陳志超

（惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院,廣東 惠州 516001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速建設(shè)，橋梁作為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，承載著人們出行和物流運(yùn)輸?shù)闹厝?。然而，由于自然環(huán)境和不可避免的荷載作用影響，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題日益凸顯。橋梁結(jié)構(gòu)損壞和壽命縮短嚴(yán)重影響了城市交通的正常運(yùn)行，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大隱患。所以，首要任務(wù)是通過(guò)深入了解橋梁在使用過(guò)程中所面臨的各種環(huán)境因素和荷載作用，揭示橋梁結(jié)構(gòu)損傷和老化的機(jī)理，為設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)這些因素提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠有效提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震、防腐蝕等性能，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，降低維修和更換成本。

該文旨在系統(tǒng)研究橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為橋梁工程的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。通過(guò)結(jié)合實(shí)地橋梁觀測(cè)，探索橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，并提出一系列切實(shí)可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以期能夠?yàn)槌鞘袠蛄旱陌踩\(yùn)行和長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展提供有效保障。

1 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

1.1 材料因素的影響

橋梁結(jié)構(gòu)所采用的材料是決定其耐久性的重要因素之一。選擇合適的材料可以有效延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，并提高其抗壓、抗拉和抗腐蝕性能。以下是一些常用的耐久性較好的材料及其特性：

（1）高強(qiáng)度鋼材：高強(qiáng)度鋼材具有出色的強(qiáng)度和韌性，能夠承受較大的荷載，并在極端條件下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其優(yōu)點(diǎn)包括重量輕、施工方便以及可回收再利用等。

（2）混凝土：混凝土被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，具有很好的抗壓和耐久性能。通過(guò)添加適當(dāng)?shù)膿胶狭虾瓦M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，混凝土可以進(jìn)一步增強(qiáng)其抗震、抗裂和防水性能，提高橋梁的使用壽命。高性能混凝土具有更高的抗壓和抗裂性能，以及更好的耐久性。通過(guò)優(yōu)化配合比、使用優(yōu)質(zhì)的原材料和進(jìn)行充分的養(yǎng)護(hù)，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）復(fù)合材料：復(fù)合材料由纖維增強(qiáng)材料和基體材料組成，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性。復(fù)合材料的使用可以減輕橋梁自重、增加結(jié)構(gòu)剛度，并提高抗震和抗腐蝕性能。

（4）耐候鋼：耐候鋼能夠在大氣環(huán)境中形成致密的氧化膜，從而具有較好的耐腐蝕性能。它可以減少橋梁的維護(hù)需求，延長(zhǎng)使用壽命。

1.2 環(huán)境因素的影響

自然環(huán)境中的溫度變化、濕度和潮濕環(huán)境等因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)具有一定的影響。環(huán)境中氣候變化會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞和腐蝕現(xiàn)象。主要表現(xiàn)形式包括橋梁混凝土碳化、鋼筋銹蝕以及混凝土凍融破壞等問(wèn)題[1]。溫度變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較為顯著。當(dāng)溫度升高時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生膨脹，從而可能導(dǎo)致構(gòu)件之間產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)力，甚至出現(xiàn)熱裂縫。而溫度下降會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的收縮，導(dǎo)致構(gòu)件的變形和應(yīng)力集中，周期性的溫度變化會(huì)加劇橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。

1.2.1 橋梁混凝土碳化

混凝土碳化過(guò)程比較復(fù)雜。水泥熟料中含有的主要礦物成分為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁酸四鈣。水泥熟料經(jīng)水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣?；炷撂蓟侵复髿庵械亩趸寂c水反應(yīng)生成碳酸性物質(zhì)，進(jìn)而與混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土pH 值降低的現(xiàn)象。影響混凝土碳化程度的因素包括材料特性和外部環(huán)境，見(jiàn)表1。

表1 橋梁混凝土碳化影響因素

1.2.2 鋼筋銹蝕

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素之一是鋼筋銹蝕。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋暴露在潮濕環(huán)境或受到化學(xué)污染時(shí)，可能會(huì)發(fā)生銹蝕現(xiàn)象導(dǎo)致鋼筋的斷裂和截面積減小，進(jìn)而降低鋼筋的抗拉強(qiáng)度和承載能力。同時(shí)，銹蝕還會(huì)引起周?chē)炷恋拈_(kāi)裂，破壞混凝土的保護(hù)層，使得混凝土易受環(huán)境侵蝕和荷載作用的影響，嚴(yán)重影響其使用壽命和結(jié)構(gòu)安全性。

