浅析桥梁设计中的耐久性问题及对策

2019-07-24赵佳

商品与质量 2019年16期

赵佳

陕西交通公路设计研究院有限公司陕西西安 710000

耐久性，是指在设计确定的环境作用和养护、使用条件下，结构及其构件在设计使用年限内保持其安全性和适用性的能力。近年来，由于各种原因导致公路桥梁耐久性不足的现象频频发生。耐久性不足，主要表现为桥梁抵抗风化、机械摩擦、化学侵蚀的能力下降，上、下部结构或附属构件性能降低或失效，桥梁过早劣化，出现病害，甚至造成严重的坍塌。这无疑极大增加了桥梁的维修难度和养护成本，对其安全运营造成巨大隐患，严重的病害甚至会引发较大事故，造成无法挽回的损失和恶劣的社会影响。

1 影响桥梁耐久性的因素

1.1 设计理念和水平的因素

虽然目前我国规范中提到了桥梁设计应考虑耐久性的概念，但对于如何进行耐久性分析未做明确阐述，而且设计过程往往只考虑满足规范上结构强度要求的安全度需要，忽视耐久性设计（包括量化使用寿命、考虑可更换性、根据蜕化机理选择材料、合理配筋、施工控制等）。同时，设计人员的水平高低也是不可忽视的因素，桥梁的耐久性问题属于各类知识综合影响的范畴，因此设计人员的知识储备，施工养护经验，综合统筹能力的好坏，都将直接影响着设计成果的合理性、科学性[1]。

1.2 钢筋混凝土构件的裂缝因素

目前我国绝大多数桥梁仍为钢筋混凝土结构，而此类桥梁的使用过程中，混凝土构件裂缝是一个普遍存在的现象，而且是不可避免的，我国的混凝土桥梁设计中，也是考虑桥梁带裂缝（规范规定的裂缝宽度）工作的，但随其长期使用，在较差的工作环境及荷载的不断作用下，裂缝加速发展，其带来的危害越来越大，表现在钢筋的加速锈蚀，且这种相互作用引发“锈蚀→开裂→再锈蚀”的恶性循环，导致纵、横向裂缝发展、保护层剥落等病害出现，弱化钢筋与混凝土的协调工作，会对结构产生不利影响。

1.3 桥梁的工作环境因素

我国幅员辽阔，工程环境多样，桥梁所处的不同环境，会直接影响其耐久性。比如冻融循环的影响、侵蚀性介质的影响、水流冲刷的影响等，这些因素对混凝土密实程度的降低，对钢筋的锈蚀，对构件表面的破坏，都是持续性的、逐步加深的，如设计阶段考虑不周或不及时采取应对措施，则桥梁的耐久性将大为下降，使用寿命明显减少。

2 提高桥梁耐久性的对策

2.1 更新设计理念，提高设计水平

首先，桥梁设计中，应选择科学的内力计算方法。传统方法主要侧重于桥梁极限使用状态下的内力分析，对正常使用状态下的疲劳破损和老化情况缺乏考虑，而以可靠性理论为基础的概率极限设计方法作为前沿的内力分析方法，能详细、全面的反映各耐久性影响因素的变化规律，统一工程结构可靠性概率的时间界限，定量评价桥梁耐久性，以利于相关参数取值及后期维护的便利，使得设计过程趋于合理。其次，引入全寿命周期的设计理念，从规划、可研、设计、施工、运营及维护的角度共同出发，科学界定永久性构件和非永久性构件，对于永久性构件，应充分考虑其在各类荷载、环境、有害化物侵蚀的作用下，通过截面设计、钢筋布置、材料选择、附加措施等方法，保证其在设计使用年限内的耐久性，对于非永久性构件（指在现有技术条件下，使用年限无法满足桥梁设计使用年限的构件），比如橡胶支座、伸缩缝、护栏、拉索等，往往需要在桥梁使用过程中进行更换，对于此类构件，应侧重考虑其可更换性和经济性[2]。再次，设计中应充分考虑环境因素，结合地形地貌及其他自然因素，桥位选择及布孔遵循因地制宜、协调环境的原则，减少桥梁受水流冲刷、落石坍塌等因素影响。

2.2 有效控制裂缝因素

对于钢筋混凝土结构桥梁的裂缝问题，应从材料选择、构件设计和结构措施三方面进行考虑，如表1所示：

表1

针对各类指标因素对钢筋混凝土构件的不同影响，可形成具体对策：①分析桥梁环境，明确构件混凝土水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量、最大碱含量的取值（如处于III类或IV类环境，则主要受拉钢筋建议采用环氧树脂涂层钢筋，预应力钢筋、锚具及连接器也应采取专门防护措施）；②明确设计抗冻等级和抗渗等级（如采用高品质水泥材料，添加外加剂）；③设计采用受力合理的构件截面；④调整接缝宽度（如预应力混凝土箱梁湿接缝宽度宜控制在30-70cm之间）；⑤合理布置钢筋，保证保护层厚度，确保钢筋间距合理（既不会因为过大而导致的粘接力不强，也不会因为过小而影响混凝土振捣密实）；⑥严控施工工艺（例如预应力施工时采用智能张拉系统，能有效控制梁体裂缝的发生）；⑦其他防腐、防水措施[3]。

2.3 加强监测与养护

应重视疲劳损伤的研究，重视桥梁耐久性评估及监测。应用数字化、科学化的耐久性评估方法，对桥梁寿命定量化、层次化分析，在设计阶段考虑后期监控、维护方案，提前设置监测点位，检修人孔。对于桥梁附属结构方面，例如支座，设计时应选择纵横向约束合理的支座，有效释放应力，同时选择受力性能好、寿命长的材料，还应兼顾后期的更换方案；例如伸缩缝，应选择整体型好、高刚度、高耐久性的梳齿板型，采用耐候钢材料，减少对伸缩缝的更换次数。还应重视桥梁使用期间各构件的监测工作，定期检查桥梁主体（梁体、墩柱、基础等）、附属设施（护栏、伸缩缝、支座、斜拉索等）的使用状况，针对发生或可能发生的病害早发现、早治理，有效延长桥梁寿命。