淺論混凝土結構橋梁的耐久性設計
時間：
若木1由 分享
摘要：隨著城鄉(xiāng)建設的不斷發(fā)展，城市橋梁和公路橋梁的負荷越來越重，造成混凝土結構橋梁的不同程度的損壞；在設計和施工過程中不注重細部結構的設計也是造成橋梁耐久性的一個很重要的因素，這些問題的存在嚴重影響了橋梁的使用壽命，因而從多方面對混凝土結構的耐久性設計的分析和研究是非常必要的。
關鍵詞：橋梁負荷；使用壽命；混凝土結構；耐久性設計；橋梁細部構造
1 混凝土結構耐久性不足的主要原因
1.1 工程設計的耐久性標準低 結構設計規(guī)范主要考慮荷載作用下的結構安全性，環(huán)境作用下的耐久性設計處于次要的地位，有很多指標都是定性的規(guī)定，在一些細部構造設計方面存在一定的漏洞。規(guī)范中沒有設計壽命和耐久性設計的明確要求。規(guī)范在耐久性設計方面不能隨著今年來水泥的性能、施工條件、環(huán)境條件的巨大轉變而與時俱進。
1.2 工程施工過程中片面的追求施工進度 由于混凝土強度等級的提高和施工進度的加快，實際耐久性質量大幅度下降。在一些橋梁的混凝土施工中添加的早強劑，使其內部結構和后期強度發(fā)展不良，易開裂，耐久性降低。養(yǎng)護不良使表層混凝土的抗?jié)B性成倍降低，使鋼筋開始銹蝕的年限成倍縮小。
1.3 在橋梁運營過程中缺少正常的檢測和維修 結構耐久性需要有正確使用和正常檢測與維修相配合。重新建、輕維修是橋梁建設管理工作中重大缺陷，對于基礎設施工程，應在設計中進行結構全壽命經濟分析與評價，只有適當加大初始投資費用，強化結構耐久性，才是最經濟有效的途徑。
2 混凝土結構耐久性設計的主要內容
2.1 混凝土材料的選擇 混凝土應選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量的水泥?；炷恋墓橇弦诉x用堅固耐久的潔凈骨料，重視粗骨料級配及粒形，可以將適量引起作為常規(guī)手段，宜采用偏低的用水量并限制單方混凝土中水泥材料最低和最高用量，盡可能降低水泥材料中的硅酸鹽水泥用量。
2.2 上部結構細部設計 ①橋面鋪裝。橋面鋪裝是橋梁與車輛直接接觸的部件，也是橋面排水的第一道防線。橋面鋪裝一方面承受著汽車的沖擊碾壓剪切作用，另一方面又承受著主梁傳遞的反復應力和撓變，經常出現早期損壞，進而破壞橋面防水系統(tǒng)，最終導致主梁受橋面水影響而腐蝕主筋，鋪裝混凝土逐漸與主梁剝離，削弱了主梁的受力性能，影響了整個結構的安全性和耐久性。②橋面防水層。橋面鋪裝與主梁之間的防水層是防止橋面水滲入主梁的第二道防線。不少設計中僅單一采用防水混凝土進行防水。
由于防水混凝土屬于剛性防水層，一旦開裂后防水性能便大為下降。③主梁。主梁是全橋的主要承力構件，一般在設計當中均要進行整體分析和局部分析，重視程度很高，從理論計算角度均能滿足規(guī)范要求。可是在實際運營當中，主梁（主要是箱梁）箱體內長期大量積水的現象時有發(fā)生，甚至積水灌滿箱體的情況也有發(fā)生，極大地損傷了主梁的預應力鋼筋和普通鋼筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是對于主梁細節(jié)設計的不到位，主梁排水構造設置不夠完善，橋面積水在長時間不能排出橋外時便通過梁頂裂隙進入箱體，進而在箱體內不斷積累，最終形成箱體內積水。④伸縮縫。伸縮縫是橋面的重要組成部分，直接影響著橋梁的伸縮性、舒適性。由于對主梁收縮徐變考慮不足，經常出現的問題是型號選擇不當，導致梁端或在最高溫度時擠壓損壞，或在最低溫度時拉壞梁體。伸縮縫在保證梁體縱向伸縮的同時，也應重視防水設計。在很多設計中，采用直線式伸縮縫，這樣做固然設計比較方便，但在橋梁兩端的護欄處成為主要的漏水區(qū)域。因此，建議選用橫向兩端有翹頭的伸縮縫，使得整個伸縮縫形成一個閉合良好的U型槽，可以有效避免橋面積水沿伸縮縫這個排水薄弱環(huán)節(jié)下泄到分聯(lián)梁端及分聯(lián)墩蓋梁上。
