基于耐久性混凝土桥梁结构设计研究

吴昌星 王满

1.武汉远行通路桥工程设计咨询有限公司 湖北武汉 430050

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1 混凝土结构耐久性的理论研究

现阶段混凝土与钢筋混凝土结构被广泛应用在土木工程中，从根本上提升了工程结构整体力学性能，使工程成本得到管控，但由于混凝土结构原材料存在各项弊端，导致病害问题频繁出现，严重影响到了混凝土结构耐久性。针对混凝土结构耐久性的研究，不同专家从材料耐久与结构耐久性设计两方面入手进行评估，分析出影响混凝土结构耐久性的因素主要体现在以下几方面：

混凝土碳化[1]。主要就是混凝土内水泥的水化产物与二氧化碳结合，生成碳酸钙或其他物质，混凝土内环境发生变化，最终引起钢筋钝化或锈蚀，严重影响到混凝土结构的承载力；

氯离子对结构的侵蚀。氯离子从孔隙渗入到混凝土结构内，与钢筋结构发生反应，出现锈蚀现象，致使混凝土结构耐久性下降；

混凝土结构的冻害。在混凝土结构长期处于外界低气温环境下，极有可能发生内部冻害问题，因受到热胀冷缩影响，结构表面将会出现明显裂缝；

钢筋锈蚀。混凝土钢筋结构的锈蚀是影响混凝土耐久性的直接因素。在钢筋发生电化学腐蚀时，受到两个电极共同反应的作用，钢筋有效截面将会不断缩小。

2 耐久性混凝土桥梁结构设计现状分析

2.1 桥梁工程现状

桥梁工程是当前社会城市化发展的重要组成部分，对加快社会主义市场经济增长速率具有重要意义。受到运营环境与日渐增长的交通负荷量等因素影响，部分既有桥梁的力学性能无法满足桥梁结构新要求，导致桥梁结构的可靠性下降。不仅如此，一大批桥梁面临着老化风险，病害治理及维护难度极大，原有荷载标准与当前荷载状况不相符，导致桥梁结构耐久性与承载力的评估不到位。

2.2 桥梁工程病害

混凝土桥梁结构耐久性降低的问题主要由结构设计环节、施工环节、维护环节等共同作用造成。现阶段在桥梁结构设计过程中，存在忽视混凝土桥梁结构耐久性设计问题，没有对混凝土及钢筋质量进行严格检测，导致混凝土结构施工效果与预期目标存在较大差距。

2.3 混凝土桥梁结构耐久性设计的定义

为加快桥梁工程发展进程，国家与有关部门对混凝土桥梁结构耐久性设计工作给予了高度关注，致力于从混凝土材料、构件以及结构三方面入手，通过分析桥梁结构的环境以及受力特征，总结出混凝土桥梁结构耐久性设计要点[2]。当前混凝土桥梁结构耐久性设计的定义为：在桥梁工程设计环节，通过细致分析桥梁建设材料质量、混凝土结构计算方式、施工工艺以及维护环节存在的混凝土耐久性影响因素，对桥梁混凝土结构设计方案进行不断优化。

3 耐久性混凝土桥梁结构设计关键环节

3.1 耐久性材料设计

耐久性材料设计主要就是基于材料耐久性退化原理，对应用在混凝土桥梁工程施工期间的材料力学性能进行严格管控。举例而言，结合耐久性材料设计成果，建立起高强混凝土、混凝土外加剂等材料入场标准，对材料的综合品质进行全面管控。

3.2 耐久性计算与验算

混凝土桥梁结构耐久性的计算与验算工作需要严格遵守国家与有关部门颁布的现行法律规范，对混凝土结构桥梁耐久性影响系数进行定量分析，基于桥梁结构荷载、抗力随时间变化规律等数值，计算出混凝土桥梁结构耐久性的时间函数。通过前期预算桥梁工程结构承载力的变化规律，制定出混凝土桥梁结构全寿命周期评估标准，针对此标准对混凝土结构桥梁耐久性设计方案进行不断优化。

3.3 桥梁外观构造设计

在混凝土结构桥梁外观构造设计过程中，相关设计部门需注重分析桥梁结构方案与地理环境、周边气候条件等存在的矛盾，针对此些矛盾不断优化桥梁结构设计方案[3]。具体来说，混凝土桥梁结构外观主要包括各类地形条件下桥梁结构的布置与结构形式选择、行车对混凝土桥梁结构的影响等。针对混凝土结构耐久性影响因素，计算出混凝土桥梁结构的内力与变形定量数值，保障混凝土结构内荷载传力路径均匀平滑，降低混凝土桥梁结构病害问题发生几率。

4 耐久性混凝土桥梁结构设计主要内容

4.1 材料耐久性退化原理的结构设计

从混凝土材料角度研究结构的整体耐久性已经积累了诸多实践经验，通过材料耐久性退化原理，能够更好分析出影响混凝土桥梁结构耐久性的因素，并针对此类因素对结构设计方案进行不断优化。

应用科学手段减缓混凝土碳化速率。混凝土碳化是导致钢筋锈蚀的重要条件，会随时间的变化而变化，因此可建立起混凝土结构抗力变化模型，对混凝土内水泥、水灰比、外加剂等材料对混凝土碱性的影响进行评估。其中，因水泥品种的不同，水泥水化物内的碱性物质含量与混凝土渗透度呈现出较大差距，经过实际研究发现，在桥梁结构处于暴露环境的情况下，矿渣混凝土比普通水泥混凝土的碳化速度快50%～90%。

4.2 提升混凝土材料的抗渗性

为切实降低混凝土结构的氯离子侵蚀以及冻胀病害发生，在收集并研究施工实际案例中发现，在混凝土内水灰比大于0.55时，混凝土的渗透率将会不断增长，因此需结合混凝土桥梁结构耐久性要求，将混凝土内水灰比控制在合理范围之内。选择更加适宜的水泥种类，如水泥稀土与颗粒较小的品种等，控制混凝土拌制期间的用水量。注重在混凝土桥梁结构表面涂抹防水材料以及防水砂浆，增强混凝土的抗渗透力。

4.3 加强防钢筋锈蚀管理力度

严格监管混凝土结构内钢筋锈蚀监管工作，分析出导致钢筋锈蚀的各类影响因素，准确预测混凝土结构的使用寿命。适当增加混凝土保护层厚度，确保钢筋不会轻易遭受到外部环境因素影响出现锈蚀情况，确实延长钢筋结构的使用寿命，保障混凝土桥梁整体耐久性。

5 结语

总而言之，为从根本上提升混凝土结构桥梁的耐久性，需做好桥梁结构设计工作，结合工程具体建设要求，不断优化混凝土结构组件刚性，延长桥梁工程整体使用寿命，保障工程的投入部门核心利益。