桥梁设计中结构耐久性分析
摘要：针对我国高速公路运营中经常出现的影响桥梁结构安全和耐久性的问题，从设计角度提出了具体的改善措施，为桥梁设计提供了有益参考。对于常规设计中一些容易被忽视，而又影响结构安全的细部设计，只要设计者足够重视，完全可以解决这些问题。
关键词：桥梁细部构造；设计；混凝土结构；安全性；耐久性
中图分类号：S611 文献标识码： A
随着我国交通运输事业的迅猛发展，公路桥梁建设也进入一个鼎盛时期，桥梁在高等级公路，特别是山区高等级公路中所占比例较大，桥梁的安全性与耐久性设计尤为重要。从钢筋混凝土桥梁出现的病害分析，大多除了施工质量差、养护措施不及时以及管理不到位外，设计理论和结构构造体系不完善也是影响桥梁安全性和耐久性的重要原因。笔者从设计角度分析影响桥梁结构耐久性的原因，并阐述提高耐久性、安全性的设计措施。
1、耐久性差的设计原因分析
1.1设计理念问题
长期以来，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，而忽视结构体系、结构构造、材料、施工、后期维护等方面的问题，经常出现人为错误，在一定程度上导致结构的使用性能差、使用寿命短等不良后果。
由于现实交通的超载问题，使部分道路上既有桥梁的承载能力等不能满足实际汽车荷载的要求，从而导致桥梁疲劳、不可恢复的内部损伤，从而危害耐久性和安全性。
1.3结构与构造细节不合理
桥梁在建造和使用过程中，会受到环境及有害化学物质的侵蚀，并承受车辆荷载、风、地震、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁采用的材料自身性能也会不断退化，从而导致桥梁各部分不同程度的损伤和恶化。如有的结构整体性和延性不足、冗余性小，有的混凝土强度等级较低、钢筋保护层厚度过小、钢筋偏细等都消弱了结构的耐久性。
1.4设计因素
虽然在设计中设计人员已充分考虑了混凝土收缩、徐变和温度应力等非荷载因素的影响，但由于混凝土的徐变计算理论与实际环境还存在一定的差距，从而影响桥梁结构耐久性。
2提高耐久性的设计措施
耐久性设计是要求结构保持当前状态的能力。因此，结构设计除了重视桥梁的选型及结构计算分析，满足规范的要求、保障主体结构安全，同时还要充分考虑到现阶段的施工和管理水平、材料工艺水平，针对不同的环境和使用条件，采用适当的安全度和适当的设计方法，通过合理的结构布局和构造细节设计、增加材料的抗渗性、抗腐蚀性等措施，防止不利环境对结构的影响，避免病害的发生，并考虑后期养护，强调结构“易查易修”，提高结构的耐久性。
2.1主体结构混凝土材料的选择
拌制混凝土应选用低水化热、含碱量偏低的水泥。混凝土骨料宜选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及粒形，采用偏低的用水量，尽可能降低水泥材料中的硅酸盐水泥用量。从最近几年多省实施的施工标准化中，桥梁结构均推行采用高性能混凝土。高性能混凝土具有易于浇筑、捣实而不离析、能长期保持力学性能，早期强度高，韧性高和体积稳定性好，在
恶劣的使用条件下寿命长、高强度和优异的耐久性。在特殊环境中，如冻融环境，设计时应根据项目水位变动区确定混凝土抗冻等级、抗冻耐久性指数，以及混凝土拌和物的水灰比、含气量等；在沿海地区，应使用防腐混凝土并视情况掺加防锈剂。