3 下部結構的細部設計
3.1 分聯(lián)墩蓋梁 分聯(lián)墩處由于上部結構設置伸縮縫，橋面水經常通過伸縮縫薄弱環(huán)節(jié)泄漏到分聯(lián)墩蓋梁上，尤其是采用除冰鹽的地區(qū)，分聯(lián)墩蓋梁長期承受著腐蝕性除冰鹽水的腐蝕。因此，分聯(lián)墩蓋梁頂面應該設置橫坡以便排走橋面流下的水，并且要在蓋梁保護層厚度方面重點考慮防腐蝕要求。另外，為了防止腐蝕性鹽水順墩身流下，避免對墩身和樁基產生不利的影響，設計中可在蓋梁挑檐上設置滴水槽。
3.2 樁頂 橋梁樁基安全直接決定著橋梁的整體安全，是橋梁設計的重中之重。樁基頂部與承臺或墩身相連，受截面突變的影響，屬于應力集中的部位。橋梁樁頂一般設計于地面線附近，受地面水、地下水、橋面排下的含除冰鹽的冰水、地面土（尤其像鹽漬土、土中有機質）等因素中的一種或幾種的影響，經常處于干濕交替和腐蝕性環(huán)境，對于樁基頂部的鋼筋混凝土耐久性產生較大的不利作用。因此，樁基尤其是樁頂的設計中必須要根據樁頂處的水位情況、土質情況合理判定環(huán)境等級，選擇相應的耐久性設計標準，最終確定保護層厚度。
4 小結
通過前面各部分的介紹，我們對于常規(guī)設計中一些容易被忽視而又影響結構安全的細部設計有了一定的認識。只要能夠有足夠的重視，采取一些必要的措施，完全可以把這些細節(jié)問題通過代價并不高的方式加以解決。耐久性預測不可能是一本精確的科學，結構使用壽命的預測只能是個估計。由于影響混凝土結構耐久性的因素很多，在工程實踐中要不斷進行總結，吸取經驗教訓，作為設計工作者應結合已有的設計經驗和當地工程建設實踐認真進行結構的耐久性設計。
參考文獻：
[1]JTG D62-204 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.
張譽，等.混凝土結構耐久性概論[M].上海：上海科學出版社，2003.
李田，劉西拉.混凝土結構耐久性分析與設計[M].北京：科學出版社，1999.
馬華榮.公路工程病害分析與防治技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.
關鍵詞：橋梁負荷；使用壽命；混凝土結構；耐久性設計；橋梁細部構造
1 混凝土結構耐久性不足的主要原因
1.1 工程設計的耐久性標準低 結構設計規(guī)范主要考慮荷載作用下的結構安全性，環(huán)境作用下的耐久性設計處于次要的地位，有很多指標都是定性的規(guī)定，在一些細部構造設計方面存在一定的漏洞。規(guī)范中沒有設計壽命和耐久性設計的明確要求。規(guī)范在耐久性設計方面不能隨著今年來水泥的性能、施工條件、環(huán)境條件的巨大轉變而與時俱進。
1.2 工程施工過程中片面的追求施工進度 由于混凝土強度等級的提高和施工進度的加快，實際耐久性質量大幅度下降。在一些橋梁的混凝土施工中添加的早強劑，使其內部結構和后期強度發(fā)展不良，易開裂，耐久性降低。養(yǎng)護不良使表層混凝土的抗?jié)B性成倍降低，使鋼筋開始銹蝕的年限成倍縮小。
1.3 在橋梁運營過程中缺少正常的檢測和維修 結構耐久性需要有正確使用和正常檢測與維修相配合。重新建、輕維修是橋梁建設管理工作中重大缺陷，對于基礎設施工程，應在設計中進行結構全壽命經濟分析與評價，只有適當加大初始投資費用，強化結構耐久性，才是最經濟有效的途徑。
2 混凝土結構耐久性設計的主要內容
2.1 混凝土材料的選擇 混凝土應選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量的水泥?；炷恋墓橇弦诉x用堅固耐久的潔凈骨料，重視粗骨料級配及粒形，可以將適量引起作為常規(guī)手段，宜采用偏低的用水量并限制單方混凝土中水泥材料最低和最高用量，盡可能降低水泥材料中的硅酸鹽水泥用量。
