程玉梅

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001）

前言

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題是耐久性研究中的重要組成部分。橋梁建設(shè)是國(guó)家重要的基礎(chǔ)建設(shè)之一，橋梁工程是關(guān)系到社會(huì)和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線工程。橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，巨大的資金投入，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的顯赫作用，使得人們對(duì)橋梁的安全性、耐久性越來(lái)越重視。由于環(huán)境影響、日益增長(zhǎng)的交通量以及公路運(yùn)輸業(yè)經(jīng)常提倡提高汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)，因此許多既有橋梁不能滿足為設(shè)計(jì)新橋而規(guī)定的結(jié)構(gòu)要求；劣化和荷載增加也導(dǎo)致了橋梁可靠性的降低，橋梁的可靠度最終可能降低到規(guī)定的水平之下，因此需要經(jīng)常根據(jù)橋梁的安全性和耐久性作出決策。

分析混凝土橋梁130余年的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，從素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土，以至預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，每一步都含有與混凝土耐久性作斗爭(zhēng)的內(nèi)容。

1 混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)病害原因分析

橋梁工程是一個(gè)由許多結(jié)構(gòu)件組成的一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)件不僅本身要有足夠強(qiáng)度和耐久性，而且組合到整個(gè)橋梁中也要滿足全橋安全性和耐久性，引起混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。以往的乃至現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，普遍存在著重強(qiáng)度設(shè)計(jì)而輕耐久性設(shè)計(jì)的現(xiàn)象。同時(shí)，不合格的施工也會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，常見的施工問(wèn)題如混凝土質(zhì)量不合格、鋼筋保護(hù)層厚度不足都有可能導(dǎo)致鋼筋提前銹蝕。另外，在結(jié)構(gòu)的使用過(guò)程中，由于沒(méi)有合理的維護(hù)而造成的結(jié)構(gòu)耐久性降低也是不容忽視的，如對(duì)結(jié)構(gòu)的碰撞、磨損及使用環(huán)境的劣化，這些都會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到預(yù)定的使用年限。國(guó)外學(xué)者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性，即設(shè)計(jì)階段對(duì)鋼筋防護(hù)方面節(jié)省1美元，那么就意味著：發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)5美元；混凝土表面順筋開裂時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)25美元；嚴(yán)重破壞時(shí)采取措施將追加維修費(fèi)125美元。很多橋梁病害經(jīng)常與施工質(zhì)量低劣有關(guān)，但在承認(rèn)施工存在問(wèn)題的同時(shí)，也不可否認(rèn)在橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域還有許多可以改進(jìn)的地方。許多設(shè)計(jì)人員往往只滿足于規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)、結(jié)構(gòu)耐久性以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性??；有的計(jì)算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過(guò)大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過(guò)低、保護(hù)層厚度過(guò)小、鋼筋直徑過(guò)細(xì)、構(gòu)件截面過(guò)薄，這些都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，會(huì)增加橋梁的病害。因此，合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了滿足規(guī)范要求外，還要求設(shè)計(jì)人員具有對(duì)結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識(shí)。豐富的經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)確的判斷。從而在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)全壽命使用過(guò)程進(jìn)行全面綜合分析和計(jì)算，提高結(jié)構(gòu)的使用耐久性。

2 混凝土橋梁設(shè)計(jì)耐久性構(gòu)造措施

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)研究雖然比較成熟，但應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員足夠的重視，避免橋梁建成后的先天性不足，在具體橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)深入的分析和研究。主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

2.1 合理的結(jié)構(gòu)在荷載作用下，其傳力路徑較短的原則

對(duì)于拉(壓)桿，其主應(yīng)力跡線均平行于桿件軸線，因此，傳力路徑等于桿件的長(zhǎng)度。而對(duì)于純受彎桿件，任一橫截面內(nèi)均有拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，其主拉(壓)應(yīng)力跡線平行于桿件軸線，其傳力路徑等于桿件的長(zhǎng)度。但梁常為彎剪耦合構(gòu)件，梁內(nèi)任意一點(diǎn)均處于二向受力狀態(tài)。其主應(yīng)力跡線呈曲線，可見，其傳力路徑復(fù)雜，此時(shí)可將梁比擬為“桁架”(拉壓結(jié)構(gòu))，各構(gòu)件傳力路徑之和可定義為梁的傳力路徑。對(duì)于彎剪扭耦合構(gòu)件，可將其比擬為“空間桁架”?？梢姡?壓)桿件傳力路徑較受彎桿件短得多，它是傳力最簡(jiǎn)捷的構(gòu)件。

不論是橋跨結(jié)構(gòu)還是支承結(jié)構(gòu)，不論是橫截面內(nèi)(如受彎箱梁在彎矩平面內(nèi)的傳力路徑主要是沿腹板傳遞，因此，其主筋應(yīng)配置在靠近腹板的范圍內(nèi)為好等)還是細(xì)部構(gòu)造(如拱上立柱與箱拱連接處橫隔板沿立柱豎向設(shè)置較徑向設(shè)置傳力簡(jiǎn)捷；帶掛孔的懸臂梁橋采用受拉型鉸較傳統(tǒng)受壓型鉸施工吊裝方便、牛腿的受力與梁的受力吻合，細(xì)部構(gòu)造優(yōu)越等)，傳力路徑簡(jiǎn)捷、明快，是較好的形式。

