桥梁设计中的安全性及桥梁耐久性的分析探讨

桥梁设计中的安全性及桥梁耐久性的分析探讨

黄阳舟

（中国公路工程咨询集团有限公司，湖北武汉 430056）

摘要：随着我国公路工程建设速度的不断加快，桥梁工程应用规模越来越广泛。桥梁结构形式不仅需要和建设环境相适应，还要能够发挥局部交通运输的作用。桥梁工程设计中，桥梁安全性、耐久性分析是确保桥梁使用性能正常发挥的关键。本文首先介绍了影响桥梁耐久性的主要因素，其次依托湖北省某三跨预应力混凝土连续刚构桥开展安全及耐久性分析，以便为相关工程建设提供理论参考依据。

关键词：桥梁工程；安全性；耐久性；使用性能

0  引言

我国桥梁工程在近30年得到了大规模发展，且大多数桥梁的使用周期相对较长，在长时间的负荷运营下，不少桥梁结构出现多类型病害，如钢筋锈蚀、混凝土脱落、桥墩支座移位等。桥梁工程作为公路交通的重要基础设施，其使用安全性及耐久性具有重要社会经济效益。为此，在桥梁设计阶段就需要重点考虑结构使用环境，对影响桥梁结构使用性能的相关因素进行充分分析，优化结构设计方案，确保桥梁工程运营质量。

1  桥梁耐久性影响因素

桥梁结构安全、耐久性影响因素较多，且不同因素之间存在相互作用，总体可以分为外部环境因素、内在因素。其中，内在因素主要表现为桥梁构件及体系设计、水泥种类及用量、水胶比、外加剂种类、混凝土保护层厚度等，内在因素和混凝土碳化、裂缝病害密切相关；外部环境因素则主要是桥梁结构在外界环境中受到的多种侵蚀，如冻融循坏、氯离子侵蚀、动水侵蚀、金属盐腐蚀、机械荷载冲击等。桥梁结构内外影响因素均会造成使用性能的下降，常见耐久性影响因素如下所示：

1.1混凝土碳化

桥梁结构混凝土碳化主要是混凝土内部碱性物质和空气中CO2反应形成CaCO3的过程，混凝土碳化主要导致结构碱性下降，结构内部钢筋丧失碱性保护环境，继而在空气+水作用下极容易产生钢筋锈蚀、混凝土膨胀开裂。混凝土碳化反应是不可避免出现的，混凝土桥梁在长周期使用下必然会出现耐久性下降情况。混凝土碳化也会形成CaCO3颗粒物质，颗粒物质可以对桥梁结构裂缝进行一定填充，优化结构密实性及强度。为此，碳化反应在某种程度上具有一定优势，但是整体上是弊大于利的。在桥梁结构混凝土浇筑阶段，则需要加强振捣，减少CO2孔隙通道的形成。

1.2钢筋锈蚀

桥梁结构混凝土钢筋表面在碱性环境下会形成钝化保护膜，隔绝外部空气和水分，避免钢筋锈蚀。钢筋出现钝化膜破坏，则会在局部产生原电池，促使钢筋产生电化学反应。钢筋锈蚀造成混凝土结构整体破坏程度极为明显，预应力钢筋的预拉应力不仅会受到损失，钢筋结构也会产生易脱落的铁锈，钢筋承载能力快速下降。钢筋锈蚀如图1所示。钢筋锈蚀多由氯离子腐蚀所造成的，施工中需要尽量降低环境氯离子含量，提升桥梁结构使用耐久性。

图1钢筋锈蚀示意图

1.3冻融破坏

桥梁结构冻融破坏整体发展过程较为复杂，主要是外部水环境作用造成桥梁结构内部应力破坏。当桥梁结构处在温度小于0℃的水环境中时，结构混凝土表层水分就会结冰，考虑到桥梁混凝土结构是多孔构造，其内部孔隙自由水在不断下降的温度下也会不断结冰。桥梁结构内部的裂纹、孔洞在水结冰状态下会造成混凝土体积膨胀，内部的膨胀应力会促使混凝土结构强度的丧失，新裂纹继而出现；当局部区域的环境温度提升，裂纹中的冰体则会融化成水，水分则会渗入到结构其余孔隙中，为后续冻融循环提供多余空间，也为混凝土深处的钢筋产生锈蚀病害创造条件。桥梁结构冻融循环是周期性交替进行的，最终就会造成桥梁结构耐久性丧失，引发安全事故[1]。桥墩冻融破坏如图2所示。

