基于公路桥梁设计中耐久性和安全性的分析

文／南昌市公路勘察设计院 熊倚奇 李赛

关键字:公路桥梁；设计；耐久性；安全性

1 公路桥梁耐久性和安全性问题的表现形式

大量研究表明，公路桥梁耐久性和安全性问题的表现形式主要有混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土渗水、碱骨集料反应等。

1.1 混凝土碳化

混凝土碳化是指随着使用时间的推移，空气中二氧化碳气体不断渗透入水泥中，并与其中的碱性物质发生化学反应从而逐渐改变水泥的化学成分，造成混凝土使用结构性能的下降的一种物理化学过程。混凝土碳化危害主要表现在混凝土碱性的下降、钢筋表面钝化膜的破坏、混凝土对钢筋的保护能力降低、钢筋被锈蚀、混凝土收缩加剧、混凝土裂缝增多、混凝土结构破坏等等。因此，混凝土的碳化直接影响着混凝土结构的耐久性和安全性。由于全球工业的快速发展，空气中二氧化碳浓度极具增加，这将显著增加混凝土的碳化作用。因此，在公路桥梁设计中，加强对混凝土碳化的研究是一个不容忽视的问题。

1.2 钢筋锈蚀

表现在桥梁耐久性和安全性方面的混凝土钢筋锈蚀主要指的是水中氯离子、硫酸盐、酸性介质，空气中二氧化碳等酸性物质，活性混合材料与钢筋中铁发生化学反应造成其氧化，同时，水不断溶解钢筋中金属阳离子的一种化学性破坏。钢筋锈蚀后，由于铁锈的体积远大于铁的体积，从而造成钢筋体积不断膨胀，造成的危害主要表现在引发混凝土产生裂缝、降低钢筋与混凝土之间的的粘接力与握裹力、造成混凝土保护层崩落、混凝土顺筋开裂、钢筋断面破坏、钢筋腐蚀断裂等，这些都直接影响了桥梁整体结构的耐久性和安全性。

1.3 混凝土渗水破坏

混凝土渗水破坏主要表现在钢筋混凝土侵蚀与冻害，是当今桥梁破坏的常见形式之一。造成这种破坏的原因是混凝土材料的多孔结构特性带来的自身较差的抗渗性能，氯等有害物质穿透混凝土侵蚀钢筋，同时，在北方寒冷地区，混凝土中毛细水遇冷结冰，冰体积膨胀挤压混凝土空隙造成混凝破坏。因此，混凝土抗渗性直接决定了钢筋的抗腐蚀性及混凝土的抗冻性，直接影响着混凝土耐久性和安全性。而加强混凝土抗渗性研究重点是研究水泥集料的性能与结构搭配。

1.4 碱骨集料反应破坏

碱骨集料反应破坏主要表现在混凝土膨胀开裂破坏、结构丧失原有的性能，并逐渐引发诸多协同破坏作用，从而影响着公路桥梁的耐久性与安全性。造成这种破坏的源泉是混凝土构成成分本身，是随着时间的推移，水泥、混合材料中氧化钾与氧化钠等碱性物质、外加剂、骨料中的活性成分等混凝土构成成分不断的发生缓慢的碱硅酸盐反应、碱碳酸盐反应、碱硅酸反应等化学反应，形成喜水的化合物，化合物的吸水膨胀造成混凝土胀裂破坏。研究发现，混凝土中均匀分布的活性骨料与碱骨料一旦发生反应将造成混凝土内部大范围胀裂破坏，而这种破坏是致命的，解决方案只有拆除，堪称混凝土的癌症，在公路桥梁设计时就应当充分加以考虑。

2 公路桥梁设计中耐久性和安全性的影响因素

2.1 设计理论与理念尚有缺陷

近年来，我国公路桥梁建设水平得到了大跨步提升，设计理论、设计流程、建设技术逐步得到完善，但是，在设计理论与理念上依然存在着较大缺陷。主要表现在：公路桥梁设计理论体系依然主要是基于桥梁静态结构的设计，考虑更多的也是公路桥梁完工后运行性能参数。在公路桥梁用材微观性能、结构力学性能等方面的研究工作依然是十分匮乏的。同时，当前公路设计理论体系比较重视的是公路桥梁的建造成本，在公路桥梁运营过程中的维护保养成本依然缺乏足够重视。设计人员在公路对桥梁结构整体把控上、耐久性和安全性的方案优化上、桥梁构造与应力体系的合理控制上依然存在着较大的欠缺。这些都造成了公路桥梁设计中耐久性和安全性的设计工作[2]。

