鄭建文

摘 要：為了提高橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)水平，首先從混凝土碳化、鋼筋銹蝕、裂縫指標(biāo)、設(shè)計及施工等方面分析了橋梁耐久性的影響因素，隨后基于耐久性失效方程分析了橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法，并提出相應(yīng)的設(shè)計要點，研究成果可為類似的橋梁工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：橋梁;耐久性;影響因素;優(yōu)化設(shè)計

1 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素

1.1 材料劣化的影響

橋梁結(jié)構(gòu)材料由鋼筋和混凝土組成，其耐久性損失通常是從材料劣化開始的。鋼筋和混凝土的劣化可由化學(xué)或物理作用引起，主要表現(xiàn)形式包括混凝土碳化、鋼筋腐蝕等。

（1）混凝土碳化。大氣里CO2含量高，CO2先和外界環(huán)境各種水分發(fā)生化學(xué)作用產(chǎn)生碳酸性物質(zhì)，再與橋梁結(jié)構(gòu)中的堿性物質(zhì)產(chǎn)生中和反應(yīng)，降低混凝土的pH值的現(xiàn)象稱之為混凝土的碳化。混凝土碳化反應(yīng)產(chǎn)物是CaCO3，而CaCO3溶解性較差，且體積會增加17%左右，故混凝土凝膠孔隙可能被碳化物填充，使混凝土孔隙比降低。碳化反應(yīng)還會提高混凝土脆性，降低其延展性。但是，混凝土碳化對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響的最關(guān)鍵原因是pH值的降低，因為pH值較小，容易使鋼筋脫鈍和銹蝕。

影響橋梁結(jié)構(gòu)混凝土碳化程度原因包括混凝土本身特性和外部環(huán)境兩方面，前者包括水灰比、水泥用量、骨料粒徑、外摻劑等，其中混凝土碳化速度與水灰比和骨料粒徑成正比，與水泥用量成反比;后者主要有相對濕度、CO2濃度、溫度、施工技術(shù)等，其中混凝土碳化速度與CO2濃度的平方根和溫度成正比。同時，環(huán)境濕度在70%～80%時，混凝土碳化速度最快。

（2）鋼筋銹蝕。橋梁混凝土一般呈堿性，會在鋼筋結(jié)構(gòu)表面形成一層鈍化膜保護鋼筋不受腐蝕。但是在足夠的O2與H2O環(huán)境中，鋼筋容易失去電子出現(xiàn)如下各種電化學(xué)反應(yīng)：①陽極：Fe→Fe2++2e;②陰極：O2+4H2O+4e→4OH—;③陽極二次反應(yīng)：Fe2++4OH—→Fe（OH）2。

電化學(xué)反應(yīng)會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋處于一種“脫鈍狀態(tài)”，此時鋼筋表面會出現(xiàn)大量紅銹，使得氯離子慢慢滲進混凝土內(nèi)部。當(dāng)處于游離狀態(tài)的氯離子大于臨界濃度時，會加速鋼筋銹蝕，即混凝土中氯離子含量越高，鋼筋的銹蝕速度越快。

1.2 裂縫的影響

在混凝土橋梁運營期間，出現(xiàn)各種構(gòu)造裂縫往往是難以避免的，且隨著橋梁使用時間的增加，裂縫數(shù)量和寬度也會進一步擴展。通常情況下，微細(xì)裂縫是對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力、耐久性等工作性能影響較小，但裂縫寬度不宜過大，否則會影響混凝土碳化、凍融損傷、鋼筋銹蝕，從而影響橋梁耐久性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

加速混凝土碳化：混凝土裂縫會減小橋梁抗疲勞能力，使其更容易剝落破壞;

加劇凍融損傷：如果混凝土裂縫較寬，環(huán)境中的各種水容易滲入，當(dāng)溫度降到零度以下，水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，混凝土更容易凍脹開裂;

鋼筋銹蝕更嚴(yán)重：CO2和Cl—更容易通過裂縫向混凝土內(nèi)部擴散，會增加鋼筋表面化學(xué)反應(yīng)面積，加劇鋼筋銹蝕程度。

此外，相關(guān)研究成果表明，裂縫寬度指標(biāo)和鋼筋銹蝕程度之間存在密切聯(lián)系，見圖1：

由圖1可知，混凝土裂縫寬度越大，鋼筋越容易發(fā)生嚴(yán)重銹蝕。當(dāng)裂縫寬度不超過0.1 mm時，鋼筋發(fā)生微銹蝕、銹蝕和嚴(yán)重銹蝕的可能性基本相同。當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時，鋼筋發(fā)生嚴(yán)重銹蝕的概率達(dá)到了73%。

