桥梁结构耐久性的影响因素及优化设计研究

陈孟林

（抚州赣东公路设计院有限公司，江西 抚州344000）

0 引言

近几年桥梁耐久性差、服务寿命短以及全寿命指标差等问题已经严重影响到桥梁正常功能的发挥，并且桥梁的后期养护以及维修等需要投入大量的人力与资金，带来了巨大的经济负担。究其原因是桥梁结构耐久性下降，导致桥梁在后期运行中面临着一系列问题。所以，为了能够更好地支持未来社会发展，需要寻找到一种有助于提升桥梁耐久性的途径，这也是该研究的主要目的。

1 桥梁结构耐久性的影响因素

1.1 设计方面的因素

桥梁的设计方案对其结构耐久性的影响十分明显，例如部分设计人员只满足于技术规范对桥梁结构设计的强度要求，而忽视了结构构造、原材料以及结构维护等几方面因素的影响，最终造成设计方案出现问题，主要表现为：

第一，桥梁的结构与构造细节不合理。目前在桥梁结构设计中通常考虑经济指标、地质条件、施工方案等几个方面的因素，而对耐久性问题考虑得较少。如在预应力结构桥梁设计阶段，采用连续或者简支结构，型梁或箱梁以及跨径比例、断面尺寸的拟定等众多结构与构造问题，会直接影响桥梁的耐久性能，再加之相关评价指标的缺失，会导致桥梁设计方案的耐久性不足，或者部分桥梁结构的计算图示以及受力路线不明确，导致桥梁在建成之后出现局部受力偏大的问题。

第二，计算方面的因素，包括：设计人员在桥梁设计期间忽视了混凝土徐变、温度应力等因素对桥梁结构的影响；在桥梁结构有限元分析中，设计人员过于关注局部单位划分的问题，而忽视了结构边界以及衔接条件等因素的影响；针对桥梁中的特殊问题计算不当，如预应力钢筋锚固位置、构件角隅处等位置因为计算的局限而造成配筋方案不合理的问题。

1.2 施工与使用因素

该因素主要是指桥梁在施工过程中的技术方案不合理，施工上的某些缺陷虽然在短期内对桥梁结构整体性能的影响不明显，但是随着时间的推移，对桥梁耐久性的影响会明显提升，常见问题包括：桥梁结构施工中出现原材料质量问题；预应力材料防护中的效果不明显；压浆施工存在弊端；张拉力水平偏低等。

桥梁的使用因素也是影响桥梁结构耐久性的重要原因，其中以车辆超载运行表现得最为严重，这是因为超载运行会加剧桥梁的疲劳情况，导致疲劳应力幅度增加等情况，甚至局部会因为超载而发生结构性破坏，同时超载对桥梁结构造成的损伤是不容忽视的。如某些预应力混凝土桥梁受到汽车荷载超载等因素影响可能出现开裂的问题，部分桥梁的裂缝虽然在荷载卸除后顺利闭合，但是这种裂缝对桥梁的影响是无法消除的，甚至在正常荷载作用下都会导致桥梁出现较为严重的变形裂缝。

1.3 其他因素的影响

其他因素是指桥梁运行中所面临的各种因素，如风雨侵袭等自然因素，或者因为气候变化造成的温度改变，或者因为船舶撞击导致桥梁结构受损等。

2 桥梁结构耐久性的优化设计方案分析

根据前文的研究可知，影响桥梁结构耐久性的因素较多，以下将从设计角度入手，寻找提升结构耐久性的有效方法。

2.1 原材料设计

2.1.1 水泥

在桥梁混凝土中，钢筋锈蚀是造成结构耐久性损伤的关键问题，而在正常的气候条件下，混凝土碳化则是造成钢筋锈蚀的主要条件。例如水泥的不同品种会导致混凝土碳化指标出现差异，这是因为水泥水化产物中的碱性物质含量不同，因此对混凝土碳化速度存在一定影响，同时水泥用量本身会影响材料的二氧化碳吸收量，水泥用量越大，则碳化速度越慢，其中的关系可以如表1所示。

