基于耐久性視角研討公路橋梁設計要點

宋洪霞

（滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北滄州061000）

基于耐久性視角研討公路橋梁設計要點

宋洪霞

（滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北滄州061000）

耐久性是衡量公路橋梁設計的主要指標之一，對橋梁工程的社會效益和經(jīng)濟效益有直接的影響，如果橋梁設計的耐久性不達標，將會對行人和車輛安全造成極大的威脅。為有效解決公路橋梁的耐久性問題，論文在分析有關(guān)公路橋梁耐久性影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他公路橋梁工程的設計經(jīng)驗，針對橋梁的耐久性問題，提出相關(guān)的設計建議。

公路橋梁；設計；耐久性

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

1 公路橋梁耐久性影響因素分析

影響公路橋梁耐久性的因素，常見的有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、侵蝕性介質(zhì)幾種。

1.1 鋼筋銹蝕

公路橋梁建設，鋼筋是主材之一，同時使用的還有混凝土。初期使用的混凝土，其孔隙內(nèi)的Ca（OH）2溶液處于相對飽和狀態(tài)，覆蓋在混凝土內(nèi)的鋼筋，在Ca（OH）2溶液覆蓋范圍內(nèi)，表面會形成預防銹蝕的鈍化狀保護層。但隨著公路橋梁的長時間使用，覆蓋于鋼筋上面的混凝土，受到外界荷載和氣候變化的影響，以及混凝土化學性質(zhì)的潛移變化，會逐漸出現(xiàn)大小不一的裂縫，成為侵蝕性物質(zhì)滲入的通道，Ca（OH）2溶液的濃度也會因此被稀釋，原先起到鋼筋的保護作用逐漸削弱，某些部位的鋼筋失去保護后，就會發(fā)生銹蝕。據(jù)筆者了解，造成鋼筋銹蝕的主要化學成分是氯離子，只要游離狀態(tài)的氯離子超標，并達到一定的臨界值，就會和鋼筋的鐵離子產(chǎn)生化學反應，生成鐵銹（見圖1）。

圖1 混凝土橋梁鋼筋銹蝕示意圖

受到侵蝕影響的鋼筋，受力面面積縮小，不僅強度降低，與混凝土間的膠結(jié)作用也會變?nèi)?，最后鐵銹的膨脹張力和混凝土的約束力抗衡，當前者超過后者，橋梁的耐久性就會越變越弱，最終會嚴重影響到橋梁的承載能力[1]。

1.2 凍融循環(huán)

已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的橋面，或者由于質(zhì)量不過關(guān)，橋面的孔隙、毛細孔數(shù)量比較多，滯留在橋面的冰霜融化后，會逐漸滲透進橋梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。滲入的水分來不及消散，假設外界溫度突然下降，這些水分會結(jié)冰膨脹，產(chǎn)生的膨脹力和混凝土

的約束力抗衡，當前者超過后者，會緩緩破壞橋面的混凝土結(jié)構(gòu)，這個水分凍結(jié)和融化的交替過程稱之為凍融破壞。

凍融循環(huán)的破壞，出現(xiàn)的時間具有周期性特征，對公路橋梁的破壞影響非常直接和嚴重，如果凍結(jié)的水分不融化，其凍脹破壞的影響就會越大，使得橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能和保溫性能變?nèi)酰踔習е聵蛄航Y(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生風化現(xiàn)象。據(jù)筆者了解，橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)，大約在經(jīng)過2000次凍融循環(huán)之后，整體結(jié)構(gòu)將損失5%的質(zhì)量，彈性模量和強度也會大幅度降低。而這些指標，都是橫梁公路橋梁耐久性的重要標準，但這些指標變?nèi)鹾?，說明橋梁的耐久性已經(jīng)達不到預期標準。

1.3 侵蝕性介質(zhì)

侵蝕性介質(zhì)，指的是自然界中的各種化學物質(zhì)，譬如酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)、壓力流動水等，當環(huán)境變化，這些化學物質(zhì)就會直接影響公路橋梁，譬如溶出性侵蝕、溶解性侵蝕和膨脹性侵蝕等，削弱其耐久性能，破壞橋梁的穩(wěn)定和承載性能。受到侵蝕性介質(zhì)影響的公路橋梁，其破壞形式見圖2。

圖2 侵蝕破壞的疲勞裂縫形式

在所有的侵蝕性介質(zhì)當中，酸性物質(zhì)的侵蝕性破壞力最大，尤其是酸雨降雨量比較大的區(qū)域，短時間內(nèi)集中破壞混凝土表面，長時間則會滲入混凝土內(nèi)部，進一步破壞混凝土內(nèi)部及其內(nèi)部的鋼筋，影響橋梁的耐久性。

2 提高公路橋梁耐久性的設計思路

為防控鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)及侵蝕性介質(zhì)對公路橋梁耐久性的破壞影響，下面將從設計的角度，研討提高公路橋梁耐久性的設計方法。

