文／南昌市公路勘察設(shè)計(jì)院 熊倚奇 李賽

關(guān)鍵字:公路橋梁；設(shè)計(jì)；耐久性；安全性

1 公路橋梁耐久性和安全性問(wèn)題的表現(xiàn)形式

大量研究表明，公路橋梁耐久性和安全性問(wèn)題的表現(xiàn)形式主要有混凝土碳化、鋼筋銹蝕、混凝土滲水、堿骨集料反應(yīng)等。

1.1 混凝土碳化

混凝土碳化是指隨著使用時(shí)間的推移，空氣中二氧化碳?xì)怏w不斷滲透入水泥中，并與其中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而逐漸改變水泥的化學(xué)成分，造成混凝土使用結(jié)構(gòu)性能的下降的一種物理化學(xué)過(guò)程?；炷撂蓟：χ饕憩F(xiàn)在混凝土堿性的下降、鋼筋表面鈍化膜的破壞、混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)能力降低、鋼筋被銹蝕、混凝土收縮加劇、混凝土裂縫增多、混凝土結(jié)構(gòu)破壞等等。因此，混凝土的碳化直接影響著混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。由于全球工業(yè)的快速發(fā)展，空氣中二氧化碳濃度極具增加，這將顯著增加混凝土的碳化作用。因此，在公路橋梁設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)對(duì)混凝土碳化的研究是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

1.2 鋼筋銹蝕

表現(xiàn)在橋梁耐久性和安全性方面的混凝土鋼筋銹蝕主要指的是水中氯離子、硫酸鹽、酸性介質(zhì)，空氣中二氧化碳等酸性物質(zhì)，活性混合材料與鋼筋中鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成其氧化，同時(shí)，水不斷溶解鋼筋中金屬陽(yáng)離子的一種化學(xué)性破壞。鋼筋銹蝕后，由于鐵銹的體積遠(yuǎn)大于鐵的體積，從而造成鋼筋體積不斷膨脹，造成的危害主要表現(xiàn)在引發(fā)混凝土產(chǎn)生裂縫、降低鋼筋與混凝土之間的的粘接力與握裹力、造成混凝土保護(hù)層崩落、混凝土順筋開(kāi)裂、鋼筋斷面破壞、鋼筋腐蝕斷裂等，這些都直接影響了橋梁整體結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

1.3 混凝土滲水破壞

混凝土滲水破壞主要表現(xiàn)在鋼筋混凝土侵蝕與凍害，是當(dāng)今橋梁破壞的常見(jiàn)形式之一。造成這種破壞的原因是混凝土材料的多孔結(jié)構(gòu)特性帶來(lái)的自身較差的抗?jié)B性能，氯等有害物質(zhì)穿透混凝土侵蝕鋼筋，同時(shí)，在北方寒冷地區(qū)，混凝土中毛細(xì)水遇冷結(jié)冰，冰體積膨脹擠壓混凝土空隙造成混凝破壞。因此，混凝土抗?jié)B性直接決定了鋼筋的抗腐蝕性及混凝土的抗凍性，直接影響著混凝土耐久性和安全性。而加強(qiáng)混凝土抗?jié)B性研究重點(diǎn)是研究水泥集料的性能與結(jié)構(gòu)搭配。

1.4 堿骨集料反應(yīng)破壞

堿骨集料反應(yīng)破壞主要表現(xiàn)在混凝土膨脹開(kāi)裂破壞、結(jié)構(gòu)喪失原有的性能，并逐漸引發(fā)諸多協(xié)同破壞作用，從而影響著公路橋梁的耐久性與安全性。造成這種破壞的源泉是混凝土構(gòu)成成分本身，是隨著時(shí)間的推移，水泥、混合材料中氧化鉀與氧化鈉等堿性物質(zhì)、外加劑、骨料中的活性成分等混凝土構(gòu)成成分不斷的發(fā)生緩慢的堿硅酸鹽反應(yīng)、堿碳酸鹽反應(yīng)、堿硅酸反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)，形成喜水的化合物，化合物的吸水膨脹造成混凝土脹裂破壞。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中均勻分布的活性骨料與堿骨料一旦發(fā)生反應(yīng)將造成混凝土內(nèi)部大范圍脹裂破壞，而這種破壞是致命的，解決方案只有拆除，堪稱(chēng)混凝土的癌癥，在公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)充分加以考慮。

2 公路橋梁設(shè)計(jì)中耐久性和安全性的影響因素

2.1 設(shè)計(jì)理論與理念尚有缺陷

近年來(lái)，我國(guó)公路橋梁建設(shè)水平得到了大跨步提升，設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)流程、建設(shè)技術(shù)逐步得到完善，但是，在設(shè)計(jì)理論與理念上依然存在著較大缺陷。主要表現(xiàn)在：公路橋梁設(shè)計(jì)理論體系依然主要是基于橋梁靜態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮更多的也是公路橋梁完工后運(yùn)行性能參數(shù)。在公路橋梁用材微觀性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等方面的研究工作依然是十分匱乏的。同時(shí)，當(dāng)前公路設(shè)計(jì)理論體系比較重視的是公路橋梁的建造成本，在公路橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)成本依然缺乏足夠重視。設(shè)計(jì)人員在公路對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體把控上、耐久性和安全性的方案優(yōu)化上、橋梁構(gòu)造與應(yīng)力體系的合理控制上依然存在著較大的欠缺。這些都造成了公路橋梁設(shè)計(jì)中耐久性和安全性的設(shè)計(jì)工作[2]。