图2冻融破坏示意图

1.4碱-骨料反应

桥梁结构混凝土碱骨料反应则主要是混凝土骨料中的氧化硅等活性物质和碱性成分产生化学反应，混凝土碱-骨料反应整体进程较为缓慢，桥梁结构使用周期的不断增加，则会造成碱-骨料反应化学成分不断积累，该化学成分的体积变化幅度较大，产生结构内应力。混凝土碱-骨料反应会造成结构整体开裂，其病害表现阶段一般出现在混凝土施工后的10-20年左右，碱-骨料反应会大幅度降低结构使用性能。碱-骨料反应普遍存在于混凝土结构中，且混凝土结构不同区域都会存在该反应，膨胀应力造成的破坏范围也相对较大。针对于混凝土结构碱-骨料破坏，主要从施工阶段骨料质量进行有效控制，充分弱化骨料中的活性物质，避免为碱-骨料反应提供条件[2]。

2工程概况

湖北武汉某三跨连续刚构桥设计跨径95m+170m+95m，桥梁设计全长360m，桥梁设计宽度：栏杆（0.25m）+人行道（0.75m）+车行道（3.5m）+车行道（3.5m）+人行道（0.75m）+栏杆（0.25m），桥梁设计宽度共9m，双向二车道，设计车速30km/h，设计荷载等级为公路-B级，设计人群荷载2.5kN/m2，设计洪水位1/100，通航净空采取规划航道IV级标准，地震动峰值加速度0.2g。上部主桥采取变截面预应力混凝土连续刚构，单箱单室设计；其中，箱梁顶、底板宽度分别为9m、6m，主梁边跨、跨中现浇段高度则为4.5m，根部位置处断面高度15m，箱梁根部至中跨跨中区域整体梁高成抛物线变化发展；2、3号墩墩顶位置处箱梁腹板厚度125cm，跨中至箱梁根部的腹板厚度主要分布在60-70cm之间；主梁顶板厚度则分布在28-50cm之间，主墩0号块顶板厚度为50cm；箱梁底板厚度则主要分布在36-150cm，0号块箱梁底板厚度150cm。该刚构桥下部结构主墩高度90m，空心薄壁墩构造，墩顶纵桥向12m，横桥向7.5m；桥墩横向尺寸呈60:1坡比进行墩身高度的变化；桥墩内部每隔14m进行横隔板布置，横隔板厚度0.5m；桥墩地基加固则采取桩基础，桩基础承台厚度8.5m，长、宽均为17.5m；桩基础采取3个基桩构成，基桩长度平均为20m，直径1.8m，3×4m等三角布置，与中风化岩层进行嵌固。该刚构桥整体设计断面如图3所示。

图3刚构桥断面设计示意图

3  桥梁安全及耐久性设计

3.1结构体系优化

桥梁结构体系和使用安全、耐久性密切相关。针对该刚构桥上部设计，设计单位通过增大跨中截面高度、主梁根部高度促使上部结构线性实现良好的平顺，且采取渐变抛物线形式有助于改善桥梁结构受力整体性；下部结构桥墩设计中，考虑到局部结构处于水下，为避免水下桥梁结构裂缝形成及桥梁刚度对结构变形的影响，设计采取薄壁墩，该类型桥墩具备良好的抗推能力，自身抗扭性能较大；桥墩水平位移限制则通过3×4m基桩布置来实现[3]。为确保结构体系的整体性，主梁顶板、底板、横隔板、腹板等位置内外侧、主墩周围需要构建钢筋网，项目设置一层带肋钢筋（6.5@8），网眼间距7.5×7.5cm。

3.2防水设计

结构耐久性极容易受到水环境侵蚀的影响。该刚构桥防水设计主要应用在桥面铺装工程中。设计中采取10cm厚度的钢纤维水泥混凝土进行铺装防水，钢纤维含量达到了90kg/m3，防水层中也需要设置R235钢筋网来提升防水层的整体性；结构采取无机渗透结晶技术进行防水设计，材料28d渗透压力比、28d渗透压力、56d二次抗渗压力技术指标均需要满足相关技术规范规定。铺装层、人行道等位置开展防水层施工前则需要进行主梁防水剂喷洒，并且对一些结构缺陷进行处治[4]。

