、梁体开裂。然而，连续式预应力混凝土桥出现下挠问题，是全世界建筑行业面临的问题，其主要通过拱度预设的方式进行控制，例如，瑞典通过提高0.5%的预留挠度进行控制。下挠问题一旦出现，很难进行有效恢复，诸如，美国曾经出现下挠加固过程中，出现重大坍塌事故。

2.3 正交异性钢桥面疲劳

正交异性钢桥面最早由德国工程师提出，其主要是借助当时军舰船舶甲板构造，设计出来的钢面桥梁。正交异性钢桥面要求桥梁表面钢板厚度＜10mm，周围采用纵肋的结构设计，各个纵肋之间进行横隔连接。然而，正交异性钢桥面在使用过程中，会出现面板逐渐暴漏、纵向肋焊接疲劳裂缝问题，严重影响桥梁的正常使用。例如，我国的广东省虎门大桥，其采用正交异性钢桥面设计，各个纵肋之间连接扁平钢箱梁（d：35.6m，h：3.0m），钢板厚度l：12mm，并进行间距：620mm、厚度：8mm的U肋结构加固。在广东省虎门大桥使用过程中，桥梁的横隔、纵肋之间出现不同程度缝隙，位置如图1所示。

图1虎门大桥正交异性钢裂缝类型

图1所示，A型疲劳裂缝为顶板裂缝，开裂方向为顶板（纵向）U型肋钢面底部钢面顶部。B型疲劳裂缝为腹部裂缝，顶板U型肋U型肋弯曲位置。D型疲劳裂缝为U型肋裂缝，开裂方向为U型肋横隔连接处[5]。E型疲劳裂缝为横隔裂缝，裂缝方向为U型肋横隔横隔斜向方。

图2 虎门大桥车辆重轴分布结果

正交异性钢桥面出现裂缝的主要原因为：桥面承载过多运输量，诸如，车辆密度提高，车轴重量增加等。调查数据显示：虎门大桥（见图2）自2005年～2010年，日交通量由14840辆增加至124 140辆，增长系数为5.1，桥面车道承受1.56亿次运输，超过0.56亿次额定强度。

图2显示：虎门大桥车辆重轴分布为50kn、150kN和420kN，而桥梁预设计重轴为200kN，实际重轴超过预设重轴的1倍以上。通过深入调查发现：虎门大桥疲劳裂缝主要出现在大型车道上，特别是重型卡车车道上。卡车承载量大、通过密度高，相对来说钢面板比较薄，表面沥青出现破损后，增加了车辆对桥体的冲击。上述综合结果，使得虎门大桥由初期的疲劳裂缝到后期的疲劳破坏。

3 混凝土桥梁结构的耐久性优化对策

随着桥梁坍塌事故的不断出现，国内外建筑行业越来越重视桥梁结构的耐久性设计[6]，特别是混凝土梁抗裂优化、正交异性钢桥面优化和桥梁耐久性优化设计。下面进行详细阐述。

3.1 混凝土梁优化对策

单一横梁设计不能应对复杂的自然环境和使用需求，综合的桥梁设计可以增加桥梁的使用范围，诸如结合梁。结合梁作为一种混凝土梁的优化手段，可以实现对混凝土梁的抗裂优化。例如，浙江宁波的甬江大桥，预设跨度（468m），属于混凝土斜拉桥，桥体截面如图3所示，为双边主肋预应力混凝土结构。

图3 甬江大桥桥体截面示意图

初期专家评审过程中，专家不建议采用双边主肋混凝土截面设计，主要是考虑该桥型的耐久性问题。经过反复协商，采用结合梁设计，即在钢箱梁位置进行预应力混凝土板加固。同时，钢箱梁具有可替换的优点，大大提高甬江大桥的结构耐久性(见图4)。

图4 双边主肋混凝土与钢箱梁结合示意图

3.2 正交异性钢桥面优化对策

目前，我国普遍存在卡车超载问题，特别是重型卡车，其严重影响桥梁的耐久性。车辆超载问题不能在短期内解决，在全球范围内也不具备普遍性，只是我国经济发展的阶段性产物。为了保证正交异性钢桥的正常使用，需要对其进行优化。例如，在保证桥面耐久性的基础上，增加两侧重型车道的钢板厚度，由12mm增加到16mm[7]。