2.2 整體性、連續(xù)性和冗余性原則

合理的結(jié)構(gòu)整體性好，構(gòu)件體形變化平順不僅是美觀的要求，而且構(gòu)件體形變化平順、節(jié)點(diǎn)處或邊界處過(guò)渡平順、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)是力流平順的必要條件，同時(shí)，也可提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。

整體性和冗余性可以保證橋梁在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下具有良好的使用性能及對(duì)局部損傷和破壞具有適當(dāng)?shù)牡挚鼓芰Γ@些特點(diǎn)有利于結(jié)構(gòu)抵抗諸如超載、地震等荷載。由于橋梁的伸縮縫長(zhǎng)期暴露在大氣中，使用環(huán)境比較惡劣，是橋梁結(jié)構(gòu)中最易遭到破壞而又較難以修補(bǔ)的部位。橋梁伸縮縫在設(shè)計(jì)、施工上稍有缺陷或不足，就會(huì)引起其早期破壞；而橋梁伸縮縫的破壞，又可能引起很大的車輛沖擊荷載，惡化行車狀況，急劇降低橋梁使用壽命。世界各國(guó)的學(xué)者都在努力尋求最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)論是“最好的伸縮縫結(jié)構(gòu)是無(wú)伸縮縫”。近年來(lái)，國(guó)外日益強(qiáng)調(diào)通過(guò)減少甚至取消橋梁接縫(伸縮縫)和支座來(lái)保證橋梁的整體性和適用性，同時(shí)可以減少后期的維護(hù)費(fèi)用。美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)修建了一些沒(méi)有支座和伸縮縫的整體式橋梁，使用情況良好。此外，已經(jīng)有越來(lái)越多的人開始研究整體式橋梁的可行性。

2.3 可檢性、可修性和可替換性原則

人們有一個(gè)習(xí)慣的誤解，認(rèn)為橋梁屬于永久性建筑，它的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，那么在100年內(nèi)就不應(yīng)該出現(xiàn)部件的損壞與更換。實(shí)際上橋梁整體結(jié)構(gòu)的壽命和結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的壽命是不等的，如橡膠支座的壽命一般在20年左右，鋼拉索的壽命約10年～50年，鋼結(jié)構(gòu)油漆保護(hù)壽命約為20年，因而對(duì)這些壽命期低于結(jié)構(gòu)壽命期的部件必須做到可檢查、可維修、可更換。原蘇聯(lián)對(duì)其橋梁各組成部件統(tǒng)計(jì)的平均服務(wù)年限，有的長(zhǎng)達(dá)百年以上，有的僅數(shù)年。橋梁構(gòu)件達(dá)到使用壽命期而損壞，管理單位就應(yīng)進(jìn)行正常的更換，不能因未及時(shí)更換而引起或加速主要承重構(gòu)件的損壞而影響橋梁的整體耐久性。

20世紀(jì)末北京的西直門立交橋重建，在舊橋拆除時(shí)發(fā)現(xiàn)的病害十分嚴(yán)重，其中橡膠支座老化結(jié)硬，以致承臺(tái)破裂。不論是橋梁的永久構(gòu)件或需要中期更換的構(gòu)件，都應(yīng)該能讓檢查人員容易到達(dá)、進(jìn)行檢查和耐久性維護(hù)。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該為此創(chuàng)造必要的條件，如為更換支座應(yīng)在蓋梁上預(yù)留有放置千斤頂?shù)忍嵘O(shè)備的空間，也應(yīng)為工作人員留有操作平臺(tái)；否則將大大增加后期維護(hù)的困難和費(fèi)用。國(guó)內(nèi)很多橋梁設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮構(gòu)件更換的需要，甚至沒(méi)有設(shè)置檢查所需的通道。

2.4 結(jié)構(gòu)體系防水的原則

防止橋面雨水等對(duì)主梁和墩臺(tái)的侵蝕是減少橋梁病害和保證橋梁耐久性的基本要求之一，良好的構(gòu)造措施是實(shí)現(xiàn)這一要求的根本。特別是對(duì)于我國(guó)北方利用撒鹽進(jìn)行橋面除冰的地區(qū)，應(yīng)特別注意在橋梁設(shè)計(jì)中處理好橋梁防水、隔水的問(wèn)題，以阻止可能引起鋼筋嚴(yán)重銹蝕的鹽水的侵蝕?，F(xiàn)階段關(guān)于結(jié)構(gòu)耐久性的系列研究還在進(jìn)行，耐久性設(shè)計(jì)的很多問(wèn)題不會(huì)在短期內(nèi)研究徹底，也不會(huì)很快制定出系統(tǒng)、適用的規(guī)范和方法。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度探討了保證橋梁耐久性的一些設(shè)計(jì)原則，希望以后的橋梁設(shè)計(jì)不僅要滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于強(qiáng)度和變形方面的要求，還應(yīng)該考慮耐久性對(duì)于體系和構(gòu)造上的要求；同時(shí)橋梁耐久性的研究不能將太多的精力集中在材料耐久性退化機(jī)理上，從構(gòu)造和體系上研究橋梁耐久性的設(shè)計(jì)方法應(yīng)引起人們的足夠重視。

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