桥梁结构耐久性的影响因素及优化设计

2022-05-11曾学张林鹏黄萍熊志朋

交通世界 2022年11期

曾学，张林鹏，黄萍，熊志朋

（江西省交通科学研究院有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

桥梁是公路、铁路建设领域的重要组成部分，提高桥梁建设品质有助于推动交通运输事业的发展，给社会经济发展提供坚实的基础。但桥梁所处环境复杂，随着使用时间的延长，桥梁结构易发生老化，严重威胁结构的耐久性，埋下安全隐患。为此，必须从源头上予以防控，首先需明确桥梁结构耐久性影响因素，再进一步做好优化设计工作，提高桥梁的耐久性。

1 桥梁结构耐久性影响因素

1.1 施工材料劣化层面

桥梁结构的核心材料为混凝土、钢筋，其质量是影响结构耐久性的关键。混凝土、钢筋的质量缺陷形式多样，具体如下。

（1）混凝土碳化

大气中含CO2，其与水接触后发生反应生成碳酸，然后与桥梁结构的碱性物质接触，酸碱中和后使混凝土的pH 值降低，即发生碳化反应，产生的CaCO3溶解性较差，有膨大的变化趋势（体积增大约17%），此时碳化物可能填入混凝土凝胶孔隙内，随着反应的持续发生，混凝土孔隙比降低。此外，碳化反应会加重混凝土脆性。可见，碳化反应对混凝土耐久性的影响具有多重性，其中最显著的为pH 值降低。在该异常的pH 值环境中，钢筋有锈蚀和钝化的现象。归结来看，桥梁结构碳化主要受材料特性和外界环境两部分的影响，具体又可细分为多类影响因素，各自有其特定的影响机制，如表1所示。

表1 混凝土碳化影响因素及影响机制

表1（续）

（2）混凝土冻融损伤

混凝土含水量达到冻胀临界值时，桥梁结构可能出现冻融破坏现象。此外，反复交替正负温度会加大结构冻融破坏的发生概率，或扩大其影响范围。究其原因，在高温、低温的反复作用下，孔隙水受冻胀压力和渗透压力的作用，混凝土表面会出现冻胀及剥蚀破坏问题，混凝土性能随之受到影响，具体表现为强度降低、弹性模量降低等。

（3）钢筋锈蚀

正常状态下，混凝土呈碱性，钢筋表面有一层钝化膜，起防护作用，可避免钢筋受腐蚀。但电化学反应的发生，原本存在于钢筋表面的钝化膜受损，防护作用减弱，钢筋表面生锈；由于防护功能的缺失，氯离子逐步渗入混凝土内部，随着游离状氯离子含量的增加，待其超过临界浓度时，钢筋在短时间内快速锈蚀，威胁到混凝土结构的稳定性。

1.2 裂缝的影响

构造裂缝是桥梁结构使用过程中难以避免的质量缺陷，并且随着使用时间的延长，在内外部因素的共同作用下，裂缝数量会不断增加、影响范围变大。微细裂缝对桥梁结构的影响较为微弱，不会对桥梁结构的耐久性等工程性能造成明显的影响，但随着微细裂缝的发展，达到一定的宽度后，将诱发混凝土碳化、冻融损伤等问题，必然对桥梁耐久性造成影响。裂缝对桥梁结构的具体影响如下。

（1）加速混凝土碳化

裂缝使桥梁抗疲劳性能减弱，易出现大范围的剥落问题。

（2）加剧冻融损伤

裂缝使桥梁结构完整性不足，为水的渗入提供了通道。冬季环境温度较低，气温在0℃以下时，裂缝内的水冻结成冰，迫使混凝土结构冻胀开裂。

（3）加剧钢筋锈蚀

由于裂缝的存在，CO2和Cl-更易进入桥梁结构内部，此时钢筋表面的化学反应较为剧烈，往往有明显的锈蚀现象。钢筋锈蚀程度与裂缝宽度密切相关，随着桥梁结构裂缝宽度的增加，钢筋锈蚀程度会不断加重。裂缝宽度未超过0.1mm 时，钢筋仅存在微弱的锈蚀现象；裂缝宽度超过0.2mm时，钢筋锈蚀加重，受钢筋质量问题影响，桥梁结构的耐久性削弱。

1.3 设计、施工层面

（1）设计层面原因

现阶段，诸如《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）等相关规范为桥梁设计提供了重要的引导，但就桥梁结构长期耐久性方面而言，缺乏系统性的规定，导致耐久性设计存在粗放化的问题。在设计中，设计单位通常从工程实际条件出发，选取类似的工程作为参考，但各桥梁的实际建设环境、使用环境不同，因此存在方法适用性不足的局限性。除此之外，设计中往往存在过于强调混凝土的强度、刚度等指标而对耐久性而言重视不足的问题。

（2）施工层面原因

除了生成完善的设计方案外，还需将方案中的工作内容落到实处，保证桥梁的耐久性。但在公路桥梁施工中，部分参建单位为赶工期而随意更改作业方法，例如在混凝土制备时掺入过量的早强剂、缩减混凝土养护时间，此时混凝土的耐久性会大打折扣。

2 桥梁结构耐久性优化设计

2.1 设计方法

耐久性极限状态是设计中必须考虑的条件。在此状态下，基于影响桥梁结构耐久性的因素构建宏观模型。在桥梁结构耐久性设计中，基于可靠度理论的桥梁极限状态法取得广泛的应用，其将各类影响因素视为随机变量，经过调查后掌握桥梁荷载、结构抗力等，进而根据数理统计理论，针对各随机变量的特性做出判断，确定桥梁的可靠度。在前述基础上，引入分项系数法进行计算，并满足如下条件：

式（1）中：γ0为桥梁结构重要性系数；S为作用效应组合设计；R为结构抗力随机函数；ad为结构几何设计值；fd为材料强度设计值。

经推导，确定桥梁结构耐久性失效方程：

式（2）中：R(t)为结构抗力随机过程；S(t)为结构荷载随机过程。

2.2 设计要点

（1）确定桥梁的建设等级

随着使用时间的延长，桥梁结构逐步趋于劣化，需要充分考虑到现场地质条件、气候条件、施工水平、车流量等因素，确定合适的建设等级。以沿海地区为例，需充分考虑桥梁结构的腐蚀性问题。理论上，桥梁建设等级越高，其耐久性越好。

（2）合理设置桥梁结构形式

桥梁结构体系的合理与否将在很大程度上对桥梁截面的应力分布状态带来影响，而随着应力状态的变化，桥梁的耐久性也不尽相同。因此，需要合理设置桥梁的结构形式。结构不连续段的钢筋布设难度较大，应力分布较为复杂，通常有应力集中现象，属于受力较为薄弱的区域。在桥梁结构设计中，应尽可能追求结构线形的简单化，减少棱角和突变，保证各钢筋均得到有效的包裹（不外露）。

（3）控制构造裂缝

桥梁结构裂缝的出现会给外部水等物质的进入提供通道，加剧混凝土和钢筋的劣化。鉴于此，在桥梁结构设计中，宜选择预应力形式，并控制构造钢筋的布设位置，避免间距过大。