混凝土桥梁结构的耐久性设计

【摘 要】混凝土桥梁结构是目前桥梁施工中最常见的结构，而耐久性的设计和很多因素有关，本文重点对混凝土桥梁结构耐久性的设计进行了详细的分析，目的是提高桥梁的施工质量，延长桥梁的使用寿命。

【关键词】混凝土；桥梁；结构；耐久性

中图分类号： K928 文献标识码： A

一、前言

桥梁在结构设计过程中，针对桥梁的不同特征会采用不同的设计方法，而混凝土去桥梁结构耐久性的设计和材料，框架均有非常大的关系，因此针对混凝土桥梁耐久性的设计的有关问题，需要进一步进行规划。

二、影响桥梁结构耐久性的因素分析

1、混凝土的碳化

混凝土碳化是指环境中的 CO2与混凝土表面接触并且通过混凝土孔隙不断向混凝土内部扩散，与混凝土中碱性水化物发生很复杂的多相物理化学反应的过程。混凝土碳化会使混凝土的收缩加剧，混凝土表面因为收缩产生拉力出现微裂纹，降低了混凝土强度以及抗渗能力；同时，混凝土碳化会降低混凝土的 PH 值，当混凝土中 PH 值降低到一定数值时，混凝土中的钢筋钝化膜就会被破坏，造成钢筋锈蚀。

2、混凝土中钢筋的锈蚀

3、结构设计对桥梁耐久性的影响分析

（1）设计标准低

比如我国公路桥梁荷载标准是经过多次修改逐步提高的，随着交通事业发展，既有桥梁的荷载标准不能满足当前汽车荷载标准的要求，由此可能导致桥梁耐久性加速劣化，这种情况在世界各国都普遍存在。此外，长期以来，由于经济及社会条件的限制，我国规范在桥梁性能及构造细节设计方面的要求一直较低，也在客观上影响了桥梁的耐久性。

（2）结构与构造细节不合理

在国内桥梁总体设计方案的比选过程中，一般由地质条件、施工方法、经济指标等因素来决定方案的取舍，而很少从耐久性的角度来进行分析和评价。例如采用预应力结构或钢筋混凝土结构，简支或连续，型梁或箱梁以及跨径比例、断面尺寸的拟定等众多结构与构造问题，不但影响经济性，对桥梁的耐久性能也有很大影响评价指标的缺失，可能导致中选方案的结构耐久性能不足，为运营后桥梁出现病害埋下了病根。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径不明确，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会削弱结构耐久性，增加桥梁的病害。

三、桥梁设计中结构耐久性和安全性提高措施探析

1、适当提高混凝土保护层厚度

为了保证桥梁设计结构的耐久性，可以适当地提高混凝土保护层的厚度。对于预应力钢筋和混凝土而言，之间需要有一定的保护层进行连接，且这一部分可以保证预应力钢筋和混凝土之间有较强的粘结力，且预应力钢筋不会受到混凝土内部结构的负面影响，从而产生介质的侵蚀问题。实践表明，当钢筋受到氯离子等有害介质侵袭的速度会和保护层的厚度的二次方成反比。另外，钢筋的碳化和保护层的厚度也有着紧密的联系，站在这一角度对桥梁设计中结构耐久性的提高进行考量的话，那么需要增加混凝土保护层的厚度，这样钢筋受到有害介质的侵蚀破坏时间就会越长，这样结构耐久性就会越高。

2、合理选用高性能材质

施工材料的性质也会对结构耐久性产生一定的影响，所以合理选用高性能材质也是提高结构耐久的有效途径。在选用材料时，尽量选择使用屈服性能高、强度高、韧性强、焊接性能好、耐腐蚀性能强的钢筋，这样就会提高混凝土结构的耐久性。对于涉水的桥基础部分，应该选择抗渗性比较强的材料，这样可以保证其强度和结构的稳定性，从而提高桥梁设计的安全性。值得一提的是，如果想要有效提高桥梁的安全性，那么水泥的标号应该高于42.5，水泥含量也应该达到370Kg /m3 ，拌合时水灰比不应低于0.45。

3、减少桥梁使用过程中的疲劳损伤

桥梁自使用过程中，由于长期会受到车辆的反复荷载，造成桥梁结构内部构造的应力变化，从而引起桥梁的振动，以增加桥梁的疲劳损伤。同时，由于桥梁建设过程中使用材料不具有连续性，也会有不均匀的现象出现，从而导致桥梁结构的很多缺陷，所以要合理设计桥梁和荷载量，尽量减少其疲劳损伤。

四、混凝土桥梁设计耐久性需要重视的问题

1、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。

2、减轻环境因素对耐久性的影响

在对桥梁结构耐久性进行设计以及现场的施工过程中，应尽量减轻或者隔绝环境因素对公路桥梁钢筋和混凝土的影响。尤其是在靠近海边时，氯离子的腐蚀比较严重，就更不能忽视环境因素对桥梁的影响。桥面应敷设排水管道或设定一定的坡度，在路面层与混凝土桥面板之间设置有效的防水层，防止水向下渗漏，避免造成对公路桥梁质量的破坏，降低其耐久性对于重要工程和大型工程，混凝土的抗冻耐久性指标DF值应不低于表2的规定。

3、重视桥梁的耐久性方案设计

从设计的角度考虑如何使施工人员易于接受和操作的方式来改善公路桥梁耐久性桥梁在建设以及使用时，要承受人为因素车辆疲劳超载地震风等外来作用，还会遭受有害化学物质和环境的侵蚀，同时桥梁建设时所用的材料自身性能也会随着时间不断降低，最终致使结构物各部分产生一定程度的劣化和损伤大量的病害实例表明，除了材料和施工方面的原因，影响结构耐久性的决定性因素是由于设计上的缺陷桥梁的结构设计与耐久性设计有着本质的区别，对于耐久性的研究应采用灰色分析法由定量分析代替传统的定性分析鉴于耐久性不足导致的严重事故，国外的桥梁在设计时提高了对公路桥梁的耐久性的要求，同时将其视为重要的设计原则，综合对桥梁构造细节和结构布局进行考虑，有些国家新建设的桥梁的耐久性已经达到70～100年的设计使用寿命注重使结构易于检查维修，从而尽量减少公路桥梁维修费用，提高综合经济效益，保证桥梁的安全使用

4、充分重视桥梁的超载问题

桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。例如，混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于混凝土结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯距降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响，因此除了交管部门要加强管理外，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。

五、结束语

综上所述，本文重点对混凝土桥梁设计过程中存在的问题以及如何改进措施进行了详细的分析，针对耐久性的设计，提出了自己的观点，目的是提高桥梁设计的科学性。