影响桥梁混凝土结构耐久性的因素及设计优化研究

王凯

（山东高速工程项目管理有限公司，山东济南 250000）

0 引言

为保障人民的出行安全，满足人民的出行需求，当前时代下的桥梁工程建设相比传统的桥梁工程有了更高的质量要求。混凝土结构作为桥梁中的主体结构，与整个桥梁的稳定性和使用寿命有着紧密联系，成为设计优化中的重点。

推进混凝土结构的设计优化，不仅能够为桥梁的设计与施工创造便利，同时还能为其他类型工程的建设提供参考。

1 桥梁混凝土结构的概念与构成

桥梁混凝土结构是指桥梁中使用混凝土材料构建的各个组成部分，包括桥墩、桥台、桥面板等。混凝土作为一种综合性能优良的建筑材料，因其耐久性、抗压性和成本效益高等特点而在桥梁工程中得到广泛应用，并发挥着关键作用，成为桥梁工程中常用的建筑材料之一。

随着建筑技术和材料科学的不断进步，桥梁混凝土结构在设计和施工方面发生了较大变化，从传统的简单混凝土桥梁到现代的预应力混凝土桥梁，混凝土结构性能不断优化，桥梁的承载能力和耐久性进一步提高[1]。

混凝土的主要成分水泥、骨料、粉煤灰等具有抗压、抗渗透和抗冻融等性能，使桥梁混凝土结构在不同环境条件下具有较好的耐久性。桥梁混凝土结构通常需要面对潮湿、盐碱等腐蚀环境，因此，在设计和施工中要采取防腐措施，以提高结构的耐久性[2]。桥梁混凝土结构的设计要考虑不同的荷载条件，包括静载、动载和温度荷载等，通过采用合理的结构设计方案，确保结构具有足够的承载能力，满足桥梁的使用要求。预应力技术是桥梁混凝土结构中常用的一种提高承载能力的手段，通过在混凝土中施加预应力，可改善混凝土的受拉性能，增加结构的整体刚度。混凝土浇筑技术的进步使桥梁结构的施工更加灵活，可采用模板、模具等工具，建设复杂形状的桥梁结构，且适应不同尺度和高度的需求。拼装化施工在桥梁混凝土结构中逐渐得到应用，预制构件、模块化设计等手段使施工过程更加便捷。

2 提升桥梁混凝土结构耐久性的意义

2.1 推进社会发展

桥梁作为交通基础设施的一部分，关乎车辆和行人的日常出行，桥梁的损坏和维修会导致交通中断、维修费用增加等问题，给社会带来一系列的经济损失。提升桥梁混凝土结构的耐久性可减少结构损坏、裂缝等可能引发安全事故的隐患，从而提高交通的安全性；耐久性强的桥梁能够更长时间地为社会提供稳定的交通服务，对于城市规划、居民出行以及商业活动等方面具有积极影响，也能大幅度提升社会公共服务水平。

2.2 助力经济建设

桥梁工程往往涉及巨额的资金投入，提升混凝土结构的耐久性可确保这一巨额投资的使用效益，保障工程投资的回报率；耐久性差的桥梁结构容易受到环境侵蚀、车辆荷载等因素的影响，导致较为频繁的维修和更新，提升桥梁混凝土结构的耐久性将减少维修和更新成本，使其长期维持良好状态；桥梁作为连接城市和地区的纽带，其耐久性的提升将促进区域内的经济活动，稳定、畅通的桥梁交通能够促进物流、商业流通，有利于推动城市和周边地区的经济发展[3]。

2.3 保护生态环境

提升桥梁混凝土结构的耐久性可以减少结构损坏引发的废弃物和资源浪费，由于桥梁工程的规模相对较大，经常性的维修和更换会产生大量废弃的建筑材料，且结构维修和更换的过程通常涉及大量的能源和材料消耗，产生大量的二氧化碳排放，而强化桥梁结构的耐久性可以延长结构使用寿命，减少对资源的需求，提升桥梁混凝土结构的耐久性，减少这一过程中的能源和材料消耗，降低碳排放，符合可持续发展的理念。

