陳孟林

（撫州贛東公路設計院有限公司，江西 撫州344000）

0 引言

近幾年橋梁耐久性差、服務壽命短以及全壽命指標差等問題已經嚴重影響到橋梁正常功能的發(fā)揮，并且橋梁的后期養(yǎng)護以及維修等需要投入大量的人力與資金，帶來了巨大的經濟負擔。究其原因是橋梁結構耐久性下降，導致橋梁在后期運行中面臨著一系列問題。所以，為了能夠更好地支持未來社會發(fā)展，需要尋找到一種有助于提升橋梁耐久性的途徑，這也是該研究的主要目的。

1 橋梁結構耐久性的影響因素

1.1 設計方面的因素

橋梁的設計方案對其結構耐久性的影響十分明顯，例如部分設計人員只滿足于技術規(guī)范對橋梁結構設計的強度要求，而忽視了結構構造、原材料以及結構維護等幾方面因素的影響，最終造成設計方案出現問題，主要表現為：

第一，橋梁的結構與構造細節(jié)不合理。目前在橋梁結構設計中通常考慮經濟指標、地質條件、施工方案等幾個方面的因素，而對耐久性問題考慮得較少。如在預應力結構橋梁設計階段，采用連續(xù)或者簡支結構，型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結構與構造問題，會直接影響橋梁的耐久性能，再加之相關評價指標的缺失，會導致橋梁設計方案的耐久性不足，或者部分橋梁結構的計算圖示以及受力路線不明確，導致橋梁在建成之后出現局部受力偏大的問題。

第二，計算方面的因素，包括：設計人員在橋梁設計期間忽視了混凝土徐變、溫度應力等因素對橋梁結構的影響；在橋梁結構有限元分析中，設計人員過于關注局部單位劃分的問題，而忽視了結構邊界以及銜接條件等因素的影響；針對橋梁中的特殊問題計算不當，如預應力鋼筋錨固位置、構件角隅處等位置因為計算的局限而造成配筋方案不合理的問題。

1.2 施工與使用因素

該因素主要是指橋梁在施工過程中的技術方案不合理，施工上的某些缺陷雖然在短期內對橋梁結構整體性能的影響不明顯，但是隨著時間的推移，對橋梁耐久性的影響會明顯提升，常見問題包括：橋梁結構施工中出現原材料質量問題；預應力材料防護中的效果不明顯；壓漿施工存在弊端；張拉力水平偏低等。

橋梁的使用因素也是影響橋梁結構耐久性的重要原因，其中以車輛超載運行表現得最為嚴重，這是因為超載運行會加劇橋梁的疲勞情況，導致疲勞應力幅度增加等情況，甚至局部會因為超載而發(fā)生結構性破壞，同時超載對橋梁結構造成的損傷是不容忽視的。如某些預應力混凝土橋梁受到汽車荷載超載等因素影響可能出現開裂的問題，部分橋梁的裂縫雖然在荷載卸除后順利閉合，但是這種裂縫對橋梁的影響是無法消除的，甚至在正常荷載作用下都會導致橋梁出現較為嚴重的變形裂縫。

1.3 其他因素的影響

其他因素是指橋梁運行中所面臨的各種因素，如風雨侵襲等自然因素，或者因為氣候變化造成的溫度改變，或者因為船舶撞擊導致橋梁結構受損等。

2 橋梁結構耐久性的優(yōu)化設計方案分析

根據前文的研究可知，影響橋梁結構耐久性的因素較多，以下將從設計角度入手，尋找提升結構耐久性的有效方法。

2.1 原材料設計

2.1.1 水泥

在橋梁混凝土中，鋼筋銹蝕是造成結構耐久性損傷的關鍵問題，而在正常的氣候條件下，混凝土碳化則是造成鋼筋銹蝕的主要條件。例如水泥的不同品種會導致混凝土碳化指標出現差異，這是因為水泥水化產物中的堿性物質含量不同，因此對混凝土碳化速度存在一定影響，同時水泥用量本身會影響材料的二氧化碳吸收量，水泥用量越大，則碳化速度越慢，其中的關系可以如表1所示。