1.3 設(shè)計、施工因素的影響

（1）設(shè)計原因。目前國內(nèi)橋梁設(shè)計規(guī)范，如《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）等中對橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的長期耐久性沒有系統(tǒng)性的規(guī)定。同時，設(shè)計單位、咨詢單位在開展橋梁設(shè)計任務(wù)時，往往以工程類比法為主，設(shè)計理念較保守，過分強調(diào)混凝土剛度、強度、截面尺寸等指標(biāo)，對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性重視程度不足，引起橋梁在長期運營期間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。

（2）施工原因。在設(shè)計方案合理的前提下，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性主要取決于混凝土的施工。但是，公路橋梁在施工期間，各參建單位為了趕工期，可能采取刻意減少混凝土養(yǎng)護時間、使用大量早強劑、采用蒸汽養(yǎng)護等措施，使混凝土的耐久性大幅降低。

2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法

進行橋梁耐久性設(shè)計之前要明確耐久性極限狀態(tài)，然后根據(jù)影響橋梁耐久性的各種因素特性，建立宏觀模型。我國常用橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法是基于可靠度理論的極限狀態(tài)法，即將影響橋梁可靠性因素視作隨機變量，對其所承受的各種荷載、結(jié)構(gòu)抗力等進行調(diào)查統(tǒng)計，并運用數(shù)理統(tǒng)計理論分析隨機變量特性，以得到公路橋涵的總體可靠度水平。最后，采用分項系數(shù)法對橋梁結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)進行計算，并滿足如下條件：

式中：—橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取決于橋涵等級;—作用效應(yīng)組合設(shè)計圖;—結(jié)構(gòu)抗力隨機函數(shù);—結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計值;—材料強度設(shè)計值。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要點

（1）合理確定橋梁壽命。橋梁混凝土的工作性能會隨著時間增加而出現(xiàn)一定程度的劣化。同時，橋梁使用壽命影響因素復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)綜合考慮項目的區(qū)域概況、建設(shè)等級、施工水平、養(yǎng)護措施、工程造價等因素。如沿海地區(qū)對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性控制更嚴(yán)格;橋梁建設(shè)等級越高，使用壽命要求越高。

（2）提高橋梁線形平滑度。橋梁屬于桿系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造的合理性直接決定了橋梁截面的應(yīng)力分布，從而影響混凝土耐久性。對于結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，鋼筋布設(shè)位置及數(shù)量確定難度大，且應(yīng)力分布形式較復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，往往會成為混凝土耐久性的薄弱部位。在進行橋梁設(shè)計時，應(yīng)確?；炷两Y(jié)構(gòu)線形簡單、少突變，少棱角，盡可能地減少鋼筋暴露面積。

（3）控制構(gòu)造裂縫。水和空氣會通過裂縫滲入混凝土結(jié)構(gòu)，加劇混凝土和鋼筋的劣化，故橋梁混凝土盡量選擇預(yù)應(yīng)力形式的，構(gòu)造鋼筋布置時間距也不宜過大，以減少構(gòu)造裂縫。同時，橋梁混凝土的構(gòu)造裂縫不應(yīng)設(shè)置在受剪受彎嚴(yán)重，受力復(fù)雜的位置。

3 結(jié)語

本文針對橋梁耐久性的影響因素和優(yōu)化設(shè)計方法等方面開展研究，主要得到了以下幾個結(jié)論：（1）橋梁耐久性損失一般從材料劣化開始，體現(xiàn)在混凝土碳化、凍融損傷、鋼筋腐蝕等方面;（2）微細(xì)裂縫是對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響不大，但當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時，鋼筋發(fā)生嚴(yán)重銹蝕的可能性明顯提高;（3）橋梁設(shè)計時可基于可靠度理論，利用混凝土耐久性失效方程來計算;（4）合理確定橋梁壽命、提高橋梁線形平滑度、控制構(gòu)造裂縫等措施可提升橋梁結(jié)構(gòu)耐久性。

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