2.2 设计思路尚不够严密

当前，设计人员在对公路桥梁工程进行设计时，普遍采用的是先确定经济与技术均可行的设计方案，再依据规范选择符合工程情况且能够保障桥梁工程安全的安全系数。但是在设计思路的严密上依然存在着较大的不足。设计人员在对桥梁结构进行设计时常常仅考虑桥梁结构安全的保证强度设计，而忽视了综合计算公路桥梁结构材料与体系、结构耐久性等影响能力，尤其是不重视公路桥梁工程运营阶段可能发生的人为因素、不可抗力因素等偶然事件而造成公路桥梁耐久性和安全性受到影响的情况。曾发生一案例，设计人员在对桥梁结构进行设计时由于未统一规定桥梁结构表面的混凝土厚度，造成公路桥梁运营阶段受混凝土厚度不一影响，在车载压力过大时出现路面混凝土板断裂，进而发生桥梁坍塌事故。

2.3 设计过程尚不够灵活

随着公路桥梁建设速度的快速发展，我国积累了大量公路桥梁工程设计经验，形成了一套较为完善的标准体系。当前设计人员在对公路桥梁进行设计时，往往都是基于规范和历史经验数据进行设计，设计过程的灵活程度较低。而我国大跨度、高强度的公路桥梁工程越来越多，建设环境也越来越复杂多变背景下，如果设计人员一味凭借个人经验与主观意识进行设计，而对工程实际情况欠缺分析，对不合理的经验判断，将严重影响公路桥梁工程的耐久性和安全性。

3 公路桥梁设计中耐久性与安全性的改善方法

3.1 做好公路桥梁设计的准备工作

做好公路桥梁工程设计的前期准备工作是保障后期设计充分合理的基础。在准确工作期间，应重点做好：选择具有相关资质的单位对工程场地进行调查，查明工程区域的水文地质、工程地质条件、水文环境，重点掌握地下水赋存特征与区域气候环境[3]。然后根据工程环境情况评估分析公路桥梁运营阶段将可能遇到的各类问题，并在公路桥梁设计中对这些问题进行深入研究，并制定应对方案融入到桥梁设计方案中。

3.2 重视公路桥梁频繁超载、疲劳损伤的设计

大量研究表明，公路桥梁的耐久性和安全性出现问题常常是因公路桥梁运营阶段遭受到频繁超载与疲劳损伤。其中，疲劳损伤设计中应重点考虑车流量、地震、风、雪堆积等方面的荷载因素。这些因素的综合作用会造成桥梁结构共振、桥梁内部疲劳损伤，公路桥梁混凝土表层不断形成裂隙，不断积累后还将造成桥梁整体的破坏。另外，运营阶段还应当加强对公路桥梁的疲劳损伤监测工作。公路桥梁具体设计中应综合考虑整体结构的设计，计算并预测桥梁结构易失效的构件，深入研究钢筋构件腐蚀问题。频繁超载主要是应超载问题积累而造成结构损伤、混凝土面层开裂、钢筋疲劳弯曲、钢筋混凝土强度下降。频繁超载设计中首先应分析桥梁段可能发生超载的原因，分析车辆违规超载、超过设计车流量、公路桥梁运营时间过长等不同因素的概率，在公路桥梁设计方案制定应对方案，同时给出车流量合理阈值，保障公路桥梁的耐久性和安全性。

3.3 研究公路桥梁耐久性和安全性设计的关键技术

在对公路桥梁进行设计时，应严格按照相关标准、规范准确确定设计工程的耐久性与安全性参数，明确各类施工技术工艺的要求。同时，也需要加强对涉及耐久性和安全性的相关关键性技术的研究工作。公路桥梁的复杂化、设计的节约化是必然趋势，而新材料的研发、施工工艺的更新、设计的精细化是解决这一矛盾的主要手段。因此，加强对公路桥梁设计关键技术的研究，提高结构整体性分析水平，加强各类工程材料的选取与配制水准，提高数据分析处理能力，是未来公路桥梁耐久性和安全性设计的有力保障。

4 结束语

公路桥梁的耐久性与安全性直接影响着公路交通的正常运营，公路桥梁设计单位应当加强对其的重视程度，在设计中充分考虑各种影响因素，积极研发新设计理念与关键技术，强化设计的各个环节，努力提高公路桥梁耐久性与安全性的设计水平。