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        基于耐久性視角研討公路橋梁設(shè)計要點

        2016-12-02 13:02:45宋洪霞
        工程建設(shè)與設(shè)計 2016年7期
        關(guān)鍵詞:耐久性公路橋梁

        宋洪霞

        (滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北滄州061000)

        基于耐久性視角研討公路橋梁設(shè)計要點

        宋洪霞

        (滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北滄州061000)

        耐久性是衡量公路橋梁設(shè)計的主要指標之一,對橋梁工程的社會效益和經(jīng)濟效益有直接的影響,如果橋梁設(shè)計的耐久性不達標,將會對行人和車輛安全造成極大的威脅。為有效解決公路橋梁的耐久性問題,論文在分析有關(guān)公路橋梁耐久性影響因素的基礎(chǔ)上,結(jié)合其他公路橋梁工程的設(shè)計經(jīng)驗,針對橋梁的耐久性問題,提出相關(guān)的設(shè)計建議。

        公路橋梁;設(shè)計;耐久性

        【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.036

        1 公路橋梁耐久性影響因素分析

        影響公路橋梁耐久性的因素,常見的有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、侵蝕性介質(zhì)幾種。

        1.1 鋼筋銹蝕

        公路橋梁建設(shè),鋼筋是主材之一,同時使用的還有混凝土。初期使用的混凝土,其孔隙內(nèi)的Ca(OH)2溶液處于相對飽和狀態(tài),覆蓋在混凝土內(nèi)的鋼筋,在Ca(OH)2溶液覆蓋范圍內(nèi),表面會形成預(yù)防銹蝕的鈍化狀保護層。但隨著公路橋梁的長時間使用,覆蓋于鋼筋上面的混凝土,受到外界荷載和氣候變化的影響,以及混凝土化學性質(zhì)的潛移變化,會逐漸出現(xiàn)大小不一的裂縫,成為侵蝕性物質(zhì)滲入的通道,Ca(OH)2溶液的濃度也會因此被稀釋,原先起到鋼筋的保護作用逐漸削弱,某些部位的鋼筋失去保護后,就會發(fā)生銹蝕。據(jù)筆者了解,造成鋼筋銹蝕的主要化學成分是氯離子,只要游離狀態(tài)的氯離子超標,并達到一定的臨界值,就會和鋼筋的鐵離子產(chǎn)生化學反應(yīng),生成鐵銹(見圖1)。

        圖1 混凝土橋梁鋼筋銹蝕示意圖

        受到侵蝕影響的鋼筋,受力面面積縮小,不僅強度降低,與混凝土間的膠結(jié)作用也會變?nèi)?,最后鐵銹的膨脹張力和混凝土的約束力抗衡,當前者超過后者,橋梁的耐久性就會越變越弱,最終會嚴重影響到橋梁的承載能力[1]。

        1.2 凍融循環(huán)

        已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的橋面,或者由于質(zhì)量不過關(guān),橋面的孔隙、毛細孔數(shù)量比較多,滯留在橋面的冰霜融化后,會逐漸滲透進橋梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。滲入的水分來不及消散,假設(shè)外界溫度突然下降,這些水分會結(jié)冰膨脹,產(chǎn)生的膨脹力和混凝土

        的約束力抗衡,當前者超過后者,會緩緩破壞橋面的混凝土結(jié)構(gòu),這個水分凍結(jié)和融化的交替過程稱之為凍融破壞。

        凍融循環(huán)的破壞,出現(xiàn)的時間具有周期性特征,對公路橋梁的破壞影響非常直接和嚴重,如果凍結(jié)的水分不融化,其凍脹破壞的影響就會越大,使得橋梁結(jié)構(gòu)的承載性能和保溫性能變?nèi)?,甚至會?dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生風化現(xiàn)象。據(jù)筆者了解,橋梁的混凝土結(jié)構(gòu),大約在經(jīng)過2000次凍融循環(huán)之后,整體結(jié)構(gòu)將損失5%的質(zhì)量,彈性模量和強度也會大幅度降低。而這些指標,都是橫梁公路橋梁耐久性的重要標準,但這些指標變?nèi)鹾?,說明橋梁的耐久性已經(jīng)達不到預(yù)期標準。

