浅析桥梁耐久性研究

浅析桥梁耐久性研究

李理

摘要：随着我国公路桥梁建设的蓬勃开展，桥梁结构的耐久性等问题应予以研究和解决。国内现行规范对桥梁设计提出的要求是适用、经济、安全、美观，这些要求基本上包含了人们关心的所有重要问题。本文讨论了桥梁耐久性差的原因，并提吃了一些解决措施，研究了以后的努力方向。

关键词：桥梁 耐久性 设计 借鉴

一、引言

所谓耐久性,有两种理解,一是理论耐久性,二是实际耐久性。理论耐久性按《公路工程混凝土结构防腐技术规范》解释是指“结构在预期作用和预定的维护条件,能在规定期限内维持其设计性能要求的能力”;实际耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何破坏过程的抵抗能力。一般来讲,在正常设计(满足强度、刚度、稳定性和使用功能等要求) 、正常施工(严格依照规范和设计进行) 、正常使用(规定荷载等)和正常养护(不使用化冰盐)的条件下,桥梁理论耐久性是有保障的。然而暴露在野外环境的桥梁,受到各种水侵腐蚀、冻融破坏、正常和非正常荷载的作用,加之设计、施工的不当,其生存时间很难同我们想象的设计寿命挂钩,其实际耐久性远远小于理论耐久性。建筑设计论文,论文发表,论文网,职称论文,建筑设计

二、桥梁耐久性差的原因

（1）混凝土不密实或有裂缝

这往往是造成钢筋锈蚀的主要原因。尤其当水泥用量不当和浇捣不良,或者在混凝土浇注中产生漏筋、蜂窝、麻面等缺陷,或者造成干缩或温差开裂、受到过载开裂、意外冲撞破损等等,使钢筋直接暴露在环境中,失去了混凝土的保护,都给水(汽) 、氧和其他侵蚀介质的渗透创造了有利条件,多种侵蚀介质容易达到钢筋表面,从而加速钢筋的锈蚀。

（2）设计理论和结构构造体系不够完善

在承认施工存在问题的同时，也不可否认，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。

许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求，仅用了5～10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。

不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外，还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。

三、提高桥梁耐久性对策

（1）提高混凝土密实度，采取措施,控制混凝土有害裂缝。

提高混凝土密实度。模板质量要好,支撑牢固,混凝土不跑浆;混凝土振捣要到位,避免出现蜂窝、孔洞;掺入优质粉煤灰,改变混凝土内部孔隙结构,提高混凝土密实度,同时增加对氯离子扩散的阻力。采取措施,控制混凝土有害裂缝。一是防止混凝土碱集料反应引起混凝土裂缝,比如选择含碱量低的水泥( ≯0. 6% ) ,不使用碱活性的集料,不使用含碱或含碱量低的化学外加剂等;二是防止集料膨胀反应引起的混凝土开裂,对集料生产、运输、堆放及搅拌等工序进行科学管理,防止将含氧化镁或硫酸盐的膨胀集料或生石灰碎块混入集料中;三是防止因温度变化引起混凝土开裂,合理设置、安装桥梁伸缩缝与支座,加强桥梁养护,及时清理伸缩缝中杂物;四是尽量采用预应力结构;五是应用设计允许的最小水泥用量和能满足和易性要求的最小用水量,不要用过大的坍落度,均匀浇筑混凝土,并及时对混凝土进行养护,施工现场的材料堆放要合理,避免施工超载。

（2）混凝土的设计应考虑耐久的要求

混凝土配比的设计 配合比设计在满足混凝土强度,工作性的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量,降低水化热,减少收缩裂缝,提高密实度,采用合理的减水剂和引气剂,改善混凝土内部结构,掺入足量的混合料,提高混凝土耐久性能.

结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度,预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋. 结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力. 结构设计尚应控制混凝土的裂缝的开裂宽度.

（3）混凝土工程施工应考虑结构耐久性

混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法,裹砂法,裹砂石法等工艺,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土强度,减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝,收缩裂缝,施工裂缝,建立混凝土的浇筑振捣制度,提高混凝土密实度和抗渗性,重视混凝土振捣后的表面工序,并加强养护,以减少混凝土裂缝.混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝,施工裂缝至关重要,应加强施工质量管理,特殊季节施工的混凝土结构,尚应采取特殊措施.

　四、以后需要改进和努力的方向

（1）应该更加重视结构的耐久性问题

桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域，国内从上世纪80年代以来，修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少，但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索，既影响了使用又增大了经济损失。

国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究，也取得了不少成果。这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。而且，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。

国外的桥梁设计有鉴于耐久性不足导致的严重损失，近年来十分重视提高结构物的耐久性并将其作为重要的设计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，强调使结构易于检查、维修，以保证桥梁的安全使用、尽可能地减少维修费用，取得了较好的综合经济效益。实际上，国内外的研究和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。

（2）重视对疲劳损伤的研究

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。

由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。

疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲劳引起的钢材开裂案例较多，亦有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子。近20年来，疲劳损伤的研究已进入混凝土结构，但对于使用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能和疲劳性能的研究还需加强。

对疲劳损伤的研究不仅仅指对整个结构而言，事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效，例如斜拉桥拉索锚固端的疲劳损害。

　　（3）积极借鉴国外的经验和成果

国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差（指与设计期望相比，可归结为适用性能差，包括桥梁的过大振动、线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形等）、耐久性和安全性差（包括使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等）。这些问题的产生固然与目前国内施工质量和管理水平较低有关，但平心而论，既然这种现状不能在短期内得到解决，那么作为工程设计人员就应该在正视这一问题的前提，充分考虑到现阶段的施工和管理水平和材料工艺水平，采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁使用性能的达到，这才是更为主动和有效的方法。特别是桥梁存在的耐久性和安全性问题很多与结构体系或使用材料选择不合理及结构细节处理不当有关。

在欧洲国家（如德国、丹麦等），非常重视对结构物进行性能设计（即PBD， Performance Based Design），内容包括结构的变形、裂缝、振动、强健性、美观、耐久性能、疲劳性等。PBD研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外，尚应有良好的使用性能（包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等）。就其本质而言，欧洲国家的PBD理论，主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能，分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律，寻求新的结构设计理念和方法。

从欧洲人的观点来看，PBD似乎是对以耐久性为核心的结构使用性能指标的综合考虑。这一点对国内工程界应该是有启示的。目前国内的设计可视为静态的设计，它只定义了设计建成时刻结构具有的工作能力和性能，而对营运期间性能随时间的劣化及其实际的性能表现缺乏足够的认识和考虑；换言之，从经济性的角度讲是只考虑了建造成本，而忽视了营运期的维护成本和与使用寿命相对应的成本效益。

五、总结

“新建桥梁”、“旧桥维修加固”、“延长结构物的使用寿命”等都应同时加以重视。目前对新建较重视是必要的，但应同时强调注意结构的耐久性问题，从而达到延长结构的使用寿命，以使节省资金，减小旧桥维修加固的投资。而且，耐久性的问题应贯穿到设计、施工、维修保养的整个过程中来考虑，如果一座桥梁先天不足，仅靠维修养护是很难延长其寿命的，但先天好，后天不养也是难以保证其应有的使用寿命的。目前，正处在大规模建设新桥之际，如何在设计、施工、养护中更多地考虑结构耐久性问题，应属更为突出的问题。

参考文献

1 桥梁病害诊断与改造加固设计. 张树仁、王宗林. 人民交通出版社. 2006

2　混凝土技术. 刘秉京. 人民交通出版社. 2004