2.2适当的冗余性
对设计项目进行轴载谱调查，根据车辆构成、轴重核查桥梁设计荷载，充分考虑车辆的超载现象，适当增加桥梁安全储备，确保工程安全、经济。
2.3构造设计应注意的问题
2.3.1主梁
（2）保护层厚度。混凝土保护层厚度应满足规范规定的相应不同环境条件下的最小数值。值得注意的是，对于采用通用图设计的，还应核实保护层是否满足项目地区的环境类别，如高腐蚀性的盐渍土，大量使用融雪剂、除冰盐等特殊环境地区。
（3）加强主梁间横向整体性。对于装配式预制空心板结构桥梁，各板梁通过现浇的企口混凝土和焊接钢板连接使横向连成整体。铰缝是梁体的薄弱环节，设计中通常采用加大铰缝企口宽度、加强铰缝钢筋，提高铰缝混凝土强度等级等措施来强化铰缝，以增加铰缝的抗剪能力。施工时行车道板的侧面应为毛面，铰缝混凝土须达到设计强度时方能通车使用。对于装配式预制T梁及箱梁，应适当加密横隔梁设计，横隔梁的间距原则上不应该超过10m。
（4）构造设计考虑可施工性。主梁几何尺寸的拟定和钢筋的布置除满足受力需要外，还应充分考虑施工需要，保证混凝土灌筑及振捣质量。装配式箱梁或T梁截面间通过现浇混凝土纵缝使横桥向形成整体，结构连续桥梁顺桥向通过墩顶现浇湿接头连接。设计时应考虑到现浇部分的宽度应满足钢筋焊接等施工需要，尤其小半径曲线桥梁通过墩顶湿接头调节桥梁内外弧差，或变宽桥需要桥面纵缝调整横桥向宽度时，现浇缝尺寸则更应引起注意。主梁中钢筋避让也是设计中应该特别重视的问题。对于预应力钢筋和普通纵横向钢筋配置较密、钢筋位置易冲突的区域，在设计中须根据具体应力情况，对主要钢筋空间位置进行统筹考虑，还要在相应钢筋图中，具体说明钢筋避让的先后顺序，以避免施工中误操作。
（5）加强主梁排水构造设计。小箱梁与空心板要用直径不宜大于5cm的预留泄水孔（通气孔），一方面可以使得箱体内外温度相近，减小局部温差效应引起的局部应力；另一方面还可以排出施工及运营过程中产生的积水。对于箱外水，主梁悬臂端设置半弧形滴水槽，使梁顶水止于悬臂端，不能顺梁体外侧流下，避免侵蚀梁体外侧。 2.3.2桥面铺装及桥面防水系统
桥面铺装除保护主梁不受车辆直接磨损，防止板梁遭受雨雪的侵蚀外，同时也起着分布车轮荷载的作用。但常常由于设计、施工以及运营超载车辆等各种原因，造成铺装出现空洞、滑移、坑槽等病害，进而破坏桥面防水系统，导致主梁主筋腐蚀，削弱了主梁的受力性能，影响了整个结构的安全性和耐久性。设计中可以从以下几个方面来进行相应地改善。
（1）提高桥面防水混凝土抗渗等级和强度等级，采用耐久性水泥混凝土，并掺加聚丙烯纤维。混凝土铺装厚度宜高出设计值1cm，然后用精密铣刨机进行精铣刨，以保证沥青层与混凝土层有效结合。防水混凝土层上铺水性沥青基渗透型的防水材料，并满足高温稳定性、低温抗裂性和施工及运营后的承压要求。
（2）桥面铺装钢筋采用冷轧带肋钢筋网，在预制梁顶增设抗剪连接钢筋，利于桥面铺装钢筋网的定位，有效保证桥面铺装整体性，提高混凝土铺装层的强度；对于现浇箱梁，在墩顶负弯矩区桥面铺装内，增设一层受力钢筋，克服墩顶区域桥面现浇层内的裂缝。
（3）在护栏下设纵向碎石盲沟和泄水管，且泄水管顶微低于桥面防水混凝土底，保证泄水管排出桥面水和桥面沥青层渗水；桥头设路基泄水槽，保证桥面纵向排水通畅。