2.2 上部結構細部設計 ①橋面鋪裝。橋面鋪裝是橋梁與車輛直接接觸的部件，也是橋面排水的第一道防線。橋面鋪裝一方面承受著汽車的沖擊碾壓剪切作用，另一方面又承受著主梁傳遞的反復應力和撓變，經常出現早期損壞，進而破壞橋面防水系統(tǒng)，最終導致主梁受橋面水影響而腐蝕主筋，鋪裝混凝土逐漸與主梁剝離，削弱了主梁的受力性能，影響了整個結構的安全性和耐久性。②橋面防水層。橋面鋪裝與主梁之間的防水層是防止橋面水滲入主梁的第二道防線。不少設計中僅單一采用防水混凝土進行防水。
由于防水混凝土屬于剛性防水層，一旦開裂后防水性能便大為下降。③主梁。主梁是全橋的主要承力構件，一般在設計當中均要進行整體分析和局部分析，重視程度很高，從理論計算角度均能滿足規(guī)范要求。可是在實際運營當中，主梁（主要是箱梁）箱體內長期大量積水的現象時有發(fā)生，甚至積水灌滿箱體的情況也有發(fā)生，極大地損傷了主梁的預應力鋼筋和普通鋼筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是對于主梁細節(jié)設計的不到位，主梁排水構造設置不夠完善，橋面積水在長時間不能排出橋外時便通過梁頂裂隙進入箱體，進而在箱體內不斷積累，最終形成箱體內積水。④伸縮縫。伸縮縫是橋面的重要組成部分，直接影響著橋梁的伸縮性、舒適性。由于對主梁收縮徐變考慮不足，經常出現的問題是型號選擇不當，導致梁端或在最高溫度時擠壓損壞，或在最低溫度時拉壞梁體。伸縮縫在保證梁體縱向伸縮的同時，也應重視防水設計。在很多設計中，采用直線式伸縮縫，這樣做固然設計比較方便，但在橋梁兩端的護欄處成為主要的漏水區(qū)域。因此，建議選用橫向兩端有翹頭的伸縮縫，使得整個伸縮縫形成一個閉合良好的U型槽，可以有效避免橋面積水沿伸縮縫這個排水薄弱環(huán)節(jié)下泄到分聯(lián)梁端及分聯(lián)墩蓋梁上。
3 下部結構的細部設計
3.1 分聯(lián)墩蓋梁 分聯(lián)墩處由于上部結構設置伸縮縫，橋面水經常通過伸縮縫薄弱環(huán)節(jié)泄漏到分聯(lián)墩蓋梁上，尤其是采用除冰鹽的地區(qū)，分聯(lián)墩蓋梁長期承受著腐蝕性除冰鹽水的腐蝕。因此，分聯(lián)墩蓋梁頂面應該設置橫坡以便排走橋面流下的水，并且要在蓋梁保護層厚度方面重點考慮防腐蝕要求。另外，為了防止腐蝕性鹽水順墩身流下，避免對墩身和樁基產生不利的影響，設計中可在蓋梁挑檐上設置滴水槽。
3.2 樁頂 橋梁樁基安全直接決定著橋梁的整體安全，是橋梁設計的重中之重。樁基頂部與承臺或墩身相連，受截面突變的影響，屬于應力集中的部位。橋梁樁頂一般設計于地面線附近，受地面水、地下水、橋面排下的含除冰鹽的冰水、地面土（尤其像鹽漬土、土中有機質）等因素中的一種或幾種的影響，經常處于干濕交替和腐蝕性環(huán)境，對于樁基頂部的鋼筋混凝土耐久性產生較大的不利作用。因此，樁基尤其是樁頂的設計中必須要根據樁頂處的水位情況、土質情況合理判定環(huán)境等級，選擇相應的耐久性設計標準，最終確定保護層厚度。
4 小結
通過前面各部分的介紹，我們對于常規(guī)設計中一些容易被忽視而又影響結構安全的細部設計有了一定的認識。只要能夠有足夠的重視，采取一些必要的措施，完全可以把這些細節(jié)問題通過代價并不高的方式加以解決。耐久性預測不可能是一本精確的科學，結構使用壽命的預測只能是個估計。由于影響混凝土結構耐久性的因素很多，在工程實踐中要不斷進行總結，吸取經驗教訓，作為設計工作者應結合已有的設計經驗和當地工程建設實踐認真進行結構的耐久性設計。
參考文獻：
[1]JTG D62-204 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社.
張譽，等.混凝土結構耐久性概論[M].上海：上海科學出版社，2003.
李田，劉西拉.混凝土結構耐久性分析與設計[M].北京：科學出版社，1999.
馬華榮.公路工程病害分析與防治技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.