基于耐久性混凝土桥梁合理耐用构造设计

2018-02-15王程程周子筠

建材与装饰 2018年41期

王程程周子筠

（武昌工学院湖北武汉 430065）

引论

目前我国公路桥梁数量已超过80万座，桥梁已成为中国建造的靓丽名片。一座座新颖奇特的现代桥梁，正在重塑中国经济地理的新标志。有着交通工程的“珠穆朗玛峰”之称的港珠澳大桥的建成，作为连接香港、珠海、澳门的经济大动脉，将带动三地经济的飞速发展，勾勒出中国经济运行效率的新版图。我国广大桥梁建设者紧跟国际桥梁建设前沿技术，不断在桥梁结构体系设计、核心材料研发、关键施工工艺等方面不断创新突破，使我国桥梁建设水平显著提升，桥梁结构耐久性不断提高。然而，分析很多桥梁病害的工程实例发现，在桥梁设计领域仍普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现象，主要是基于强度理论的结构体系方面的设计，而对结构构造方面考虑的较少，从而忽视了结构体系、结构构造、结构材料、结构维护等耐久性方面的设计，导致其常常因构造方面的问题影响桥梁结构的耐久性。

结构构造是指桥梁结构内部各部分之间的布置方式，如结构构成形式、钢筋布置方式、保护层厚度等。混凝土桥梁合理耐用构造设计必须同时考虑使用环境、材料质量、施工难度、结构维护以及经济合理性等诸多因素，改善结构受力性能、提高结构体系的整体耐久性。张誉认为混凝土保护层厚度、伸缩缝构造、钢筋设置等构造设计是影响混凝土桥梁耐久性的首要因素。陈肇元院士也将保护层厚度、防水层设置、伸缩缝等构造措施列为耐久性设计的主要考虑因素[1]。本文主要从混凝土保护层厚度、横隔梁（板）构造、铰缝构造、防排水构造以及可检修可更换构造等方面，提出混凝土桥梁合理耐用构造设计措施，以供桥梁设计人员参考。

1 混凝土桥梁结构构造常见病害及设计缺陷分析

1.1 混凝土保护层厚度

常见病害：混凝土保护层不仅能保证钢筋与混凝土的粘结作用，同时也能防止外界有害介质的侵入，保护钢筋。混凝土保护层厚度不足，开裂或剥落，将导致钢筋外露乃至锈蚀，严重影响桥梁结构的耐久性。但是保护层过厚，将增大构件表面收缩及温度裂缝产生的概率。因此，对混凝土桥梁设置合理的保护层厚度对结构耐久性意义重大。

设计缺陷：我国混凝土保护层厚度规定是相应环境情况下的最低要求，设计者往往会因为经济性因素取最小保护层厚度作为设计值，未考虑结构的耐久性。同时大多数桥梁混凝土保护层构造设计除了考虑到保护层厚度的确定及控制措施外，对由于混凝土自收缩受到钢筋限制而产生的裂缝对混凝土保护层的影响研究不足，且缺乏较为系统的研究不同设计基准期，混凝土保护层的合理设置原则。

1.2 横隔梁（板）构造

常见病害：横隔梁（板）属于横向连接构造，使主梁连成整体，加强其整体性，共同受力。但横向连接往往比较薄弱，在重载作用下，出现连接处混凝土剥落、构件表面裂缝等病害，继而加剧其他构件病害的恶性循环，急剧降低桥梁结构的耐久性。

设计缺陷：横向连接构造设计中对横隔梁（板）的构造尺寸应根据工程实际不同的情况有具体明确的确定方法，应明确确定横隔梁（板）的合理高度、厚度，应合理设计其截面，保证连接构件的刚度，增大受力。同时对横向连接处，连接构造形式的选择，应有明确的设计方案。

1.3 铰缝构造

常见病害：铰缝是梁体的薄弱环节，主要起传递剪力作用。铰缝出现开裂等病害会形成单板受力、横向连接开裂等破坏，严重影响行车安全。设计缺陷：铰缝设计强度理论中未考虑铰缝内横向拉应力对铰缝破坏的影响，铰缝构造尺寸对其内部应力分布状态未作深入的研究，同时，铰缝的破坏是否会影响混凝土的疲劳破坏，应作细致的研究，以在铰缝构造设计中，充分考虑其他因素的影响。

