桥梁耐久性设计方法和关键问题探究

文/张进 中国建筑东北设计研究院有限公司 辽宁沈阳 110003

桥梁结构的耐久性设计是桥梁结构安全与舒适性等综合指标的评价标准，所谓耐久性是在一定的设计年限内，受到外界条件和其他突发事件影响能够进行预期维护维修情况下，桥梁结构具有的稳定性、安全性、实用性。随着过程经济社会不断的发展，桥梁工程的数量也在不断的增长，作为城市建设的支架工程，很多桥梁在建成不久就会出现问题，有些甚至出现倒塌等现象，因此，不断的提升桥梁耐久性设计的水平，研究和完善设计方法对于桥梁工程未来的发展有着重要的意义。

1、桥梁结构耐久性出现问题的原因

桥梁结构耐久性出现问题的原因主要有以下方面：第一，混凝土是桥梁建设的主要材料，因此，对于混凝土的耐久性问题，主要原因是由于对混凝土结构的设计、施工过程、维护工作出现了问题。我国的桥梁设计基本上都重视桥梁设计的强度，忽略了对桥梁的耐久性设计，以至于导致桥梁的耐久性出现问题，发生安全事故。最常见的是混凝土的耐久性出现问题。比如，混凝土的质量不符合桥梁建设的要求，钢筋的防护层不合格。由于防护层的厚度不足，达不到对钢筋材料有效保护的效果。第二，在桥梁结构的设计过程和后期使用过程中，由于缺乏维护，使得桥梁结构材料失修，腐蚀严重，经过冻融作用的循环，使桥梁结构开始松散，进而造成垮塌，导致桥梁安全事故的发生。在桥梁的使用过程中，由于结构之间的磨损和碰撞，使桥梁的质量下降，桥梁结构材料的使用寿命缩短，桥梁的安全性得不到保障。很多桥梁安全事故的发生，经过后期调查，都是桥梁材料出现问题，或者是施工的质量导致。我国也存在桥梁工程中的豆腐渣工程，这些桥梁工程不仅仅是由于桥梁结构出现问题，还有桥梁本身施工质量的问题，桥梁的结构材料质量不过关，比如，钢筋太细，使钢筋的受力面积减小，延长性不足，造成桥梁表面的受力点集中，导致整个桥面的受力不均匀，桥梁安全事故的频发。

2、耐久性设计具体实施方法

2.1 结构的使用寿命以及机构极限的耐久性

要根据桥梁工程的设计年限以及结构耐久性等级来确定机构的使用寿命和耐久性，在我国桥梁工程中，对于使用寿命问题没有标准的规定，不同的桥梁工程的使用寿命都没有唯一固定的范围，在进行耐久性设计时，不要忽视桥梁结构在运行中，由于外界因素的影响到结构耐久性，虽然在设计中已经对耐久性能的确定依据强度的极限状态。耐久性设计要考虑到的耐久性极限，包括适用性、安全性、经济性，适用性极限的结构需要全面维修恢复使用功能，安全性极限要确保结构能够承受最大的承载力分界值。经济性极限是指桥梁结构中不能通过修复恢复正常使用的部分，丧失使用功能的同时，就不再具有经济性。

2.2 基于概率极限状态理论的耐久性方法

耐久性设计应该相对独立，将可靠度理论方法引入环境指数评定，以概率极限状态理论的耐久性设计是探索耐久性设计的必选过程。极限状态模式失效概率的意义与结构承载能力的极限状态相似。主要表现在以高效的作用及材料抵抗环境作用力，并作为基本的变量。然后将环境作用和构建材料抵抗环境的作用力作为随机变量，产生R与S，然后限制R-S≤0的概率。具体方法要求根据工程的实际确定结构的使用年限，再根据工程的工作环境来决定腐蚀的级别，据此设计出在规定时间内使用的次数。然后设计出结构抵抗作用能力大于环境对结构作用准备应力耐久性的极限方程，利用极限去设计工程。这种方法主要将有害物质对钢筋表层的或混泥土保护层的胀裂作为极限状态，主要用在混凝土常规指标、组成、保护层厚度强度等级等方面。它要求在实验室的环境下，按照一定的标准式样去确定混凝土结构的耐久性指标，如扩散系数、抗冻等级等。这一类方法解决了施工技术的要求以及耐久性的构造要求。

2.3 加强构造配筋，防止和控制混凝土裂缝

混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表，反过来，裂缝的存在会增加混凝土渗透性，提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性不断下降的渠道。当混凝土开裂后，侵蚀速度将大大加快，形成导致混凝土结构耐久性的进一步退化的恶性循环。因此，防止和控制混凝土的裂缝，对提高混凝土结构的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂缝，除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外，更重要的是要采取构造措施，控制混凝土施工及使用过程大量出现的非工作裂缝。

2.4 在结构局部使用防腐材料

目前我国大量地修建16～25m 的多跨现浇连续钢筋混凝土箱梁结构的桥梁，由于普通钢筋混凝土结构是一种必然地带裂缝工作的结构，因而在负弯矩区总会出现负弯矩裂缝，鉴于负弯矩区裂缝是一种向上开口的“V”形裂缝，桥面水容易渗入，遭受长期浸蚀后，负弯矩钢筋的锈蚀问题是应予以重视的问题。近年来，由国外引进的环氧树脂涂层钢筋已在国内生产，应用于一般钢筋混凝土负弯矩区的钢筋中，这对保证结构的耐久性无疑是很好的事情。再如，英、美等国的调查均发现锚头区有钢丝锈蚀问题，甚至发生过桥梁倒塌事故，因而张拉结束后立即用环氧树脂砂浆封堵锚头可有效防锈。

结语：

随着我国交通事业的发展，对桥梁结构设计的要求也越来越高。当前桥梁结构工程设计的发展趋势是从确定性的设计方法向概率设计方法的方向发展，结构抗力和计入作用实际上存在的随机性和将主要依靠至关经验确定的安全系数，变为系统地应用统计数学定量给出一定基准期内机构的失效概率和统一可比的可靠指标，这是当前工程设计概念、思想和方法上的突破。