表1 水泥用量與碳化深度之間的關系

同時，水灰比對混凝土性能的影響明顯，決定了二氧化碳在混凝土中的擴散速度，其關系如式（1）、式（2）所示。

根據式（1）與式（2）的相關內容可知，在橋梁結構設計中，尋找正確的水灰比是設計人員不容忽視的問題。

2.1.2 骨料

選擇骨料時應考慮到級配、孔隙等因素影響，其中孔隙率越小越理想。同時為滿足橋梁耐久性的要求，可適當降低骨料最大粒徑的參數；骨料級配是設計工作中的重點內容，混凝土孔隙越少越能減少有害介質的擴散速度。

2.1.3 配合比設計

（1）在橋梁原材料性能管理中，若粉煤灰的摻量小于10%，則可以忽視粉煤灰對混凝土結構性能的影響。而根據相關工程的經驗，在配合比設計中粉煤灰的摻量應控制在30%以下。

（2）針對混凝土抗壓強度的相關指標，其中混凝土強度越高，則抗碳化性能越強，因此在設計方案中可根據具體工況設計抗壓強度。

2.1.4 預防堿-集料反應

堿-集料反應主要是指混凝土結構中的礦物集料與孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生化學反應，這些化學反應可能造成膨脹破壞等情況。當膨脹系數過高時會造成混凝土材料破壞，并且這種反應所造成的破壞可能造成混凝土結構整體性破壞，目前無有效的修補方法。

根據堿-集料反應發(fā)生的作用機制，在橋梁設計中可以采用下列方式應對。

使用低堿型水泥。目前我國針對混凝土原材料的不同對原材料的使用環(huán)境提出了詳細要求，設計人員可以按照表2的數據合理選擇。

表2 混凝土含堿的規(guī)范參數

同時對于設計人員而言，為提升橋梁結構耐久性也可以考慮通過摻和料來改善混凝土堿性。例如通過向混凝土中摻加5%的硅灰可以有效降低堿-集料反應發(fā)生率，或者向其中摻加20%的粉煤灰也可以取得預期效果。但是在具體操作中還應該考慮到摻和料對混凝土強度等因素影響，如硅灰顆粒較細會增加混凝土需水量，這是設計人員應重點考慮的問題。

2.1.5 強化混凝土結構的抗?jié)B性

（1）在橋梁結構設計中需要注意的是，水灰比是影響混凝土抗?jié)B性能的重要因素，其水灰比越大則毛細孔半徑增長得越明顯，如當水灰比為0.25時，積分空隙率達到了0.105cm/kg，對應體積為19.5%；而當水灰比達到0.35時，積分空隙率達到了0.145cm/kg，體積占比為24.8%；水灰比為0.50時，積分空隙率為0.219cm/kg，體積占比為23.0%。同時，還需要注意的是，當混凝土材料中的水灰比大于0.55時，會導致混凝土滲透性明顯增加。

（2）天然巖石中，花崗巖為集料時混凝土的抗?jié)B性最好，因此在設計階段應根據橋梁具體情況合理選擇，同時維持砂石等關鍵原材料的清潔度也是需要重點考慮的問題。

（3）考慮到氯離子的存在會對鋼筋產生銹蝕作用，因此設計人員應優(yōu)先選擇氯離子含量低的水泥，其中硅酸鹽水泥中不含氯離子，也可以用于橋梁工程項目施工。同時，設計人員也應該注意，若使用含有礦物混合料的水泥，應該評估水泥礦物混合料的品種以及摻量等重要指標的影響，避免氯離子水平偏高而影響混凝土結構性能。

2.2 橋梁結構設計

2.2.1 基于耐久性的橋梁結構設計

為達到提升橋梁結構耐久性的目標，需要在橋梁設計中體現以下內容。

第一，地質條件對橋梁結構耐久性的影響明顯，所以針對地質條件差的區(qū)域可考慮采用大跨度橋梁設計方法，這種模式有助于改善支撐結構，降低橋梁后期發(fā)生病害的風險。

第二，在相同的區(qū)段內應盡量保持橋梁孔徑及其樣式應力統(tǒng)一，所以除了需要滿足通航或者其他特殊要求的孔徑外，其他孔徑應盡量采用相同結構。

第三，嚴格控制橋梁的中線也是設計人員應重點關注的問題，理想的橋梁中線應該與河道水流向正交，這種設計方法可以避免水流與橋頭位置相交而造成三角回流，這對于提升橋梁安全性的意義重大，也有助于提升耐久性。