1.4 防排水构造

常见病害：桥面铺装层、伸缩缝等处的防排水构造设置不合理，将会导致积水直接排至梁体或支座上，引起梁体、支座等处混凝土腐蚀，进而加快钢筋的锈蚀，严重降低桥梁整体的耐久性。

设计缺陷：目前，设计人员对桥面铺装层的防水层材料的选取有所欠缺，选用的防水混凝土，属于刚性防水材料，容易出现裂缝，从而大幅度降低其防水性能。[2]而在重视桥面铺装防水层的同时，却忽略了其他防水设施设置的合理性以及人行道范围内的桥面防水防渗，从而引发桥梁结构出现防排水问题。

1.5 可检修更换构造

常见病害：如在设计时，未充分考虑可检修、可更换的因素，缺少相应的构造设置，或检修空间不够，不仅给桥梁的日常养护和维修带来很多不便，也会在一定程度上影响桥梁的耐久性。如支座、伸缩缝以及排水系统等处的检查、更换。

2 提高耐久性的构造设计原则

2.1 提高桥梁设计标准

桥梁结构设计规范应将环境作用下桥梁细部构造的耐久性与荷载作用下结构的安全性视为同等重要。相应增加定量的指标规定，与目前的社会环境与时俱进。在整体方案比选时，除了考虑施工技术和经济指标外，还应对桥梁耐久性的相关指标和构造细节加以考虑，以保证桥梁整体的耐久性。[3]

2.2 保证施工的可行性

桥梁细部构造的设计应保证施工的可行性，设计时应立足于目前正常的施工水平，满足施工需要，使施工方能采用成熟、方便的施工工艺和方法，保证施工的质量，以达到设计时细部构造的预想性能及提高桥梁的耐久性。

2.3 加强维修养护

桥梁运营中的检测和养护维修是保证桥梁正常运营的必要条件，而细部构造的耐久性与合理地使用、检修息息相关。在使用过程中如缺乏桥梁细部构造的养护规划，隐患发现不及时或不加重视，小损伤、小病害维护处理不及时，随着时间的推移，小病害将会积累成大问题，将严重影响桥梁的耐久性。因此，设计时应对桥梁的细部构造如伸缩缝、接缝、桥梁防水等部位设计成易于维护检修的结构，便于修理更换，以提高桥梁整体的耐久性。

3 构造设计措施

3.1 保护层厚度构造措施

在设计混凝土保护层厚度时，应结合实际工程环境，充分考虑设计基准期及由于混凝土自收缩受到钢筋限制而产生的裂缝对混凝土保护层的影响，综合考虑构件承载力、施工水平和耐久性需要，合理设计混凝土保护层厚度。[4]在其导致的混凝土结构表面裂缝宽度增大的许可范围内，可适当增加混凝土保护层厚度。

3.2 横隔梁（板）构造措施

为了保证各主梁之间有足够的横向连接，横隔梁（板）设计时应适当加密，且截面尺寸的设置及内部钢筋的布置形式应合理，确保传力路径简捷、明快。应加大构造钢筋的配筋率，采用细、密的配筋原则，并且应在新旧混凝土结合面进行适当的构造处理。

3.3 铰缝构造措施

改善铰缝受力状态提高铰缝抗剪能力的主要措施是增加铰缝钢筋，防止纵向开裂，适当加大铰缝设计尺寸，施工时保证铰缝混凝土的密度和强度，保证新旧混凝土之间的粘结和抗剪能力，且应做好铰缝构造防水措施。

3.4 防排水构造措施

应改进更新防水层所用的材料，或选用防水混凝土的同时再增加一层防水层，以保证结构的防水性能。同时，所有截面均应设有排水措施，合理设置防水层的厚度及排水坡度，选用适当的排水方式，尽快排水，以提高桥梁的防排水性能。

3.5 可检修更换构造措施

根据桥梁的养护维修经验，病害越早发现，及时整治，所需费用就越少，并且不会影响结构的耐久性。在不同的环境和使用条件下，除了采用合理的结构布局和构造细节设计外，还应考虑后期养护，给使用寿命低于结构使用寿命期的部件留有足够的检修空间，易查易修。因此，在设计阶段，就必须将构件的可检、可修和可更换加以考虑，并采取相应的措施，以方便桥梁在使用过程中的维护。