混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題與優(yōu)化對(duì)策分析

于國功

（河北省高速公路京衡管理處,石家莊 053020）

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題與優(yōu)化對(duì)策分析

于國功

（河北省高速公路京衡管理處,石家莊 053020）

目前，我國處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，城市化進(jìn)程日益加快，城際間交通對(duì)橋梁的需求不斷增加。橋梁構(gòu)建的重要指標(biāo)為耐久性問題，耐久性關(guān)系到橋梁的合理使用、養(yǎng)護(hù)成本和后期維護(hù)等方面?！痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50476—2008）明確規(guī)定了橋梁的使用周期、用途和不同環(huán)境的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)。論文從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析角度出發(fā)，分析（混凝土）斜拉橋開裂、（混凝土）梁式橋下?lián)?、（正交異性）鋼橋面疲勞裂縫問題，主要涉及（混凝土）梁抗裂、（正交異性）鋼橋面優(yōu)化、橋梁耐久性保障等方面內(nèi)容。同時(shí)，回顧性分析國內(nèi)、外橋梁破壞事故原因，并基于橋梁監(jiān)測、控制和設(shè)計(jì)規(guī)范的安全性優(yōu)化對(duì)策。

耐久性；安全性；橋梁事故；橋梁結(jié)構(gòu)

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

1 前言

目前，國內(nèi)混凝土建筑的使用壽命在30～40a，之后需要大面積修繕才能持續(xù)使用。其中，處于熱帶風(fēng)暴、海風(fēng)侵蝕的東南沿海建筑[1]，其使用壽命為35a左右。部分建筑工程使用12～15a就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土裂紋和結(jié)構(gòu)組件剛性降低等問題，形成大量混凝土固體垃圾?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)屬于現(xiàn)代施工技術(shù)范疇，可以有效地減少工程的后期隱患的發(fā)生率，保證建筑的可持續(xù)使用。

2 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題分析

良好的耐久性可以提高混凝土橋梁的抗風(fēng)化能力，降低所處環(huán)境對(duì)橋梁的侵蝕率，延長橋梁的使用周期。因此，耐久性是橋梁的整體性能的體現(xiàn)。優(yōu)良的混凝土構(gòu)建，處于正常環(huán)境中，可以表現(xiàn)出原有的外形、剛性和質(zhì)量，并發(fā)揮相應(yīng)的現(xiàn)役功能?！痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50476—2008），中明確規(guī)定[2]：現(xiàn)役橋梁的使用周期＞100a，甚至更長時(shí)間。然而，事實(shí)上，現(xiàn)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設(shè)計(jì)周期的1/2，就出現(xiàn)不同程度的疲勞裂縫、構(gòu)建剛性降低和主要拱下?lián)系葐栴}。

2.1 混凝土斜拉橋出現(xiàn)裂縫

自1975年我國建立第一座斜拉橋以來，已經(jīng)先后建造248座斜拉橋，92%以上采用鋼筋混凝土主梁。目前，國內(nèi)（混凝土）斜拉橋均出現(xiàn)主梁開裂的問題。2015年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：（混凝土）斜拉橋開裂主要為4種形式[3]，頂板裂縫占42%，底板裂縫占32%，腹板裂縫占21%，隔板裂縫占4%。上述橋梁使用年限處于11～26a之間，平均年限為8.4a±2.1a，遠(yuǎn)低于預(yù)期100a的設(shè)計(jì)要求。

（混凝土）斜拉橋出現(xiàn)裂縫主要是以下兩方面原因：一是主觀原因，初期設(shè)計(jì)不足、構(gòu)造不合理、材料使用不當(dāng)，以及施工監(jiān)管不利等；二是客觀原因，重型卡車通過率增加、混凝土伸縮比例過低，以及所處環(huán)境的多變等。雖然專家們對(duì)上述原因?qū)е碌牧芽p進(jìn)行了大量的實(shí)際調(diào)查和分析，但仍然難以得出一般性解釋結(jié)論。我國混凝土斜拉橋出現(xiàn)裂縫情況見表1。

