基于耐久性视角研讨公路桥梁设计要点

宋洪霞

（沧州双盛公路工程咨询有限公司,河北沧州061000）

基于耐久性视角研讨公路桥梁设计要点

宋洪霞

（沧州双盛公路工程咨询有限公司,河北沧州061000）

耐久性是衡量公路桥梁设计的主要指标之一，对桥梁工程的社会效益和经济效益有直接的影响，如果桥梁设计的耐久性不达标，将会对行人和车辆安全造成极大的威胁。为有效解决公路桥梁的耐久性问题，论文在分析有关公路桥梁耐久性影响因素的基础上，结合其他公路桥梁工程的设计经验，针对桥梁的耐久性问题，提出相关的设计建议。

公路桥梁；设计；耐久性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.036

1 公路桥梁耐久性影响因素分析

影响公路桥梁耐久性的因素，常见的有钢筋锈蚀、冻融循环、侵蚀性介质几种。

1.1 钢筋锈蚀

公路桥梁建设，钢筋是主材之一，同时使用的还有混凝土。初期使用的混凝土，其孔隙内的Ca（OH）2溶液处于相对饱和状态，覆盖在混凝土内的钢筋，在Ca（OH）2溶液覆盖范围内，表面会形成预防锈蚀的钝化状保护层。但随着公路桥梁的长时间使用，覆盖于钢筋上面的混凝土，受到外界荷载和气候变化的影响，以及混凝土化学性质的潜移变化，会逐渐出现大小不一的裂缝，成为侵蚀性物质渗入的通道，Ca（OH）2溶液的浓度也会因此被稀释，原先起到钢筋的保护作用逐渐削弱，某些部位的钢筋失去保护后，就会发生锈蚀。据笔者了解，造成钢筋锈蚀的主要化学成分是氯离子，只要游离状态的氯离子超标，并达到一定的临界值，就会和钢筋的铁离子产生化学反应，生成铁锈（见图1）。

图1 混凝土桥梁钢筋锈蚀示意图

受到侵蚀影响的钢筋，受力面面积缩小，不仅强度降低，与混凝土间的胶结作用也会变弱，最后铁锈的膨胀张力和混凝土的约束力抗衡，当前者超过后者，桥梁的耐久性就会越变越弱，最终会严重影响到桥梁的承载能力[1]。

1.2 冻融循环

已经出现裂缝的桥面，或者由于质量不过关，桥面的孔隙、毛细孔数量比较多，滞留在桥面的冰霜融化后，会逐渐渗透进桥梁混凝土结构内部。渗入的水分来不及消散，假设外界温度突然下降，这些水分会结冰膨胀，产生的膨胀力和混凝土

的约束力抗衡，当前者超过后者，会缓缓破坏桥面的混凝土结构，这个水分冻结和融化的交替过程称之为冻融破坏。

冻融循环的破坏，出现的时间具有周期性特征，对公路桥梁的破坏影响非常直接和严重，如果冻结的水分不融化，其冻胀破坏的影响就会越大，使得桥梁结构的承载性能和保温性能变弱，甚至会导致桥梁结构混凝土产生风化现象。据笔者了解，桥梁的混凝土结构，大约在经过2000次冻融循环之后，整体结构将损失5%的质量，弹性模量和强度也会大幅度降低。而这些指标，都是横梁公路桥梁耐久性的重要标准，但这些指标变弱后，说明桥梁的耐久性已经达不到预期标准。

1.3 侵蚀性介质

侵蚀性介质，指的是自然界中的各种化学物质，譬如酸性物质、碱性物质、压力流动水等，当环境变化，这些化学物质就会直接影响公路桥梁，譬如溶出性侵蚀、溶解性侵蚀和膨胀性侵蚀等，削弱其耐久性能，破坏桥梁的稳定和承载性能。受到侵蚀性介质影响的公路桥梁，其破坏形式见图2。

图2 侵蚀破坏的疲劳裂缝形式

在所有的侵蚀性介质当中，酸性物质的侵蚀性破坏力最大，尤其是酸雨降雨量比较大的区域，短时间内集中破坏混凝土表面，长时间则会渗入混凝土内部，进一步破坏混凝土内部及其内部的钢筋，影响桥梁的耐久性。

2 提高公路桥梁耐久性的设计思路

为防控钢筋锈蚀、冻融循环及侵蚀性介质对公路桥梁耐久性的破坏影响，下面将从设计的角度，研讨提高公路桥梁耐久性的设计方法。

2.1 预防钢筋锈蚀设计

混凝土的合理选择，是预防公路桥梁钢筋锈蚀的重要手段。除了材料选择，配合比设计，同样是确保混凝土质量的关键。（1）选择最为合适的水灰比，控制混凝土内部毛细孔的数量，建议尽可能减少活性骨料的选择，以非活性骨料代替；（2）碱含量较低水泥的选用，同时在搅拌水泥时，加入适量的引气剂，双重的设计保障，即可有效保护钢筋；（3）钢筋的使用，有必要在除锈后，进行防腐处理，通过实验，检验混凝土表面是否存在损伤状态，根据桥梁结构设计的使用年限，设定结构的钢筋保护率。完成以上设计后，桥梁结构的横向正应力和荷载横向位置关系见图3。