2.4 促进行业发展

提升桥梁混凝土结构的耐久性需要在工程设计、材料选择和施工工艺等方面进行创新，将推动工程技术的发展，促使相关领域的技术不断进步；通过提升桥梁混凝土结构的耐久性，可以提高工程质量和可持续性，使其能够更好地适应不同的环境条件；对于政府和相关管理机构而言，减少桥梁维护和更新的频率将降低社会管理成本，便于人力、物力和财力等相关资源更好地投入社会建设事业中。

3 影响桥梁混凝土结构耐久性的因素

3.1 材料因素

第一，水灰比是混凝土中水分和水泥质量比值的一项重要参数，直接影响混凝土的强度和耐久性。合理设计水灰比，既能保证混凝土的工作性能，又能提高其抗渗性和耐久性[4]。

第二，骨料种类和比例对混凝土的强度、抗裂性和抗渗性都有重要影响。不同的骨料对混凝土的物理性能和化学性能存在差异，对其正确选择有利于提升混凝土结构的耐久性。

第三，掺和料的选用也会对混凝土结构的耐久性产生重要影响，结合具体施工来看，在后续施工中使用粉煤灰、矿渣能够大幅度改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，设计人员需要结合工程建设的实际需求，科学选用掺和料。

第四，一些新型的耐久性材料，譬如自修复混凝土和高强度混凝土，在提升桥梁结构耐久性方面具有显著优势，需加强对相关材料的研究与应用。

3.2 设计因素

设计环节也会对混凝土结构的耐久性产生深远影响，结合该类工程的设计工作来看，在设计工作中，荷载分布、连接节点和结构形式等因素都会对桥梁建筑结构的稳定性和安全性产生影响，合理开展相关设计工作，能够避免建筑结构在使用过程中出现疲劳和裂缝等问题；为规避混凝土裂缝等常见的施工质量问题，在工程设计环节，需要合理选用预应力技术和伸缩缝等常用的施工技术，降低裂缝对于桥梁结构耐久性的负面影响。

此外，在桥梁工程的设计和施工过程中，外部因素也是一项重要的参考因素，在气候多变的高寒地区，在桥梁工程的设计工作中就需要考虑采用一定的防护措施，譬如耐久性涂料、防腐涂层等，以降低外部恶劣环境对桥梁的负面影响[5]。

3.3 环境因素

温度变化是桥梁混凝土结构老化的主要外部原因，较大的温差变化会引起混凝土的膨胀和收缩，导致裂缝和结构损伤；潮湿的环境容易引起混凝土的腐蚀和劣化，特别是在海边或潮湿的气候条件下；大气中的污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，会对混凝土结构产生腐蚀作用，降低其耐久性；桥梁基础混凝土结构暴露在土壤中，土壤中的污染物也会对混凝土产生不利影响。

3.4 维护管理因素

维护管理也是桥梁施工的一项关键性任务，在部分工程的建设过程中，很多施工团队采用无损检测技术和结构健康监测系统，对桥梁开展及时、全面的评估，能够快速发现工程施工中的常见问题，对于延长桥梁的使用寿命有着巨大帮助[6]；在后期的维护工作中，采取有效的加固和修复措施也是保障桥梁耐久性的关键，在维护中，常用的修复措施包括金属结构防腐检修、混凝土修复和裂缝灌浆，加固措施则是以外贴复合材料和预应力技术为主，对于提升整个工程的施工质量有着重要意义。

与传统的维护管理模式相比，得益于对信息技术的深入应用，技术人员可构建起完善的桥梁维护管理数据库，进而制订个性化的桥梁维护方案，推进桥梁施工的精细化管理。

4 桥梁混凝土结构耐久性的设计优化策略

4.1 优化桥梁设计参数

首先，在混凝土配合比设计中，需要综合考虑混凝土的强度和耐久性，合理选择水灰比、骨料种类和比例，以实现混凝土的高强度和长寿命。通过添加掺和料如矿渣粉、粉煤灰等，进一步改善混凝土的抗渗性和耐久性。掺和料能够填充混凝土内部孔隙，减缓水分和有害物质的渗透，提高混凝土的整体性能。在桥梁设计中，要根据桥梁所处环境选择合适的材料及结构参数。