3.3 大型桥梁的耐久性优化对策

我国处于经济发展的时期，桥梁建筑规模越来越大，复杂程度日益增加，功能需求不断提高。在此背景下，混凝土桥后期的养护、替换和加固等问题随之出现。在20世纪70年代，国内建筑设计者吸取国外桥梁设计经验，针对我国国情，分析混凝土桥的耐久性问题、替换性问题和经济性问题，并深入分析不同环境对桥梁的损害。桥梁耐久性的本质是满足社会需要和合理利用问题，也就是桥梁结构的使用周围问题。《规范》中明确规定，我国现役混凝土桥梁的耐久性要符合标准，其使用周期＞100a，甚至更长时间。部分投资巨大的超大型桥梁，或者跨海大桥，诸如，荆沙江大桥，其预设计使用周期应该为150～200a。在桥梁设计初期就进行整体需求预测，并制定相应标准，对于设计师来说很难。这主要是由于社会不断发展、自然环境不断变化，以及桥梁自身退化程度等诸多因素的存在。然而，设计师可以在桥梁使用过程中，进行不断的结构优化，实现桥梁的可持续使用。因此，在桥梁设计初期，设计者要充分考虑桥梁中期施工的检验、可控，以及后期使用的维护、替换、检验，所以要具有设计拓展功能。

由于桥梁在使用过程中，各个构架相对独立，使用频率和寿命不完全相等，所以构建要具备可查、可检、可修和可换的特点。诸如，桥梁橡胶垫的使用周期为20a，斜拉索护套为10a，斜拉索钢丝为40a，结构油漆为15a[8]，需要进行不断加强、替换。在自然、化学等外界因素作用下，桥梁结构容易出现形变，所以要进行不断的维修、加固，以保证桥梁的耐久使用。桥梁耐久性要兼顾使用功能、技术和成本，在施工阶段体现材料、施工的技术优势，在使用阶段体现简单、易换的功能优势，在维护阶段要体现低廉、易购的经济优势。

4 结语

混凝土桥梁耐久性问题为阶段性问题，体现在初期设计、中期施工和后期维护方面，其需要参照《GB50076—2008》进行相应操作。事实上，我国有关桥梁耐久性的规定尚不标准，需要在总结相应经验的基础上进行完善。目前，我国桥梁界要客观、准确地统计和分析国内出现的破坏性事故，并分析相应的原因，提出有针对性的解决对策。同时，针对桥梁出现的疲劳裂缝、钢筋锈蚀和桥面开裂等结构耐久性问题，采用科学的评估方法进行分析，有针对性地进行维护、加固和替换，实现桥梁的可持续使用。

【1】周履.桥梁耐久性发展的历史与现状[J].桥梁建设,2010(4):58-61.

【2】陈艾荣,吴海军.关注桥梁设计中的安全性和耐久性[J].中国公路, 2012(23):67-69.

【3】张师定.桥梁建筑的结构构思与设计技巧[M].北京:人民交通出版社,2012.

【4】RYALLMJ.BridgeManagement[M].ButterworthHeinemann,2012.

【5】陈艾荣,吴海军.基于耐久性的桥梁设计的几个原则[J].上海公路, 2013(2):116-121.

【6】熊德国,鲜学福.模糊综合评价方法的改进[J].重庆大学学报,2013, 26(6):9395.

【7】李宏男，李忠献，祈皑，等.结构振动与控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2015．

【8】高仁辉,秦鸿根,庞超明.粉煤灰掺量、氯离子含量和pH值对混凝土中钢筋锈蚀的影响[J].混凝土与水泥制品,2015,141(1):13.

The Analysis of Concrete Bridge Structure Durability and Optimization Countermeasures

YU Guo-gong
(Hebei ProvincialHighway Management Office,Shijiazhuang 053020，China)

With the continuous development of the city,the rapid popularization of high-rise buildings,the attendant concrete structure durability,securityissuesbecomethekeyissueofarchitecturaldesign."Concretestructuredurabilitydesigncode"(50476-2008GB)inthe provisions:concrete structure durability design should be designed with reference to the environment and use.The durability of concrete structureisinfluencedbymanyfactors,suchasstructuredesign,constructiontechnologyandmaintenance,etc.,totakeeffectivemeasuresto improvethedurabilityofthestructureisthemainmeans.Fromthedatastatisticsandanalysis,analysisofconcretecable-stayedbridgecrack, (concrete)beam bridges deflection,orthotropic)steel deck fatigue crack problem,mainly related to concrete beam crack,(orthotropic) optimization of steel bridge deck,bridge durability,security etc.aspects in the paper.At the same time,the reasons of domestic and international bridge failure are analyzed,and the safetyoptimization measuresbased on thebridge monitoring,control and design code are analyzed.

durability;safety;bridgeaccident;bridgestructure

U448.33

A

1007-9467（2016）07-0138-03

2016-02-01

于国功（1975～），男，河北井陉人，高级工程师，从事高速公路管理研究，（电子信箱）js8834@163.com。