3.3材料参数控制

3.3.1基本要求

刚构桥材料参数和结构耐久性密切相关。设计人员需要充分分析结构相关标准，对相关技术指标（水胶比、掺合料、混凝土组料、用水量、设计使用年限及保护层厚度等）进行明确。结构耐久性往往采取设计使用年限来表征，对于设计使用年限的取值则可以参照表1所示[5]。

表1公路桥梁设计使用年限指标选取参照

3.3.2环境类别确定

环境类别是桥梁结构耐久性设计所参考的关键因素。该刚构桥向目长周期位于复杂的大气环境中，且受到环境多类型因素的侵蚀作用，降低结构的使用耐久性。环境类别及其作用有相关技术规范进行限制，具体如表2、3所示[6]。项目所处建设场地光照柔和、年降雨量充沛（年平均降雨量1000mm以上），且降雨多集中在5-9月份，占据年总降雨量的75%左右，年最低气温达-5℃，最高气温36℃，干燥度1.3，地形较为复杂，植被覆盖率良好。依据表2、3所示结果，该刚构桥所处环境及作用等级为普通冻融环境，中度C作用等级。

表2环境类别、作用等级参照

表3环境作用等级

3.3.3裂缝控制

刚构桥混凝土大体积工程施工中，多采取分层分段浇筑。其中，层间混凝土施工则需要进行施工缝处理，层间混凝土需要良好结合；新旧混凝土衔接位置，则需要在旧混凝土界面位置进行界面剂处治，继而浇筑新混凝土，混凝土表层则需要做好防水措施。混凝土裂缝控制中，技术人员需要重点控制管道定位钢筋和表层钢筋施工质量；且管道、钢筋保护层厚度最大允许误差需要控制在5mm以内[7]。

3.4设计效果

该大跨度预应力混凝与连续刚构桥在长周期使用下，主梁底板、腹板等位置极容易出现多类型裂缝病害，继而造成结构强度、稳定性丧失，引发质量安全风险。刚构桥设计需要严格依照相关规范，施工阶段的混凝土配制及养护过程则要加强裂缝防治，现场做好应急管理机制。该桥梁在运营过程中，并没有出现病害危险。

4 小结

总而言之，我国桥梁工程耐久性设计是确保结构安全稳定运行的关键，刚构桥安全、耐久性研究是桥梁行业发展的重要问题。考虑到耐久性影响因素较多，相关单位在刚构桥建设中需要从根源上进行结构耐久性控制，优化施工技术及现场组织，避免结构出现难以修复的病害。本文依托具体工程项目开展桥梁耐久性分析，能够为类似工程建设提供一定参考。

参考文献

[1]李小龙, 关盛杰, 高帅,等. 钻孔灌注桩桩头静态破碎原理与裂纹发展机理[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(22): 9549-9553.

[2]黄建跃, 王树林, 刘成龙,等. 大跨度连续刚构桥施工主梁变形监测的必要性与方法[J]. 桥梁建设, 2003(1):48-51.

[3]郭寅川, 张冲, 申爱琴,等. 湿热环境下水性环氧树脂改性桥梁混凝土耐久性及机理[J]. 长安大学学报:自然科学版, 2022, 42(2):32-42.

[4]吴东升, 任才, 张智然. 节段预制桥梁施工期间临时孔耐久性设计[J]. 施工技术, 2022,051(006):31-35.

[5]陈光伟, 王少鹏, 杨洋,等. 京沪高速江苏段混凝土桥梁的耐久性指标统计特性分析[J]. 公路交通科技, 2022, 39(8):76-85.

[6]蔺鹏臻, 王雲一. 混凝土桥梁受盐碱地中氯离子侵蚀的耐久性研究[J]. 桥梁建设, 2022, 52(6):73-78.

[7]李殿斌, 李伟, 陈南. 基于感知信息的混凝土桥梁耐久性智能诊断方法[J]. 公路交通科技, 2022, 39(8):70-75.