第四，針對橋梁設計中的特殊情況（如跨越河道水流深或者河面寬），可選擇增加水中跨橋的跨度，并盡可能地將橋墩固定在岸上或者淺水區(qū)，減少橋墩在深水區(qū)的分布。這種方法有助于減少用水等因素對橋梁結構的影響，也能避免發(fā)生船舶撞擊等問題。

第五，考慮到不良地質的存在會影響橋梁結構耐久性，所以在布置橋墩時可考慮以下幾個方面因素的影響：首先，所有墩臺基礎應設置在穩(wěn)定的地基上，注意遠離軟弱地質。其次，應嚴格規(guī)劃墩臺的位置，注意遠離滑坡、斷層以及溶洞或者黃土陷穴等位置。再次，針對所有靠近陡峭巖壁的河槽邊墩基礎位置，應避免穿經水下山坡落石堆積層等特殊地質區(qū)域。最后，考慮到橋梁工程中經常遇見不良地質問題，所以為保證結構耐久性，設計人員應避免使用對于沉降過于敏感的形式，如拱橋可能產生水平推力，因此不建議在地質不良地區(qū)使用。

2.2.2 耐久性的構造措施

目前在橋梁工程中，關于結構的設計已經進入相對成熟的階段，但是為強化其耐久性，在設計過程中還是要注意避免出現“后天不良”等質量問題，因此在設計階段應關注以下幾個方面問題：

第一，在保證橋梁結構合理的基礎上，應盡量選擇穿力路徑最小的設計方案。在設計階段，考慮到拉壓桿的主應力與桿件軸線相互平行，所以可以認為其穿力路徑與桿件的長度是相同的。相比之下，純受彎桿件在任意橫截面位置均有拉應力與壓應力的存在，其穿力路徑與桿件長度相同。但是梁普遍為彎剪耦合構件，任意一點均同時面臨兩方面力的影響，相比之下該結構的穿力路徑更加復雜。因此，為了能夠盡可能地提升橋梁結構的耐久性，可以選擇拉壓桿件等技術，有助于簡化穿力路徑。

第二，堅持力線平均化應急應力均勻流暢的基本原則。針對橋梁的桿系結構，應保持桿件橫截面的應力均勻分布，每個位置的結構應力相對流暢，這種結構才能最大限度地保證結構耐久性。

而針對大跨度橋梁，因為橋梁的結構十分復雜，因此其構造的合理性直接關系到橋梁的耐久性能，此時在設計過程中應注意的是：首先，考慮到在大跨度橋梁中可能存在力學不連續(xù)的部位，此時若發(fā)現荷載作用點或者彎折等部位的應力分布相對復雜，難以判斷鋼筋的位置，則該部位發(fā)生結構耐久性損傷的風險較高。所以在設計階段應確保結構力學傳遞路徑平滑、簡單，并減少結構中受力沖突等問題，必要時在設計階段可以借助“壓桿-拉桿-模型法”評估其應力流情況。其次，在橋梁結構優(yōu)化設計中堅持力線平滑的原則具有可行性，該設計方法的關鍵點就是要確保構造的幾何結構具有形式簡單、少突變等。例如在圖1介紹的兩種結構中，（a）結構的外表突變偏多，導致構件容易遭受腐蝕，并且加工過程中的精度控制難度高；相比之下（b）構件的結構更加合理，材料強度得到發(fā)揮，達到了縮短穿力路徑的效果。所以兩個結構相比，（b）構件更加合理，是未來橋梁結構耐久性設計的首選。

圖1 兩種構件簡圖

在結構設計中應該注意的是，大跨越結構下橋梁結構所能承受的軸向拉力較大，目前相對成熟的設計方案包括懸索橋、拱橋以及斜拉橋等，在設計階段可根據具體工況合理選擇橋梁結構形式。

3 結語

針對橋梁結構耐久性的相關問題，相關人員應該認識到不同設計方案對橋梁穩(wěn)定性的影響，為了能夠達到維持結構穩(wěn)定性的目標，在未來工作中要求設計人員能夠認識到原材料因素與橋梁結構耐久性之間的關系，堅持改進原材料的搭配以及使用方案等，通過預防混凝土碳化、控制堿-集料反應等措施進一步提升結構耐久性。而在橋梁結構措施設計中，也應該優(yōu)化結構的穿力路徑，關注地質、水流等因素對橋梁耐久性的影響，堅持合理設計原則，這樣才能切實提升結構穩(wěn)定性。