表1 我國主要混凝土斜拉橋出現(xiàn)裂縫統(tǒng)計(jì)表

2.2 混凝土梁式橋出現(xiàn)下?lián)?/p>

中型、大型跨度橋梁采用梁式結(jié)構(gòu)，分為連續(xù)式預(yù)應(yīng)力混凝土橋、連續(xù)式混凝土鋼構(gòu)橋，跨度范圍為[100，300]m，連續(xù)式混凝土鋼構(gòu)橋適合大型跨度橋設(shè)計(jì)。目前，我國擁有連續(xù)式預(yù)應(yīng)力混凝土橋（＞200m），諸如，虎門大橋復(fù)航道橋（1997建）。連續(xù)式預(yù)應(yīng)力混凝土橋的耐久性問題在于主跨出現(xiàn)大幅度下?lián)蟍4]，其原因?yàn)闃?gòu)建變形、梁體開裂。然而，連續(xù)式預(yù)應(yīng)力混凝土橋出現(xiàn)下?lián)蠁栴}，是全世界建筑行業(yè)面臨的問題，其主要通過拱度預(yù)設(shè)的方式進(jìn)行控制，例如，瑞典通過提高0.5%的預(yù)留撓度進(jìn)行控制。下?lián)蠁栴}一旦出現(xiàn)，很難進(jìn)行有效恢復(fù)，諸如，美國曾經(jīng)出現(xiàn)下?lián)霞庸踢^程中，出現(xiàn)重大坍塌事故。

2.3 正交異性鋼橋面疲勞

正交異性鋼橋面最早由德國工程師提出，其主要是借助當(dāng)時(shí)軍艦船舶甲板構(gòu)造，設(shè)計(jì)出來的鋼面橋梁。正交異性鋼橋面要求橋梁表面鋼板厚度＜10mm，周圍采用縱肋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)縱肋之間進(jìn)行橫隔連接。然而，正交異性鋼橋面在使用過程中，會(huì)出現(xiàn)面板逐漸暴漏、縱向肋焊接疲勞裂縫問題，嚴(yán)重影響橋梁的正常使用。例如，我國的廣東省虎門大橋，其采用正交異性鋼橋面設(shè)計(jì)，各個(gè)縱肋之間連接扁平鋼箱梁（d：35.6m，h：3.0m），鋼板厚度l：12mm，并進(jìn)行間距：620mm、厚度：8mm的U肋結(jié)構(gòu)加固。在廣東省虎門大橋使用過程中，橋梁的橫隔、縱肋之間出現(xiàn)不同程度縫隙，位置如圖1所示。

圖1虎門大橋正交異性鋼裂縫類型

圖1所示，A型疲勞裂縫為頂板裂縫，開裂方向?yàn)轫敯澹v向）U型肋鋼面底部鋼面頂部。B型疲勞裂縫為腹部裂縫，頂板U型肋U型肋彎曲位置。D型疲勞裂縫為U型肋裂縫，開裂方向?yàn)閁型肋橫隔連接處[5]。E型疲勞裂縫為橫隔裂縫，裂縫方向?yàn)閁型肋橫隔橫隔斜向方。

圖2 虎門大橋車輛重軸分布結(jié)果

正交異性鋼橋面出現(xiàn)裂縫的主要原因?yàn)椋簶蛎娉休d過多運(yùn)輸量，諸如，車輛密度提高，車軸重量增加等。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：虎門大橋（見圖2）自2005年～2010年，日交通量由14840輛增加至124 140輛，增長系數(shù)為5.1，橋面車道承受1.56億次運(yùn)輸，超過0.56億次額定強(qiáng)度。

圖2顯示：虎門大橋車輛重軸分布為50kn、150kN和420kN，而橋梁預(yù)設(shè)計(jì)重軸為200kN，實(shí)際重軸超過預(yù)設(shè)重軸的1倍以上。通過深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)：虎門大橋疲勞裂縫主要出現(xiàn)在大型車道上，特別是重型卡車車道上。卡車承載量大、通過密度高，相對(duì)來說鋼面板比較薄，表面瀝青出現(xiàn)破損后，增加了車輛對(duì)橋體的沖擊。上述綜合結(jié)果，使得虎門大橋由初期的疲勞裂縫到后期的疲勞破壞。

3 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性優(yōu)化對(duì)策

隨著橋梁坍塌事故的不斷出現(xiàn)，國內(nèi)外建筑行業(yè)越來越重視橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)[6]，特別是混凝土梁抗裂優(yōu)化、正交異性鋼橋面優(yōu)化和橋梁耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 混凝土梁優(yōu)化對(duì)策

單一橫梁設(shè)計(jì)不能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的自然環(huán)境和使用需求，綜合的橋梁設(shè)計(jì)可以增加橋梁的使用范圍，諸如結(jié)合梁。結(jié)合梁作為一種混凝土梁的優(yōu)化手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土梁的抗裂優(yōu)化。例如，浙江寧波的甬江大橋，預(yù)設(shè)跨度（468m），屬于混凝土斜拉橋，橋體截面如圖3所示，為雙邊主肋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