表1 水泥用量与碳化深度之间的关系

同时，水灰比对混凝土性能的影响明显，决定了二氧化碳在混凝土中的扩散速度，其关系如式（1）、式（2）所示。

根据式（1）与式（2）的相关内容可知，在桥梁结构设计中，寻找正确的水灰比是设计人员不容忽视的问题。

2.1.2 骨料

选择骨料时应考虑到级配、孔隙等因素影响，其中孔隙率越小越理想。同时为满足桥梁耐久性的要求，可适当降低骨料最大粒径的参数；骨料级配是设计工作中的重点内容，混凝土孔隙越少越能减少有害介质的扩散速度。

2.1.3 配合比设计

（1）在桥梁原材料性能管理中，若粉煤灰的掺量小于10%，则可以忽视粉煤灰对混凝土结构性能的影响。而根据相关工程的经验，在配合比设计中粉煤灰的掺量应控制在30%以下。

（2）针对混凝土抗压强度的相关指标，其中混凝土强度越高，则抗碳化性能越强，因此在设计方案中可根据具体工况设计抗压强度。

2.1.4 预防碱-集料反应

碱-集料反应主要是指混凝土结构中的矿物集料与孔隙中的碱性溶液之间发生化学反应，这些化学反应可能造成膨胀破坏等情况。当膨胀系数过高时会造成混凝土材料破坏，并且这种反应所造成的破坏可能造成混凝土结构整体性破坏，目前无有效的修补方法。

根据碱-集料反应发生的作用机制，在桥梁设计中可以采用下列方式应对。

使用低碱型水泥。目前我国针对混凝土原材料的不同对原材料的使用环境提出了详细要求，设计人员可以按照表2的数据合理选择。

表2 混凝土含碱的规范参数

同时对于设计人员而言，为提升桥梁结构耐久性也可以考虑通过掺和料来改善混凝土碱性。例如通过向混凝土中掺加5%的硅灰可以有效降低碱-集料反应发生率，或者向其中掺加20%的粉煤灰也可以取得预期效果。但是在具体操作中还应该考虑到掺和料对混凝土强度等因素影响，如硅灰颗粒较细会增加混凝土需水量，这是设计人员应重点考虑的问题。

2.1.5 强化混凝土结构的抗渗性

（1）在桥梁结构设计中需要注意的是，水灰比是影响混凝土抗渗性能的重要因素，其水灰比越大则毛细孔半径增长得越明显，如当水灰比为0.25时，积分空隙率达到了0.105cm/kg，对应体积为19.5%；而当水灰比达到0.35时，积分空隙率达到了0.145cm/kg，体积占比为24.8%；水灰比为0.50时，积分空隙率为0.219cm/kg，体积占比为23.0%。同时，还需要注意的是，当混凝土材料中的水灰比大于0.55时，会导致混凝土渗透性明显增加。

（2）天然岩石中，花岗岩为集料时混凝土的抗渗性最好，因此在设计阶段应根据桥梁具体情况合理选择，同时维持砂石等关键原材料的清洁度也是需要重点考虑的问题。

（3）考虑到氯离子的存在会对钢筋产生锈蚀作用，因此设计人员应优先选择氯离子含量低的水泥，其中硅酸盐水泥中不含氯离子，也可以用于桥梁工程项目施工。同时，设计人员也应该注意，若使用含有矿物混合料的水泥，应该评估水泥矿物混合料的品种以及掺量等重要指标的影响，避免氯离子水平偏高而影响混凝土结构性能。

2.2 桥梁结构设计

2.2.1 基于耐久性的桥梁结构设计

为达到提升桥梁结构耐久性的目标，需要在桥梁设计中体现以下内容。

第一，地质条件对桥梁结构耐久性的影响明显，所以针对地质条件差的区域可考虑采用大跨度桥梁设计方法，这种模式有助于改善支撑结构，降低桥梁后期发生病害的风险。

第二，在相同的区段内应尽量保持桥梁孔径及其样式应力统一，所以除了需要满足通航或者其他特殊要求的孔径外，其他孔径应尽量采用相同结构。

第三，严格控制桥梁的中线也是设计人员应重点关注的问题，理想的桥梁中线应该与河道水流向正交，这种设计方法可以避免水流与桥头位置相交而造成三角回流，这对于提升桥梁安全性的意义重大，也有助于提升耐久性。

