試論鋼筋混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)

張 軍，劉佳鈺

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市　300074）

試論鋼筋混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)

張 軍，劉佳鈺

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市300074）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁以其造價(jià)低廉和施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但由于我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)重強(qiáng)度、輕耐久性的設(shè)計(jì)理念，使得很多鋼筋混凝土橋梁的使用壽命大打折扣，甚至發(fā)生嚴(yán)重的橋梁事故?；诖耍瑢?duì)當(dāng)前鋼筋混凝土橋梁耐久性的主要影響因素進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼筋混凝土橋梁耐久性的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

鋼筋混凝土；橋梁；耐久性設(shè)計(jì)；影響因素

0　引言

混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁最早出現(xiàn)在19世紀(jì)的法國(guó)，由于其造價(jià)低、施工簡(jiǎn)便，之后在人們的視野中便出現(xiàn)了許多形形色色的鋼筋混凝土橋梁。根據(jù)有關(guān)橋梁的報(bào)告發(fā)現(xiàn)，有超過(guò)1/4的橋梁耐久性不能夠滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，致使橋梁的功能大打折扣。在我國(guó)由于長(zhǎng)期存在著重強(qiáng)度、輕耐久性設(shè)計(jì)的理念，更使得耐久性設(shè)計(jì)大打折扣［1，2］。本文也通過(guò)對(duì)近些年發(fā)生的橋梁事故進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)、鋼筋腐蝕、混凝土碳化以及機(jī)械磨損等逐漸成為橋梁事故的最大誘因?？梢?，加強(qiáng)鋼筋混凝土橋梁的耐久性設(shè)計(jì)十分重要［3］?；谠摲N背景，本文首先對(duì)當(dāng)前鋼筋混凝土橋梁耐久性的主要影響因素進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼筋混凝土橋梁耐久性的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，希望可以為相關(guān)的理論和實(shí)踐提供一定的借鑒意義。

1　混凝土原材料對(duì)耐久性帶來(lái)的影響及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在影響鋼筋混凝土橋梁的耐久性的因素中，混凝土的耐久性是非常關(guān)鍵的，而其耐久性又取決于自身的密實(shí)度。在混凝土的密實(shí)度中，水灰比和水泥用量是兩個(gè)關(guān)鍵的要素。當(dāng)水泥用量偏小或者水灰比偏大時(shí)，當(dāng)混凝土構(gòu)件硬化后就很有可能會(huì)留下大量的空隙，從而為施工后的混凝土橋梁留下較大的隱患［4］。因此，在混凝土的制造中，要嚴(yán)格規(guī)定最大的水灰比和最小的水泥用量值，以有效保證混凝土的密實(shí)度，從而保證混凝土的耐久性。除此之外，混凝土施工過(guò)程中振搗工作如果不當(dāng)，也容易產(chǎn)生空洞、麻面或者蜂窩現(xiàn)象，從而不利于鋼筋混凝土橋梁的耐久性。圖1為水灰比對(duì)碳化深度的影響圖。

圖1　水灰比對(duì)碳化深度的影響圖

除此之外，混凝土原材料中的骨料也會(huì)對(duì)橋梁的耐久性帶來(lái)影響。骨料中的有害活性物質(zhì)在遇到水后很容易與水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生堿-集料反應(yīng)，從而引起混凝土的開裂等問(wèn)題。因此，需要選擇堿性或中性石料軋制成的骨料作為混凝土的原材料［5］。另外，為了有效提升鋼筋混凝土橋梁中混凝土的抗?jié)B、抗凍以及抗侵蝕性性能，可以采用在混凝土中添加外加劑的措施。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的外加劑主要有活性礦物摻合料、引起劑以及堿水劑等。以減水劑為例，其可以有效減小混凝土中的用水量，降低水灰比，有效增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，從而有效提升鋼筋混凝土橋梁的耐久性［6］。

2　內(nèi)部構(gòu)造對(duì)耐久性帶來(lái)的影響及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在鋼筋混凝土橋梁的耐久性內(nèi)部構(gòu)造影響因素中，鋼筋保護(hù)層和微裂縫是兩個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。一般情況下，鋼筋保護(hù)層是混凝土構(gòu)件中起到保護(hù)鋼筋、避免鋼筋直接裸露的那一部分外層混凝土。如果鋼筋保護(hù)層的厚度不足，就很容易出現(xiàn)混凝土表面脹裂或者鋼筋出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象，從而對(duì)橋梁的耐久性產(chǎn)生影響。如果厚度過(guò)大，也容易造成混凝土構(gòu)件在受力狀態(tài)下發(fā)生裂縫現(xiàn)象。因此，在我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范中，都對(duì)鋼筋保護(hù)層的厚度有著明確的規(guī)定，避免厚度過(guò)大和過(guò)小兩種情況［7］。

