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        論橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

        2010-12-31 18:23:04程玉梅
        關(guān)鍵詞:耐久性橋梁混凝土

        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。

        [1]衛(wèi)軍,張曉玲,趙霄龍.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].低溫建筑技術(shù),2003(5):9.

        [2]金偉良,趙羽.-j.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社.2O02:7-25.

        [3]牛獲濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[M].北京:科學(xué)出版社.2003:2-14.

        [4]黃賢增,余小江.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的一些建議[J].山西建筑,2008,34(31):91-92.

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