1.3 裂縫的影響

橋梁上裂縫的原因是多方面的，常見(jiàn)的包括氣候變化、外部荷載作用和結(jié)構(gòu)老化等因素。裂縫的出現(xiàn)輕微時(shí)可能只會(huì)影響橋梁的美觀度，但嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致橋梁整體穩(wěn)定性下降甚至發(fā)生坍塌。通常情況下，微小的裂縫對(duì)橋梁的承載能力和耐久性影響較小，但如果裂縫寬度過(guò)大，則可能引起混凝土碳化、結(jié)構(gòu)凍融損傷和鋼筋銹蝕等問(wèn)題，從而影響橋梁的使用壽命[2]。對(duì)于橋梁裂縫的治理，需要綜合考慮多種因素，并采取有效的措施，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命，涉及設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等方面的工作，需要專(zhuān)業(yè)人員的參與和科學(xué)管理。

2 橋梁耐久性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)研究

橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)是確保橋梁在長(zhǎng)期使用過(guò)程中能夠保持良好性能和安全的重要任務(wù)。近年來(lái)，因橋梁耐久性問(wèn)題造成的坍塌事故引起了人們的高度重視，所以要從各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)橋梁的耐久性進(jìn)行研究[3]。橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命建議值如表2。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命

2.1 材料的合理選擇

橋梁作為承載交通運(yùn)輸、連接陸地交通網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其材料的選擇直接決定了其使用壽命和安全性能。合理選擇材料可以有效地提高橋梁的抗氧化性、抗腐蝕性和機(jī)械性能，從而延長(zhǎng)其壽命并降低維護(hù)成本。故提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵在于混凝土材料的合理選取[4]。

（1）水泥的選用。水泥的選用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。合理選擇水泥強(qiáng)度等級(jí)、抗?jié)B透性和耐久性，并考慮其工程性能，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性。通過(guò)考慮水泥的強(qiáng)度、耐久性、特殊環(huán)境要求和可持續(xù)性等方面的因素，可以確保橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用中具有較好的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。

（2）骨料的選用。骨料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是影響混凝土耐久性和承載能力的重要指標(biāo)。合適的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的骨料可以提供堅(jiān)固的骨架支撐混凝土，增加混凝土的抗壓能力和耐久性。高強(qiáng)度的骨料適用于承受大荷載的橋梁結(jié)構(gòu)，而低強(qiáng)度的骨料則適用于小型橋梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)合理選擇骨料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）控制水灰比和水泥用量。水灰比是指水與水泥、礦物摻合料等固體成分的比例，而水泥用量則是指在混凝土中使用水泥的數(shù)量。合理控制水灰比可以顯著影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。較低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗?jié)B性，從而減少水分和有害物質(zhì)的滲透，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時(shí)，合適的水灰比還可以提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，增加對(duì)外界力的承載能力。

2.2 做好現(xiàn)場(chǎng)管理

橋梁工程施工現(xiàn)場(chǎng)管理對(duì)項(xiàng)目進(jìn)展和安全至關(guān)重要。主要有兩個(gè)方面需要注意。第一，季節(jié)性施工管理。不同地區(qū)氣候條件存在差異，季節(jié)更替也會(huì)影響施工進(jìn)度和質(zhì)量。施工方應(yīng)了解氣候變化對(duì)施工場(chǎng)地的影響，并采取相應(yīng)措施應(yīng)對(duì)極端天氣，防止對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞。定期觀測(cè)氣候條件、研究歷史數(shù)據(jù)，制定合理的季節(jié)性施工方案，以確保橋梁的耐久性。第二，施工設(shè)備管理。施工設(shè)備狀態(tài)直接關(guān)系到施工效率和橋梁工程質(zhì)量。為確保橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，施工單位應(yīng)完善設(shè)備管理方面的相關(guān)制度。為方便管理，可以靈活運(yùn)用日常檢修與信息技術(shù)進(jìn)行融合。建立施工場(chǎng)地全程、實(shí)時(shí)的設(shè)備管理體系，利用信息技術(shù)的實(shí)時(shí)反饋、及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的情況，在提高設(shè)備利用率的同時(shí)保證設(shè)備能夠正常使用，以此來(lái)達(dá)到提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的效果。