2.3.3支座
支座是上、下部结构的连接纽带，且是受力非常集中的薄弱构件，一旦发生故障，为后期养护带来很大麻烦，所以应予十分重视。在设计中，支座系统布置应充分考虑其具体结构的变形特性进行分析和研究，选择相应适宜的支座型号，以利于墩台传递反力和利于桥跨结构变位。另外，还应考虑后期养护及施工操作等因素。对于弯梁桥，还应考虑升降温积累的残余变形、车辆离心力向外侧推移引起的“爬行”现象，设计时采取支座预偏心放置，以调整曲梁截面上的扭矩，使梁体的内力分布更加均匀，避免由于约束引起的过度应力集中。使用中，支座经常出现脱空的问题，导致支座受力不均，使主梁局部应力增大，进而引起局部损坏。设计时，支座顶底均应保持水平并设置上下钢板，预制梁端底部增设垫块或钢板进行调平，盖梁横坡通过设置垫石进行调平，保证支座在运营中能够处于正常受力状态。
2.4防治桥头跳车处理措施
桥梁长度除满足泄洪要求外，桥长的控制应按照建设地的地质条件，合理控制桥头填土，避免高路基病害。路基高5m以上且桥头处于软土（或软弱土）地基时，搭板下宜采用液态粉煤灰水泥轻质填料，可以减小高路基引起的附加荷载及对地基所产生的压缩层厚度，从而减少路基工后沉降，避免压路机压实路基造成桥台桩基沉降。为保证台后路基填土的密实度，对于桩基础桥台宜采用先填土预压，然后钻孔成桩的方法施工。
2.5桥梁抗震设计
为防止上部结构落梁破坏和桥墩抗弯、延性不足问题，除了注重结构本身的强度、变形和延性能力设计外，还应加强桥梁结构的局部构造设计。基于抗震计算无法得到结构响应精确值的事实，建议设计采取“多道设防、分级耗能”的抗震设防理念，坚持“损伤部位及损伤程度可控、损伤部位易检、损伤构件易修、破坏构件易换”的原则。
（1）梁端至盖梁边缘的距离应满足规范要求的最小安全距离。设计时可采用适当扩大盖梁支撑宽度、加大支座垫石尺寸等措施，以防落梁或由于梁体突然落在墩台顶产生的冲击力而导致梁端的破坏。
（2）重视限位装置的设计。简支梁应采取纵向梁端连接或纵向梁端支挡，连续梁则应在横隔墙位置设纵、横向支挡。比如增加铰缝钢筋和连接钢板、墩台盖梁处设置抗震锚栓和钢套筒、盖梁两侧设置抗震挡块等措施，限制梁的位移，提高结构的整体性，避免落梁。支挡与梁体间设弹性缓冲材料，减小与梁体的碰撞。
（3）挡块设计。应注意挡块与主梁的刚度比值范围、挡块容许剪裂的程度。根据情况可在盖梁两侧设置外强内弱的双层挡块，或沿盖梁设置多个挡块，使其与主梁间距不同，破坏时，挡块被逐个（批）剪坏，达到逐步耗能的作用。
（4）保护性破坏理念。当然在大震发生时桥梁损伤不可避免，所以抗震设计应施行“可控、易检、易修、易换”的原则，避免主要承重构件的损伤。支座作为上下部之间的连接构造，是桥梁结构抗震的薄弱环节，也是易损构件，所以对于中小跨径桥梁，设计者可将支座设置为“保险丝式单元”，在破坏性地震作用下优先破坏，可消耗掉一定地震能量，起到保护主要受力构件的作用。
3结语
对于常规设计中一些容易被忽视而又影响结构安全的细部设计，只要设计者能够足够地重视，完全可以把这些细节问题通过代价并不高的方式加以解决。由于影响混凝土结构耐久性的因素很多，也希望广大设计者在工程实践中不断进行总结，积极借鉴国外的成功经验，更加细化和完善结构的耐久性设计。