曾學(xué)，張林鵬，黃萍，熊志朋

（江西省交通科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

橋梁是公路、鐵路建設(shè)領(lǐng)域的重要組成部分，提高橋梁建設(shè)品質(zhì)有助于推動(dòng)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但橋梁所處環(huán)境復(fù)雜，隨著使用時(shí)間的延長，橋梁結(jié)構(gòu)易發(fā)生老化，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的耐久性，埋下安全隱患。為此，必須從源頭上予以防控，首先需明確橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素，再進(jìn)一步做好優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，提高橋梁的耐久性。

1 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素

1.1 施工材料劣化層面

橋梁結(jié)構(gòu)的核心材料為混凝土、鋼筋，其質(zhì)量是影響結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵?；炷?、鋼筋的質(zhì)量缺陷形式多樣，具體如下。

（1）混凝土碳化

大氣中含CO2，其與水接觸后發(fā)生反應(yīng)生成碳酸，然后與橋梁結(jié)構(gòu)的堿性物質(zhì)接觸，酸堿中和后使混凝土的pH 值降低，即發(fā)生碳化反應(yīng)，產(chǎn)生的CaCO3溶解性較差，有膨大的變化趨勢（體積增大約17%），此時(shí)碳化物可能填入混凝土凝膠孔隙內(nèi)，隨著反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，混凝土孔隙比降低。此外，碳化反應(yīng)會(huì)加重混凝土脆性?？梢?，碳化反應(yīng)對(duì)混凝土耐久性的影響具有多重性，其中最顯著的為pH 值降低。在該異常的pH 值環(huán)境中，鋼筋有銹蝕和鈍化的現(xiàn)象。歸結(jié)來看，橋梁結(jié)構(gòu)碳化主要受材料特性和外界環(huán)境兩部分的影響，具體又可細(xì)分為多類影響因素，各自有其特定的影響機(jī)制，如表1所示。

表1 混凝土碳化影響因素及影響機(jī)制

表1（續(xù)）

（2）混凝土凍融損傷

混凝土含水量達(dá)到凍脹臨界值時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象。此外，反復(fù)交替正負(fù)溫度會(huì)加大結(jié)構(gòu)凍融破壞的發(fā)生概率，或擴(kuò)大其影響范圍。究其原因，在高溫、低溫的反復(fù)作用下，孔隙水受凍脹壓力和滲透壓力的作用，混凝土表面會(huì)出現(xiàn)凍脹及剝蝕破壞問題，混凝土性能隨之受到影響，具體表現(xiàn)為強(qiáng)度降低、彈性模量降低等。

（3）鋼筋銹蝕

正常狀態(tài)下，混凝土呈堿性，鋼筋表面有一層鈍化膜，起防護(hù)作用，可避免鋼筋受腐蝕。但電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，原本存在于鋼筋表面的鈍化膜受損，防護(hù)作用減弱，鋼筋表面生銹；由于防護(hù)功能的缺失，氯離子逐步滲入混凝土內(nèi)部，隨著游離狀氯離子含量的增加，待其超過臨界濃度時(shí)，鋼筋在短時(shí)間內(nèi)快速銹蝕，威脅到混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 裂縫的影響

構(gòu)造裂縫是橋梁結(jié)構(gòu)使用過程中難以避免的質(zhì)量缺陷，并且隨著使用時(shí)間的延長，在內(nèi)外部因素的共同作用下，裂縫數(shù)量會(huì)不斷增加、影響范圍變大。微細(xì)裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較為微弱，不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性等工程性能造成明顯的影響，但隨著微細(xì)裂縫的發(fā)展，達(dá)到一定的寬度后，將誘發(fā)混凝土碳化、凍融損傷等問題，必然對(duì)橋梁耐久性造成影響。裂縫對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的具體影響如下。

（1）加速混凝土碳化

裂縫使橋梁抗疲勞性能減弱，易出現(xiàn)大范圍的剝落問題。

（2）加劇凍融損傷

裂縫使橋梁結(jié)構(gòu)完整性不足，為水的滲入提供了通道。冬季環(huán)境溫度較低，氣溫在0℃以下時(shí)，裂縫內(nèi)的水凍結(jié)成冰，迫使混凝土結(jié)構(gòu)凍脹開裂。

