桥梁结构耐久性的影响因素及优化设计

张久鹏

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

桥梁是交通工程的重要组成部分，也是道路工程中的难点工程，无论是设计还是施工，都对相关技术人员提出了较高的要求。而技术工作者也越来越认识到桥梁结构的耐久性会严重影响桥梁的使用。我国有学者曾提出桥梁的使用时间越长，耐久性会越低，从而出现较多问题，如混凝土保护层脱落，钢筋被氯盐腐蚀等[1]。这给桥梁的安全性造成了极大的危害，同时也会增加桥梁的维修保养费用。文章主要先分析了影响桥梁耐久性原因，再基于桥梁耐久性的前提，提出了可靠度的研究方法。其宗旨是通过这种方式增加桥梁的使用时间和安全性，减少经济损失。

1 桥梁结构的耐久性定义

桥梁耐久性是一个关键的概念，其定义决定了研究人员的研究范围和研究对象，还会直接影响技术工作者对问题的分析。我国学者针对耐久性做了如下定义：桥梁耐久性是指桥梁在设计要求的使用期限内，不用投入较多资金进行加固就能结构的可靠度，使用的安全性，以及外观的完整性[2]。

2 桥梁耐久性的作用机理及影响因素

桥梁的耐久性的影响因素众多，各自因素的影响方式不尽相同，作用时机理也有所差异。针对桥梁耐久性的影响因素以及各个因素的作用机理，进行了详细的分析和研究，发现影响因素有水泥的型号和用量、外加剂的类型、水灰比、裂缝、化学物质的腐蚀以及冻融循环的作用等[3]。文章主要对桥梁混凝土的碳化、钢筋的锈蚀、混凝土的碱-骨料反应、混凝土的冻融循环、氯离子的侵蚀五个方面进行影响因素分析。

2.1 混凝土的碳化

由于混凝土存在孔隙，大气中的CO2会由此进入，并溶解在混凝土内部结构的薄膜水中，然后通过混凝土孔隙向混凝土内部扩散并溶解于孔隙水中，使混凝土构件本身存在的游离Ca2+和水中分解的OH—形成碱性物质Ca(OH)2。孔隙中的CO2与碱性物质Ca(OH)2发生化学反应形成CaCO3，这个过程称为碳化反应。同时CSH在CO2的作用下，在固体和液体的临界面发生碳化反应生成CaCO3和SiO2，混凝土碳化过程的化学反应式如下：

Ca(OH)2与钢筋表面的铁离子发生化学反应产生铁锈的主要成分Fe2O3和Fe3O4，而这两种物质的特点是难溶于水。碳化反应生成的CaCO3封堵了混凝土中的孔隙，使孔隙率降低，从而提高了混凝土的密实度[4]。随着化学反应的进行，碳化程度加深，混凝土的pH值会越来越小，当混凝土的保护层厚度全部被碳化时，钝化膜剥落钢筋开始生锈。从以上现象可知，对于钢筋混凝土，碳化作用会使构件的保护层厚度减小，降低对钢筋的保护作用。钢筋混凝土碳化如图1所示。

图1 钢筋混凝土碳化图

影响混凝土碳化反应的主要因素包括：所处环境的温度及湿度、CO2含量、水泥品种和用量、外加剂的种类及掺量、水灰比、混凝土的振捣时间和混凝土的养护时间等。

2.2 混凝土中钢筋的锈蚀

分析钢筋混凝土碳化机理可知在碳化过程中，混凝土中钢筋的表面形成了一层化学物质，称其为钝化膜，一般情况下，钝化膜自身对钢筋没有腐蚀作用，而随着保护层的剥落，钝化膜也开始脱落，钢筋表面形成开始生锈[5]。这时钢筋混凝土的保护层开裂，钢筋的截面积减小，混凝土的抗拉强度降低。最终不能保证构件的安全使用性和外观完整性。

混凝土中钢筋锈蚀的过程的化学过程如下：

混凝土中钢筋的锈蚀参与因素包括氯离子浓度、pH值及环境温度。

2.3 混凝土的碱-骨料反应

混凝土的碱-骨料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分之间发生反应使混凝土结构发生破坏。碱-骨料反应引起的混凝土结构开裂是整体性的且后期无法维修。

碱-骨料反应的影响因素包括：混凝土构件自身的碱性物质、骨料中的碱活性物质及混凝土长期使用的环境过于潮湿。

2.4 混凝土的冻融循环

混凝土中的水在昼夜交替变化下，会出现晚上结冰，白天化冰的循环过程，在这个过程中混凝土同时受渗透力、冻胀力的作用，最终使混凝土耐久性达不到要求。

影响混凝土冻融循环的因素包括以下几个方面：（1）混凝土的水灰比。水灰比直接影响混凝土结构和孔隙率，水灰比越大，结构的自由水越多，混凝土的抗冻融能力会越差。（2）构件自身的含气量。构件本身存在着大量的小孔隙，温度降低后，混凝土因环境温度的下降会开始受冻，混凝土中的水也会因结冰而体积膨胀。为了减小混凝土受到的静水压力，构件自身的孔隙会抑制水结冰，因此可通过掺入引气剂来提高混凝土的抗冻性。在一定范围内混凝土的抗冻性会随着混凝土中含气量增加而提高[6]。

2.5 氯离子的侵蚀

混凝土内部以及外界环境以及海水中都会存在氯离子，会对构件造成侵蚀。氯离子锈蚀钢筋主要表现在以下三方面：（1）破坏钝化膜；（2）氯离子的阳极去极化作用；（3）氯离子导电作用。钢筋混凝土中氯离子侵蚀的影响因素为钢筋周围存在一定浓度的氯离子。

3 桥梁耐久性设计方法研究

本节基于桥梁耐久性的前提，提出了可靠度的研究方法。将CO2含量，外界环境的温、湿度等作为桥梁寿命周期的常量；将时间变化下的荷载效应用S(t)表示；将构件在环境等外部因素影响下的时变抗力用R(t)表示。

3.1 桥梁构件时变抗力R(t)的确定

文章中确定R(t)时以时间为自变量，以混凝土的截面面积、锈蚀钢筋的极限强度、混凝土与钢筋的黏结强度作为因变量，表达式如下：

式中：R(t)表示时间为t时结构的抗力；R0表示结构初始抗力；△R(t)表示环境等外部因素影响下的构件抗力的减小值。

3.2 桥梁构件控制方程的确定

桥梁结构为保证自身的安全耐久性必须满足自身的抗力大于等于外部荷载的作用力。控制方程表示如下：

由于桥梁构件耐久性分析的复杂程度较大，因此该公式存在一定的局限性，必须处于以下几种情况才能通过该公式计算：（1）构件截面为单筋截面；（2）截面形式为矩形；（3）不记受压区对构件承载力影响。

3.3 基于蒙特卡洛法的耐久性分析

根据可靠度的定义可以将桥梁构件耐久性的表达式如下：

根据R(t)和S(t)的瞬时值得到构件某一时刻的可靠度Z(t)，最后以时间为自变量，瞬时可靠度为因变量，得出构件某一时间内的变化规律。

4 结语

实际工程中，桥梁结构发生的病害较多，其中桥梁结构的耐久性不足是主要原因之一，而影响桥梁耐久性的因素也较多，通过研究发现桥梁耐久性不足是结构微观上发生的改变。针对环境引起的桥梁结构耐久性不足的问题，文章依据可靠度法得出了抗弯构件截面耐久性的计算方程，为桥梁耐久性的设计提供了思路和办法。