圖3 甬江大橋橋體截面示意圖

初期專家評(píng)審過程中，專家不建議采用雙邊主肋混凝土截面設(shè)計(jì)，主要是考慮該橋型的耐久性問題。經(jīng)過反復(fù)協(xié)商，采用結(jié)合梁設(shè)計(jì)，即在鋼箱梁位置進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土板加固。同時(shí)，鋼箱梁具有可替換的優(yōu)點(diǎn)，大大提高甬江大橋的結(jié)構(gòu)耐久性(見圖4)。

圖4 雙邊主肋混凝土與鋼箱梁結(jié)合示意圖

3.2 正交異性鋼橋面優(yōu)化對(duì)策

目前，我國普遍存在卡車超載問題，特別是重型卡車，其嚴(yán)重影響橋梁的耐久性。車輛超載問題不能在短期內(nèi)解決，在全球范圍內(nèi)也不具備普遍性，只是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的階段性產(chǎn)物。為了保證正交異性鋼橋的正常使用，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。例如，在保證橋面耐久性的基礎(chǔ)上，增加兩側(cè)重型車道的鋼板厚度，由12mm增加到16mm[7]。

3.3 大型橋梁的耐久性優(yōu)化對(duì)策

我國處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)期，橋梁建筑規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度日益增加，功能需求不斷提高。在此背景下，混凝土橋后期的養(yǎng)護(hù)、替換和加固等問題隨之出現(xiàn)。在20世紀(jì)70年代，國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)者吸取國外橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)我國國情，分析混凝土橋的耐久性問題、替換性問題和經(jīng)濟(jì)性問題，并深入分析不同環(huán)境對(duì)橋梁的損害。橋梁耐久性的本質(zhì)是滿足社會(huì)需要和合理利用問題，也就是橋梁結(jié)構(gòu)的使用周圍問題?！兑?guī)范》中明確規(guī)定，我國現(xiàn)役混凝土橋梁的耐久性要符合標(biāo)準(zhǔn)，其使用周期＞100a，甚至更長時(shí)間。部分投資巨大的超大型橋梁，或者跨海大橋，諸如，荊沙江大橋，其預(yù)設(shè)計(jì)使用周期應(yīng)該為150～200a。在橋梁設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行整體需求預(yù)測，并制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于設(shè)計(jì)師來說很難。這主要是由于社會(huì)不斷發(fā)展、自然環(huán)境不斷變化，以及橋梁自身退化程度等諸多因素的存在。然而，設(shè)計(jì)師可以在橋梁使用過程中，進(jìn)行不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)橋梁的可持續(xù)使用。因此，在橋梁設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)者要充分考慮橋梁中期施工的檢驗(yàn)、可控，以及后期使用的維護(hù)、替換、檢驗(yàn)，所以要具有設(shè)計(jì)拓展功能。

由于橋梁在使用過程中，各個(gè)構(gòu)架相對(duì)獨(dú)立，使用頻率和壽命不完全相等，所以構(gòu)建要具備可查、可檢、可修和可換的特點(diǎn)。諸如，橋梁橡膠墊的使用周期為20a，斜拉索護(hù)套為10a，斜拉索鋼絲為40a，結(jié)構(gòu)油漆為15a[8]，需要進(jìn)行不斷加強(qiáng)、替換。在自然、化學(xué)等外界因素作用下，橋梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)形變，所以要進(jìn)行不斷的維修、加固，以保證橋梁的耐久使用。橋梁耐久性要兼顧使用功能、技術(shù)和成本，在施工階段體現(xiàn)材料、施工的技術(shù)優(yōu)勢，在使用階段體現(xiàn)簡單、易換的功能優(yōu)勢，在維護(hù)階段要體現(xiàn)低廉、易購的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4 結(jié)語

混凝土橋梁耐久性問題為階段性問題，體現(xiàn)在初期設(shè)計(jì)、中期施工和后期維護(hù)方面，其需要參照《GB50076—2008》進(jìn)行相應(yīng)操作。事實(shí)上，我國有關(guān)橋梁耐久性的規(guī)定尚不標(biāo)準(zhǔn)，需要在總結(jié)相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善。目前，我國橋梁界要客觀、準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)和分析國內(nèi)出現(xiàn)的破壞性事故，并分析相應(yīng)的原因，提出有針對(duì)性的解決對(duì)策。同時(shí)，針對(duì)橋梁出現(xiàn)的疲勞裂縫、鋼筋銹蝕和橋面開裂等結(jié)構(gòu)耐久性問題，采用科學(xué)的評(píng)估方法進(jìn)行分析，有針對(duì)性地進(jìn)行維護(hù)、加固和替換，實(shí)現(xiàn)橋梁的可持續(xù)使用。

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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

于國功（1975～），男，河北井陘人，高級(jí)工程師，從事高速公路管理研究，（電子信箱）js8834@163.com。