        1.3 侵蝕性介質(zhì)

        侵蝕性介質(zhì),指的是自然界中的各種化學物質(zhì),譬如酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)、壓力流動水等,當環(huán)境變化,這些化學物質(zhì)就會直接影響公路橋梁,譬如溶出性侵蝕、溶解性侵蝕和膨脹性侵蝕等,削弱其耐久性能,破壞橋梁的穩(wěn)定和承載性能。受到侵蝕性介質(zhì)影響的公路橋梁,其破壞形式見圖2。

        圖2 侵蝕破壞的疲勞裂縫形式

        在所有的侵蝕性介質(zhì)當中,酸性物質(zhì)的侵蝕性破壞力最大,尤其是酸雨降雨量比較大的區(qū)域,短時間內(nèi)集中破壞混凝土表面,長時間則會滲入混凝土內(nèi)部,進一步破壞混凝土內(nèi)部及其內(nèi)部的鋼筋,影響橋梁的耐久性。

        2 提高公路橋梁耐久性的設(shè)計思路

        為防控鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)及侵蝕性介質(zhì)對公路橋梁耐久性的破壞影響,下面將從設(shè)計的角度,研討提高公路橋梁耐久性的設(shè)計方法。

        2.1 預(yù)防鋼筋銹蝕設(shè)計

        混凝土的合理選擇,是預(yù)防公路橋梁鋼筋銹蝕的重要手段。除了材料選擇,配合比設(shè)計,同樣是確保混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。(1)選擇最為合適的水灰比,控制混凝土內(nèi)部毛細孔的數(shù)量,建議盡可能減少活性骨料的選擇,以非活性骨料代替;(2)堿含量較低水泥的選用,同時在攪拌水泥時,加入適量的引氣劑,雙重的設(shè)計保障,即可有效保護鋼筋;(3)鋼筋的使用,有必要在除銹后,進行防腐處理,通過實驗,檢驗混凝土表面是否存在損傷狀態(tài),根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的使用年限,設(shè)定結(jié)構(gòu)的鋼筋保護率。完成以上設(shè)計后,橋梁結(jié)構(gòu)的橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系見圖3。

        圖3 橋梁橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系

        基于圖3所顯示的橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系,在設(shè)計時,有必要強化鋼筋與模板的結(jié)合程度,確保在混凝土澆筑和振搗時,能夠減少鋼筋的位移狀況。至于連接件和緊固件等,由于暴露在混凝土外,也要重點做好防腐措施[2]。除此之外,伸縮縫的設(shè)計,要根據(jù)橋梁的設(shè)計年限,圍繞結(jié)構(gòu)的適用性標準,同步進行橋面結(jié)構(gòu)和橋臺的防腐,設(shè)計出足夠數(shù)量的排水通道。

        2.2 預(yù)防凍融循環(huán)設(shè)計

        考慮到混凝土裂縫,是提供凍融循環(huán)的破壞通道,在預(yù)防凍融循環(huán)的設(shè)計中,首要前提是徹底解決橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫問題[3]。一方面是配筋控制,橋梁結(jié)構(gòu)的界面,配筋率要合理,既不能太多,也不能太少,太多會影響混凝土的澆筑和振搗,太少則起不到結(jié)構(gòu)保護效果。應(yīng)該根據(jù)混凝土保護層的厚度,以及所選用鋼筋的直徑大小,分析每個截面面積的鋼筋含量,如果所選用鋼筋直徑太小,則要增加適當數(shù)量的鋼筋數(shù)量,確保構(gòu)件抗裂強度達標。橫隔板與U肋的連接形式見圖4。

        除此之外,橋梁所使用的碎石粒徑和其他材料性能等,在規(guī)格方面同樣有著嚴格要求,可參照以下標準:顆粒不大于0.075mm的材料顆粒,重量比不能超過5.0%;壓實后,材料顆粒的重量比,不能超過7.0%。為減少地表水和地下水侵入混凝土內(nèi)部,在混凝土的表面,要加入隔水材料,阻斷外界水分滲透的通道,并在結(jié)構(gòu)的表面,合理布排排水系統(tǒng),確保在地