第四，针对桥梁设计中的特殊情况（如跨越河道水流深或者河面宽），可选择增加水中跨桥的跨度，并尽可能地将桥墩固定在岸上或者浅水区，减少桥墩在深水区的分布。这种方法有助于减少用水等因素对桥梁结构的影响，也能避免发生船舶撞击等问题。

第五，考虑到不良地质的存在会影响桥梁结构耐久性，所以在布置桥墩时可考虑以下几个方面因素的影响：首先，所有墩台基础应设置在稳定的地基上，注意远离软弱地质。其次，应严格规划墩台的位置，注意远离滑坡、断层以及溶洞或者黄土陷穴等位置。再次，针对所有靠近陡峭岩壁的河槽边墩基础位置，应避免穿经水下山坡落石堆积层等特殊地质区域。最后，考虑到桥梁工程中经常遇见不良地质问题，所以为保证结构耐久性，设计人员应避免使用对于沉降过于敏感的形式，如拱桥可能产生水平推力，因此不建议在地质不良地区使用。

2.2.2 耐久性的构造措施

目前在桥梁工程中，关于结构的设计已经进入相对成熟的阶段，但是为强化其耐久性，在设计过程中还是要注意避免出现“后天不良”等质量问题，因此在设计阶段应关注以下几个方面问题：

第一，在保证桥梁结构合理的基础上，应尽量选择穿力路径最小的设计方案。在设计阶段，考虑到拉压杆的主应力与杆件轴线相互平行，所以可以认为其穿力路径与杆件的长度是相同的。相比之下，纯受弯杆件在任意横截面位置均有拉应力与压应力的存在，其穿力路径与杆件长度相同。但是梁普遍为弯剪耦合构件，任意一点均同时面临两方面力的影响，相比之下该结构的穿力路径更加复杂。因此，为了能够尽可能地提升桥梁结构的耐久性，可以选择拉压杆件等技术，有助于简化穿力路径。

第二，坚持力线平均化应急应力均匀流畅的基本原则。针对桥梁的杆系结构，应保持杆件横截面的应力均匀分布，每个位置的结构应力相对流畅，这种结构才能最大限度地保证结构耐久性。

而针对大跨度桥梁，因为桥梁的结构十分复杂，因此其构造的合理性直接关系到桥梁的耐久性能，此时在设计过程中应注意的是：首先，考虑到在大跨度桥梁中可能存在力学不连续的部位，此时若发现荷载作用点或者弯折等部位的应力分布相对复杂，难以判断钢筋的位置，则该部位发生结构耐久性损伤的风险较高。所以在设计阶段应确保结构力学传递路径平滑、简单，并减少结构中受力冲突等问题，必要时在设计阶段可以借助“压杆-拉杆-模型法”评估其应力流情况。其次，在桥梁结构优化设计中坚持力线平滑的原则具有可行性，该设计方法的关键点就是要确保构造的几何结构具有形式简单、少突变等。例如在图1介绍的两种结构中，（a）结构的外表突变偏多，导致构件容易遭受腐蚀，并且加工过程中的精度控制难度高；相比之下（b）构件的结构更加合理，材料强度得到发挥，达到了缩短穿力路径的效果。所以两个结构相比，（b）构件更加合理，是未来桥梁结构耐久性设计的首选。

图1 两种构件简图

在结构设计中应该注意的是，大跨越结构下桥梁结构所能承受的轴向拉力较大，目前相对成熟的设计方案包括悬索桥、拱桥以及斜拉桥等，在设计阶段可根据具体工况合理选择桥梁结构形式。

3 结语

针对桥梁结构耐久性的相关问题，相关人员应该认识到不同设计方案对桥梁稳定性的影响，为了能够达到维持结构稳定性的目标，在未来工作中要求设计人员能够认识到原材料因素与桥梁结构耐久性之间的关系，坚持改进原材料的搭配以及使用方案等，通过预防混凝土碳化、控制碱-集料反应等措施进一步提升结构耐久性。而在桥梁结构措施设计中，也应该优化结构的穿力路径，关注地质、水流等因素对桥梁耐久性的影响，坚持合理设计原则，这样才能切实提升结构稳定性。