（3）加劇鋼筋銹蝕

由于裂縫的存在，CO2和Cl-更易進(jìn)入橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，此時(shí)鋼筋表面的化學(xué)反應(yīng)較為劇烈，往往有明顯的銹蝕現(xiàn)象。鋼筋銹蝕程度與裂縫寬度密切相關(guān)，隨著橋梁結(jié)構(gòu)裂縫寬度的增加，鋼筋銹蝕程度會(huì)不斷加重。裂縫寬度未超過0.1mm 時(shí)，鋼筋僅存在微弱的銹蝕現(xiàn)象；裂縫寬度超過0.2mm時(shí)，鋼筋銹蝕加重，受鋼筋質(zhì)量問題影響，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性削弱。

1.3 設(shè)計(jì)、施工層面

（1）設(shè)計(jì)層面原因

現(xiàn)階段，諸如《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）等相關(guān)規(guī)范為橋梁設(shè)計(jì)提供了重要的引導(dǎo)，但就橋梁結(jié)構(gòu)長期耐久性方面而言，缺乏系統(tǒng)性的規(guī)定，導(dǎo)致耐久性設(shè)計(jì)存在粗放化的問題。在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位通常從工程實(shí)際條件出發(fā)，選取類似的工程作為參考，但各橋梁的實(shí)際建設(shè)環(huán)境、使用環(huán)境不同，因此存在方法適用性不足的局限性。除此之外，設(shè)計(jì)中往往存在過于強(qiáng)調(diào)混凝土的強(qiáng)度、剛度等指標(biāo)而對(duì)耐久性而言重視不足的問題。

（2）施工層面原因

除了生成完善的設(shè)計(jì)方案外，還需將方案中的工作內(nèi)容落到實(shí)處，保證橋梁的耐久性。但在公路橋梁施工中，部分參建單位為趕工期而隨意更改作業(yè)方法，例如在混凝土制備時(shí)摻入過量的早強(qiáng)劑、縮減混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間，此時(shí)混凝土的耐久性會(huì)大打折扣。

2 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方法

耐久性極限狀態(tài)是設(shè)計(jì)中必須考慮的條件。在此狀態(tài)下，基于影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的因素構(gòu)建宏觀模型。在橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中，基于可靠度理論的橋梁極限狀態(tài)法取得廣泛的應(yīng)用，其將各類影響因素視為隨機(jī)變量，經(jīng)過調(diào)查后掌握橋梁荷載、結(jié)構(gòu)抗力等，進(jìn)而根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，針對(duì)各隨機(jī)變量的特性做出判斷，確定橋梁的可靠度。在前述基礎(chǔ)上，引入分項(xiàng)系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，并滿足如下條件：

式（1）中：γ0為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S為作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)；R為結(jié)構(gòu)抗力隨機(jī)函數(shù)；ad為結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)值；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

經(jīng)推導(dǎo)，確定橋梁結(jié)構(gòu)耐久性失效方程：

式（2）中：R(t)為結(jié)構(gòu)抗力隨機(jī)過程；S(t)為結(jié)構(gòu)荷載隨機(jī)過程。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）確定橋梁的建設(shè)等級(jí)

隨著使用時(shí)間的延長，橋梁結(jié)構(gòu)逐步趨于劣化，需要充分考慮到現(xiàn)場地質(zhì)條件、氣候條件、施工水平、車流量等因素，確定合適的建設(shè)等級(jí)。以沿海地區(qū)為例，需充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕性問題。理論上，橋梁建設(shè)等級(jí)越高，其耐久性越好。

（2）合理設(shè)置橋梁結(jié)構(gòu)形式

橋梁結(jié)構(gòu)體系的合理與否將在很大程度上對(duì)橋梁截面的應(yīng)力分布狀態(tài)帶來影響，而隨著應(yīng)力狀態(tài)的變化，橋梁的耐久性也不盡相同。因此，需要合理設(shè)置橋梁的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)不連續(xù)段的鋼筋布設(shè)難度較大，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，通常有應(yīng)力集中現(xiàn)象，屬于受力較為薄弱的區(qū)域。在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能追求結(jié)構(gòu)線形的簡單化，減少棱角和突變，保證各鋼筋均得到有效的包裹（不外露）。

（3）控制構(gòu)造裂縫

橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)會(huì)給外部水等物質(zhì)的進(jìn)入提供通道，加劇混凝土和鋼筋的劣化。鑒于此，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，宜選擇預(yù)應(yīng)力形式，并控制構(gòu)造鋼筋的布設(shè)位置，避免間距過大。

3 結(jié)語

綜上所述，耐久性是橋梁設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，作為工程設(shè)計(jì)人員，首先要準(zhǔn)確識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素，結(jié)合工程實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)，有效規(guī)避各類因素的影響，通過多重途徑保證橋梁結(jié)構(gòu)擁有足夠的耐久性。