图3 桥梁横向正应力和荷载横向位置关系

基于图3所显示的横向正应力和荷载横向位置关系，在设计时，有必要强化钢筋与模板的结合程度，确保在混凝土浇筑和振捣时，能够减少钢筋的位移状况。至于连接件和紧固件等，由于暴露在混凝土外，也要重点做好防腐措施[2]。除此之外，伸缩缝的设计，要根据桥梁的设计年限，围绕结构的适用性标准，同步进行桥面结构和桥台的防腐，设计出足够数量的排水通道。

2.2 预防冻融循环设计

考虑到混凝土裂缝，是提供冻融循环的破坏通道，在预防冻融循环的设计中，首要前提是彻底解决桥梁结构的裂缝问题[3]。一方面是配筋控制，桥梁结构的界面，配筋率要合理，既不能太多，也不能太少，太多会影响混凝土的浇筑和振捣，太少则起不到结构保护效果。应该根据混凝土保护层的厚度，以及所选用钢筋的直径大小，分析每个截面面积的钢筋含量，如果所选用钢筋直径太小，则要增加适当数量的钢筋数量，确保构件抗裂强度达标。横隔板与U肋的连接形式见图4。

除此之外，桥梁所使用的碎石粒径和其他材料性能等，在规格方面同样有着严格要求，可参照以下标准：颗粒不大于0.075mm的材料颗粒，重量比不能超过5.0%；压实后，材料颗粒的重量比，不能超过7.0%。为减少地表水和地下水侵入混凝土内部，在混凝土的表面，要加入隔水材料，阻断外界水分渗透的通道，并在结构的表面，合理布排排水系统，确保在地

表水郁积时，能够在短时间内排离混凝土结构主体的表面。

图4 横隔板与U肋的连接形式

2.3 预防侵蚀性介质影响设计

侵蚀性物质的客观存在，我们无法进行消除，但可通过使用环境的控制和后期养护，提前做好预防侵蚀性介质影响的设计工作。侵蚀性介质主要在环境变化影响后，才会对桥梁结构产生破坏影响，想要彻底消除侵蚀性介质的不良影响，首要前提是做好环境保护工作。在进行桥梁设计时，就要提前做好环境保护工作，尽可能减少对环境的破坏影响。再如水灰比的适当控制，增强混凝土的密度水平，阻断二氧化碳侵入的数量，即可降低混凝土碳化的速度。在控制混凝土使用环境后，桥梁的横向正应力状态见图5。

图5 控制使用环境后桥梁的横向正应力和荷载横向位置关系

在材料选择方面，可充分考虑材料的抗腐蚀性，如镁氧水泥、矿渣水泥等，含有一定量的抗腐蚀介质，同时还可以在混凝土浇筑后，在其表面均匀喷洒防腐的抗渗砂浆，这些都是预防侵蚀性介质腐蚀的重要举措。在后期养护中，固定时间检修桥梁，可利用现代化的检测，参照有关的监控机制，实施监测桥梁的耐久性状态，为桥梁质量防治工作，提供实时依据。

3 结语

通过研究，基本明确了如果通过公路桥梁的设计，提高桥梁耐久性的方法及相关建议措施，原则上可供其他公路桥梁设计工作参考借鉴，但考虑到不同公路桥梁的耐久性要求不同，以及设计主客观环境的差异性，以上方法在其他桥梁设计工程中，务必紧扣有关工程实际情况，予以灵活地参考借鉴。

【1】吴立朋，杨进波，阎培渝.混凝土抗氯离子渗透性PERMIT试验方法改进及工程应用[J].应用基础与工程科学学报，2012（2）：304-310.

【2】卢连连.基于灰色理论的在役桥梁剩余使用寿命预测及改建方案评价[D].重庆:重庆交通大学，2008.

【3】刘珊.浅谈公路桥梁伸缩缝的病害及养护管理[J].中国科技博览, 2012（26）:443-443.

Based on the Perspective of DurabilityWeminarHighwayBridgeDesignElements

SONG Hong-xia
(CangzhouShuangsheng HighwayEngineeringConsultingCo.Ltd.,Cangzhou 061000,China)

Durabilityisoneofthemainindicatorstomeasurethehighwaybridgedesign,bridgeengineeringsocialandeconomicbenefits, therewillbeadirectimpact onthedurabilityofthedesign ifthebridgeisnot upto pedestrianandvehiclesafety,will cause greatthreats.To effectivelysolvetheproblemofthedurabilityofroadsandbridges,thearticlewillanalyzethedurabilityfactorsrelatedtoroadsandbridges, basedonthecombineddesignexperienceofotherroadsandbridgesprojects,forthedurabilityofthebridge,makerelevantdesignproposals.

roadsandbridges；design；durability

U442

A

1007-9467（2016）07-0141-03

2016-05-05

宋洪霞（1984～），女，河北沧州人，工程师，从事公路、桥梁设计与研究，（电子信箱）154900388@qq.com。