2.2 設(shè)計(jì)思路尚不夠嚴(yán)密

當(dāng)前，設(shè)計(jì)人員在對(duì)公路橋梁工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，普遍采用的是先確定經(jīng)濟(jì)與技術(shù)均可行的設(shè)計(jì)方案，再依據(jù)規(guī)范選擇符合工程情況且能夠保障橋梁工程安全的安全系數(shù)。但是在設(shè)計(jì)思路的嚴(yán)密上依然存在著較大的不足。設(shè)計(jì)人員在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)常常僅考慮橋梁結(jié)構(gòu)安全的保證強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而忽視了綜合計(jì)算公路橋梁結(jié)構(gòu)材料與體系、結(jié)構(gòu)耐久性等影響能力，尤其是不重視公路橋梁工程運(yùn)營(yíng)階段可能發(fā)生的人為因素、不可抗力因素等偶然事件而造成公路橋梁耐久性和安全性受到影響的情況。曾發(fā)生一案例，設(shè)計(jì)人員在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)由于未統(tǒng)一規(guī)定橋梁結(jié)構(gòu)表面的混凝土厚度，造成公路橋梁運(yùn)營(yíng)階段受混凝土厚度不一影響，在車(chē)載壓力過(guò)大時(shí)出現(xiàn)路面混凝土板斷裂，進(jìn)而發(fā)生橋梁坍塌事故。

2.3 設(shè)計(jì)過(guò)程尚不夠靈活

隨著公路橋梁建設(shè)速度的快速發(fā)展，我國(guó)積累了大量公路橋梁工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，形成了一套較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。當(dāng)前設(shè)計(jì)人員在對(duì)公路橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往都是基于規(guī)范和歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程的靈活程度較低。而我國(guó)大跨度、高強(qiáng)度的公路橋梁工程越來(lái)越多，建設(shè)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜多變背景下，如果設(shè)計(jì)人員一味憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與主觀意識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)工程實(shí)際情況欠缺分析，對(duì)不合理的經(jīng)驗(yàn)判斷，將嚴(yán)重影響公路橋梁工程的耐久性和安全性。

3 公路橋梁設(shè)計(jì)中耐久性與安全性的改善方法

3.1 做好公路橋梁設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作

做好公路橋梁工程設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作是保障后期設(shè)計(jì)充分合理的基礎(chǔ)。在準(zhǔn)確工作期間，應(yīng)重點(diǎn)做好：選擇具有相關(guān)資質(zhì)的單位對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)查，查明工程區(qū)域的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件、水文環(huán)境，重點(diǎn)掌握地下水賦存特征與區(qū)域氣候環(huán)境[3]。然后根據(jù)工程環(huán)境情況評(píng)估分析公路橋梁運(yùn)營(yíng)階段將可能遇到的各類(lèi)問(wèn)題，并在公路橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入研究，并制定應(yīng)對(duì)方案融入到橋梁設(shè)計(jì)方案中。

3.2 重視公路橋梁頻繁超載、疲勞損傷的設(shè)計(jì)

大量研究表明，公路橋梁的耐久性和安全性出現(xiàn)問(wèn)題常常是因公路橋梁運(yùn)營(yíng)階段遭受到頻繁超載與疲勞損傷。其中，疲勞損傷設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮車(chē)流量、地震、風(fēng)、雪堆積等方面的荷載因素。這些因素的綜合作用會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)共振、橋梁內(nèi)部疲勞損傷，公路橋梁混凝土表層不斷形成裂隙，不斷積累后還將造成橋梁整體的破壞。另外，運(yùn)營(yíng)階段還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)公路橋梁的疲勞損傷監(jiān)測(cè)工作。公路橋梁具體設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，計(jì)算并預(yù)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)易失效的構(gòu)件，深入研究鋼筋構(gòu)件腐蝕問(wèn)題。頻繁超載主要是應(yīng)超載問(wèn)題積累而造成結(jié)構(gòu)損傷、混凝土面層開(kāi)裂、鋼筋疲勞彎曲、鋼筋混凝土強(qiáng)度下降。頻繁超載設(shè)計(jì)中首先應(yīng)分析橋梁段可能發(fā)生超載的原因，分析車(chē)輛違規(guī)超載、超過(guò)設(shè)計(jì)車(chē)流量、公路橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等不同因素的概率，在公路橋梁設(shè)計(jì)方案制定應(yīng)對(duì)方案，同時(shí)給出車(chē)流量合理閾值，保障公路橋梁的耐久性和安全性。

3.3 研究公路橋梁耐久性和安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

在對(duì)公路橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范準(zhǔn)確確定設(shè)計(jì)工程的耐久性與安全性參數(shù)，明確各類(lèi)施工技術(shù)工藝的要求。同時(shí)，也需要加強(qiáng)對(duì)涉及耐久性和安全性的相關(guān)關(guān)鍵性技術(shù)的研究工作。公路橋梁的復(fù)雜化、設(shè)計(jì)的節(jié)約化是必然趨勢(shì)，而新材料的研發(fā)、施工工藝的更新、設(shè)計(jì)的精細(xì)化是解決這一矛盾的主要手段。因此，加強(qiáng)對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，提高結(jié)構(gòu)整體性分析水平，加強(qiáng)各類(lèi)工程材料的選取與配制水準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)分析處理能力，是未來(lái)公路橋梁耐久性和安全性設(shè)計(jì)的有力保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

公路橋梁的耐久性與安全性直接影響著公路交通的正常運(yùn)營(yíng)，公路橋梁設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)其的重視程度，在設(shè)計(jì)中充分考慮各種影響因素，積極研發(fā)新設(shè)計(jì)理念與關(guān)鍵技術(shù)，強(qiáng)化設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，努力提高公路橋梁耐久性與安全性的設(shè)計(jì)水平。