例如，在腐蚀性较强的海洋环境中，优先考虑使用耐腐蚀性强的材料，或者采用相应的防腐保护措施；合理考虑桥梁所处地区的气候条件，进行热胀冷缩设计，采用伸缩缝等设计手段，减缓温度变化对桥梁结构的影响，防止裂缝的发生。

4.2 完善桥梁防水设计

防水设计也是桥梁混凝土设计施工中的关键环节。

首先，为保障桥梁混凝土结构的防水性能，需选择高质量的防水涂料、防水卷材等材料，防止水分渗透，确保防水层的长期稳定性，进而减缓混凝土结构的老化速度。

其次，在防水层施工过程中，要加强对施工质量的监控，确保防水层的厚度均匀、附着牢固，避免施工质量不达标导致的防水效果降低。

再次，合理设计桥梁的排水系统，排水沟、雨水管道等，确保雨水迅速排除，减少对桥梁结构的侵蚀。

最后，定期检查桥梁的排水系统，清理堵塞物，确保排水系统畅通，及时维护可以防止因排水系统故障引起的混凝土结构受损。

4.3 有序开展桥梁养护工作

针对不同类型的地区和桥梁，需要制订个性化的桥梁养护方案，以此达到理想的养护目标。

首先，利用先进的检测技术，包括无损检测、遥感技术等，对桥梁混凝土结构进行定期检测与评估，通过数据分析提前发现潜在问题，制订有针对性的养护方案，包括修复裂缝、防腐保养、替换老化构件等内容，确保养护工作有序进行。

其次，建立桥梁养护数据库，记录桥梁结构的养护历史、检测数据等信息，通过数据库分析，制订更科学的养护计划。

最后，引入智能监测设备，实时监测桥梁结构的变化；利用物联网技术，实现对桥梁健康状况的实时监控，提高桥梁养护的及时性和准确性[7]。

4.4 培养专业技术人才

专业技术人才的培养能够为工程设计与施工输送高质量的人才，且可有效规避一些常见的工程设计与施工问题，对于延长桥梁混凝土结构的耐久性具有重要意义。

首先，开展桥梁工程领域的技术培训，深化专业知识，培养工程师对混凝土材料、结构设计、施工工艺等方面的专业能力，为设计和施工提供坚实的技术支持。定期组织培训课程，介绍新养护技术、新材料的应用，使技术人才能够及时掌握行业新动态，更好地应用于桥梁工程实践中。

其次，鼓励技术人才亲身参与桥梁工程相关科研项目，了解实际问题，积累实践经验，提高解决问题的能力。

4.5 构建完善的质量监管体系

完善的质量监管体系作为工程质量管控中的核心，能够为后续的工程质量管控提供科学的标准与依据。

首先，施工单位需要加大对工程质量的重视度，建立专业的施工监理团队，对桥梁混凝土结构的施工过程进行全程监控，以此确保施工符合设计要求，提高工程质量。

其次，制定完善的质量验收标准，对桥梁混凝土结构的材料、施工工艺等进行严格把关，确保每个环节都符合质量要求。

再次，在桥梁混凝土结构的设计和施工阶段制订详细的质量保证计划，明确质量目标、质量控制措施，确保工程质量的可控性。

最后，建立第三方质检机制，由独立的专业机构进行质量检查，通过外部机构的评估，提高对工程质量的监管力度，确保桥梁混凝土结构的耐久性。

5 结语

针对桥梁混凝土结构的施工与管理，工程设计人员需要从技术和管理两个层面入手，紧跟行业和时代的发展脚步，通过优化桥梁设计参数、完善桥梁防水设计、有序开展桥梁养护、培养专业技术人才等策略推进桥梁混凝土的设计与施工，进一步推动建筑工程行业的转型与升级，为经济社会的长远健康发展奠定坚实的基础。