        表水郁積時,能夠在短時間內(nèi)排離混凝土結(jié)構(gòu)主體的表面。

        圖4 橫隔板與U肋的連接形式

        2.3 預(yù)防侵蝕性介質(zhì)影響設(shè)計

        侵蝕性物質(zhì)的客觀存在,我們無法進行消除,但可通過使用環(huán)境的控制和后期養(yǎng)護,提前做好預(yù)防侵蝕性介質(zhì)影響的設(shè)計工作。侵蝕性介質(zhì)主要在環(huán)境變化影響后,才會對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響,想要徹底消除侵蝕性介質(zhì)的不良影響,首要前提是做好環(huán)境保護工作。在進行橋梁設(shè)計時,就要提前做好環(huán)境保護工作,盡可能減少對環(huán)境的破壞影響。再如水灰比的適當控制,增強混凝土的密度水平,阻斷二氧化碳侵入的數(shù)量,即可降低混凝土碳化的速度。在控制混凝土使用環(huán)境后,橋梁的橫向正應(yīng)力狀態(tài)見圖5。

        圖5 控制使用環(huán)境后橋梁的橫向正應(yīng)力和荷載橫向位置關(guān)系

        在材料選擇方面,可充分考慮材料的抗腐蝕性,如鎂氧水泥、礦渣水泥等,含有一定量的抗腐蝕介質(zhì),同時還可以在混凝土澆筑后,在其表面均勻噴灑防腐的抗?jié)B砂漿,這些都是預(yù)防侵蝕性介質(zhì)腐蝕的重要舉措。在后期養(yǎng)護中,固定時間檢修橋梁,可利用現(xiàn)代化的檢測,參照有關(guān)的監(jiān)控機制,實施監(jiān)測橋梁的耐久性狀態(tài),為橋梁質(zhì)量防治工作,提供實時依據(jù)。

        3 結(jié)語

        通過研究,基本明確了如果通過公路橋梁的設(shè)計,提高橋梁耐久性的方法及相關(guān)建議措施,原則上可供其他公路橋梁設(shè)計工作參考借鑒,但考慮到不同公路橋梁的耐久性要求不同,以及設(shè)計主客觀環(huán)境的差異性,以上方法在其他橋梁設(shè)計工程中,務(wù)必緊扣有關(guān)工程實際情況,予以靈活地參考借鑒。

        【1】吳立朋,楊進波,閻培渝.混凝土抗氯離子滲透性PERMIT試驗方法改進及工程應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報,2012(2):304-310.

        【2】盧連連.基于灰色理論的在役橋梁剩余使用壽命預(yù)測及改建方案評價[D].重慶:重慶交通大學,2008.

        【3】劉珊.淺談公路橋梁伸縮縫的病害及養(yǎng)護管理[J].中國科技博覽, 2012(26):443-443.

        Based on the Perspective of DurabilityWeminarHighwayBridgeDesignElements

        SONG Hong-xia
        (CangzhouShuangsheng HighwayEngineeringConsultingCo.Ltd.,Cangzhou 061000,China)

        Durabilityisoneofthemainindicatorstomeasurethehighwaybridgedesign,bridgeengineeringsocialandeconomicbenefits, therewillbeadirectimpact onthedurabilityofthedesign ifthebridgeisnot upto pedestrianandvehiclesafety,will cause greatthreats.To effectivelysolvetheproblemofthedurabilityofroadsandbridges,thearticlewillanalyzethedurabilityfactorsrelatedtoroadsandbridges, basedonthecombineddesignexperienceofotherroadsandbridgesprojects,forthedurabilityofthebridge,makerelevantdesignproposals.

        roadsandbridges;design;durability

        U442

        A

        1007-9467(2016)07-0141-03

        2016-05-05

        宋洪霞(1984~),女,河北滄州人,工程師,從事公路、橋梁設(shè)計與研究,(電子信箱)154900388@qq.com。

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