2.1 預防鋼筋銹蝕設計

混凝土的合理選擇，是預防公路橋梁鋼筋銹蝕的重要手段。除了材料選擇，配合比設計，同樣是確保混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。（1）選擇最為合適的水灰比，控制混凝土內(nèi)部毛細孔的數(shù)量，建議盡可能減少活性骨料的選擇，以非活性骨料代替；（2）堿含量較低水泥的選用，同時在攪拌水泥時，加入適量的引氣劑，雙重的設計保障，即可有效保護鋼筋；（3）鋼筋的使用，有必要在除銹后，進行防腐處理，通過實驗，檢驗混凝土表面是否存在損傷狀態(tài)，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設計的使用年限，設定結(jié)構(gòu)的鋼筋保護率。完成以上設計后，橋梁結(jié)構(gòu)的橫向正應力和荷載橫向位置關(guān)系見圖3。

圖3 橋梁橫向正應力和荷載橫向位置關(guān)系

基于圖3所顯示的橫向正應力和荷載橫向位置關(guān)系，在設計時，有必要強化鋼筋與模板的結(jié)合程度，確保在混凝土澆筑和振搗時，能夠減少鋼筋的位移狀況。至于連接件和緊固件等，由于暴露在混凝土外，也要重點做好防腐措施[2]。除此之外，伸縮縫的設計，要根據(jù)橋梁的設計年限，圍繞結(jié)構(gòu)的適用性標準，同步進行橋面結(jié)構(gòu)和橋臺的防腐，設計出足夠數(shù)量的排水通道。

2.2 預防凍融循環(huán)設計

考慮到混凝土裂縫，是提供凍融循環(huán)的破壞通道，在預防凍融循環(huán)的設計中，首要前提是徹底解決橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫問題[3]。一方面是配筋控制，橋梁結(jié)構(gòu)的界面，配筋率要合理，既不能太多，也不能太少，太多會影響混凝土的澆筑和振搗，太少則起不到結(jié)構(gòu)保護效果。應該根據(jù)混凝土保護層的厚度，以及所選用鋼筋的直徑大小，分析每個截面面積的鋼筋含量，如果所選用鋼筋直徑太小，則要增加適當數(shù)量的鋼筋數(shù)量，確保構(gòu)件抗裂強度達標。橫隔板與U肋的連接形式見圖4。

除此之外，橋梁所使用的碎石粒徑和其他材料性能等，在規(guī)格方面同樣有著嚴格要求，可參照以下標準：顆粒不大于0.075mm的材料顆粒，重量比不能超過5.0%；壓實后，材料顆粒的重量比，不能超過7.0%。為減少地表水和地下水侵入混凝土內(nèi)部，在混凝土的表面，要加入隔水材料，阻斷外界水分滲透的通道，并在結(jié)構(gòu)的表面，合理布排排水系統(tǒng)，確保在地

表水郁積時，能夠在短時間內(nèi)排離混凝土結(jié)構(gòu)主體的表面。

圖4 橫隔板與U肋的連接形式

2.3 預防侵蝕性介質(zhì)影響設計

侵蝕性物質(zhì)的客觀存在，我們無法進行消除，但可通過使用環(huán)境的控制和后期養(yǎng)護，提前做好預防侵蝕性介質(zhì)影響的設計工作。侵蝕性介質(zhì)主要在環(huán)境變化影響后，才會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響，想要徹底消除侵蝕性介質(zhì)的不良影響，首要前提是做好環(huán)境保護工作。在進行橋梁設計時，就要提前做好環(huán)境保護工作，盡可能減少對環(huán)境的破壞影響。再如水灰比的適當控制，增強混凝土的密度水平，阻斷二氧化碳侵入的數(shù)量，即可降低混凝土碳化的速度。在控制混凝土使用環(huán)境后，橋梁的橫向正應力狀態(tài)見圖5。

圖5 控制使用環(huán)境后橋梁的橫向正應力和荷載橫向位置關(guān)系

在材料選擇方面，可充分考慮材料的抗腐蝕性，如鎂氧水泥、礦渣水泥等，含有一定量的抗腐蝕介質(zhì)，同時還可以在混凝土澆筑后，在其表面均勻噴灑防腐的抗?jié)B砂漿，這些都是預防侵蝕性介質(zhì)腐蝕的重要舉措。在后期養(yǎng)護中，固定時間檢修橋梁，可利用現(xiàn)代化的檢測，參照有關(guān)的監(jiān)控機制，實施監(jiān)測橋梁的耐久性狀態(tài)，為橋梁質(zhì)量防治工作，提供實時依據(jù)。

3 結(jié)語

通過研究，基本明確了如果通過公路橋梁的設計，提高橋梁耐久性的方法及相關(guān)建議措施，原則上可供其他公路橋梁設計工作參考借鑒，但考慮到不同公路橋梁的耐久性要求不同，以及設計主客觀環(huán)境的差異性，以上方法在其他橋梁設計工程中，務必緊扣有關(guān)工程實際情況，予以靈活地參考借鑒。

【1】吳立朋，楊進波，閻培渝.混凝土抗氯離子滲透性PERMIT試驗方法改進及工程應用[J].應用基礎(chǔ)與工程科學學報，2012（2）：304-310.

【2】盧連連.基于灰色理論的在役橋梁剩余使用壽命預測及改建方案評價[D].重慶:重慶交通大學，2008.

【3】劉珊.淺談公路橋梁伸縮縫的病害及養(yǎng)護管理[J].中國科技博覽, 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，河北滄州人，工程師，從事公路、橋梁設計與研究，（電子信箱）154900388@qq.com。