2.3 嚴(yán)把施工質(zhì)量

（1）控制混凝土用水量?？刂苹炷劣盟靠梢杂行p少混凝土的孔隙率和滲透性。通過(guò)降低用水量，可以使混凝土中的水膠比降低，從而減少混凝土內(nèi)部的孔隙數(shù)量和尺寸，提高混凝土的致密性，阻止水分和有害物質(zhì)的滲透，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。過(guò)高的用水量會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的收縮和溫度應(yīng)力，增加裂縫和剝落的發(fā)生和擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，合理控制用水量可以減少這些問(wèn)題的發(fā)生，保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。

（2）振搗和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制。合理控制振搗和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量對(duì)于提高混凝土的密實(shí)性、強(qiáng)度和耐久性至關(guān)重要。通過(guò)科學(xué)合理的振搗操作和養(yǎng)護(hù)措施，可以保證混凝土的致密結(jié)構(gòu)形成和早期強(qiáng)度發(fā)展，從而提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)是保證混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展和耐久性提高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)注意控制溫度和濕度，確?；炷恋乃磻?yīng)能夠順利進(jìn)行。確保有充足的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，使混凝土充分發(fā)展強(qiáng)度和抗裂性能，有利于提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。同時(shí)在振搗過(guò)程中，應(yīng)確保振動(dòng)設(shè)備的質(zhì)量和穩(wěn)定性，減少振搗不均勻帶來(lái)的問(wèn)題。

3 橋梁耐久性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)工程案例

3.1 工程概況

惠州市某城鎮(zhèn)規(guī)劃了一座跨越江河的主要交通橋梁，為確保橋梁的安全和正常運(yùn)行，工程團(tuán)隊(duì)決定進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)耐久性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)橋梁取樣并進(jìn)行相關(guān)研究，旨在研究橋梁材料及結(jié)構(gòu)對(duì)耐久性、抗腐蝕性的影響。

3.2 橋梁混凝土碳化影響

根據(jù)圖1 中未碳化與碳化混凝土梁的荷載—撓度曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果可知，橋梁混凝土碳化后，結(jié)構(gòu)所能承受的荷載有所提高，但極限撓度減小。一般情況下，橋梁混凝土的碳化深度比較小基本與鋼筋的保護(hù)層厚度相當(dāng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較小?；炷撂蓟瘜?duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成的最不利后果主要還是鋼筋銹蝕問(wèn)題[5]。

圖1 碳化與未碳化混凝土橋梁的荷載－撓度曲線(xiàn)（kN）

3.3 橋梁裂縫寬度對(duì)鋼筋銹蝕影響

相關(guān)研究結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)裂縫寬度和其中的鋼筋銹蝕程度之間存在密切聯(lián)系，如圖2 所示給出了裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度的關(guān)系。根據(jù)圖2 的結(jié)果顯示，可以觀察到混凝土裂縫的寬度與鋼筋發(fā)生銹蝕的嚴(yán)重程度之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性。如果混凝土裂縫的寬度較大，鋼筋就更易發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕問(wèn)題。當(dāng)混凝土裂縫的寬度在0.1 mm 以下時(shí)，鋼筋發(fā)生各種銹蝕的程度處于相近的水平。

圖2 裂縫寬度與鋼筋銹蝕程度曲線(xiàn)

當(dāng)混凝土裂縫的寬度超過(guò)了0.2 mm 時(shí)，鋼筋發(fā)生嚴(yán)重腐蝕程度上升至73%。這意味著混凝土裂縫寬度的增加會(huì)使鋼筋受到更大程度的氧化侵蝕，從而導(dǎo)致鋼筋的腐蝕損傷變得更加嚴(yán)重。

通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，控制混凝土裂縫的寬度對(duì)于減少鋼筋銹蝕問(wèn)題是非常重要的。保持混凝土裂縫寬度在可控范圍內(nèi)，例如不超過(guò)0.1 mm，將有助于減少鋼筋的銹蝕程度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。這也提示著在橋梁設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)該注意混凝土質(zhì)量、施工工藝等因素，以有效控制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而保護(hù)鋼筋免受?chē)?yán)重銹蝕的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，該文得出了以下結(jié)論：

（1）自然環(huán)境中的溫度變化、濕度與潮濕環(huán)境等因素，以及交通荷載和自身重力等荷載作用都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。而合理選擇抗腐蝕、抗疲勞、抗裂紋的擴(kuò)展性能良好的材料，能夠有效延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

（2）防護(hù)措施和養(yǎng)護(hù)管理對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要影響。而保持混凝土裂縫寬度在可控范圍內(nèi)，例如不超過(guò)0.1 mm，將有助于減少鋼筋的銹蝕程度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。