同時(shí)，鋼筋混凝土中的微裂縫也極其容易造成橋梁的耐久性退化。這是因?yàn)椋坏┏霈F(xiàn)了微裂縫，外界環(huán)境之中的水、鹽等物質(zhì)就會(huì)沿著縫隙進(jìn)入到混凝土保護(hù)層，進(jìn)而在長(zhǎng)期的作用之下到達(dá)鋼筋所在的地方，對(duì)鋼筋造成銹蝕等問(wèn)題，因此，要對(duì)鋼筋混凝土中的微裂縫問(wèn)題進(jìn)行有效控制。造成鋼筋混凝土中微裂縫的主要原因是溫度沒(méi)有控制好，在混凝土硬化成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高水泥水化熱，當(dāng)混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度相對(duì)較低時(shí)，微裂縫將更容易生成。尤其在冬季的施工過(guò)程中，要更加注意到混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度。

3　外部環(huán)境對(duì)耐久性帶來(lái)的影響及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

當(dāng)前，對(duì)鋼筋混凝土橋梁的耐久性造成影響的主要外部環(huán)境因素主要包括水、空氣、侵蝕性鹽以及車輛的荷載等。具體來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)為：

（1）水

水是對(duì)鋼筋混凝土橋梁耐久性帶來(lái)影響外部因素中的主要原因。當(dāng)外部的水進(jìn)入到混凝土之中后，尤其在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)之后，混凝土就容易發(fā)生脹裂或者剝蝕。也就是說(shuō)，在鋼筋混凝土橋梁中，務(wù)必要做好防水措施。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)在橋面鋪裝防水層或者在鋼筋混凝土梁板的外側(cè)腹板上涂刷防水材料的方式，前者可以有效防范橋面積水進(jìn)入到橋梁的上部結(jié)構(gòu)中，而后者可以有效避免梁體受到雨水的侵蝕［8］。除此之外，還要做好橋面的排水設(shè)施建設(shè)工作，以避免排水不暢給橋梁耐久性帶來(lái)的影響。

（2）空氣

空氣對(duì)鋼筋混凝土橋梁的耐久性帶來(lái)影響的主要因素是二氧化碳。當(dāng)二氧化碳進(jìn)入到混凝土內(nèi)部時(shí)，就容易與其中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以生成水和碳酸鹽，而這種使得鋼筋混凝土橋梁中的混凝土堿性降低的過(guò)程稱之為混凝土碳化。這是一種嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕。混凝土中的堿性物質(zhì)可以對(duì)鋼筋起到很好的保護(hù)作用，生成難溶的Fe2O3、Fe3O4。如果混凝土中的堿性降低，尤其當(dāng)碳化影響到鋼筋的保護(hù)層時(shí)，就容易使得鋼筋發(fā)生腐蝕。因此，在應(yīng)對(duì)該種因素的影響中，可以采用低水灰比、在混凝土表面涂抹聚合物防護(hù)層的方法，以增強(qiáng)鋼筋混凝土的抗碳化能力。

根據(jù)當(dāng)前的調(diào)查結(jié)果可知，混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比，如下式：

式中：XC表示碳化的深度；k表示碳化系數(shù)，其是綜合反映碳化速度快慢的參數(shù)，主要取決于混凝土的滲透性和環(huán)境條件；t為碳化時(shí)間。

（3）侵蝕性鹽

本文中所描述的侵蝕性鹽主要是指硫酸鹽或者氯鹽等，當(dāng)它們遇到水后就會(huì)使得侵蝕的作用能力進(jìn)一步加強(qiáng)，從而加速鋼筋混凝土橋梁的退化。這是因?yàn)?，硫酸鹽在水的作用下滲入到混凝土之中時(shí)，就會(huì)形成鈣礬石，從而使混凝土產(chǎn)生脹裂現(xiàn)象，造成其表面開裂。同時(shí)開裂的表面又使得侵蝕性鹽更加容易進(jìn)入，從而形成惡性循環(huán)，加速混凝土的破壞作用。值得一提的是，如果鋼筋混凝土橋梁是存在于海洋環(huán)境中，由于其構(gòu)件混凝土處于干濕循環(huán)中，其表面孔隙內(nèi)侵蝕性鹽的濃度會(huì)逐漸增加，在濃度差作用下侵蝕性鹽會(huì)逐步向混凝土的內(nèi)部滲入，直至鋼筋表面，造成鋼筋混凝土腐蝕。因此，更需要做好特殊的防腐措施，當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是環(huán)氧樹脂涂層鋼筋等，可以有效提升其耐久性。

（4）車輛荷載

車輛荷載對(duì)鋼筋混凝土橋梁耐久性帶來(lái)的影響作用不能小覷，尤其在長(zhǎng)期超載作用下，橋梁的混凝土構(gòu)件會(huì)因?yàn)椴缓侠淼氖芰Χa(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生的裂縫又容易使環(huán)境中的其他侵蝕性鹽等很輕易地進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，以對(duì)其耐久性帶來(lái)影響，甚至?xí){到橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，帶來(lái)突發(fā)的橋梁安全事故。因此，針對(duì)該種問(wèn)題，就需要橋梁管理和養(yǎng)護(hù)部門的共同努力下，嚴(yán)格按照橋梁的設(shè)計(jì)荷載對(duì)車輛進(jìn)行限載，對(duì)于超載的車輛要堅(jiān)決不予通行。

4　結(jié)　語(yǔ)

綜上所述，混凝土原材料因素、內(nèi)部構(gòu)造因素以及外部環(huán)境因素對(duì)鋼筋混凝土橋梁的耐久性帶來(lái)了較大的影響，因此，要針對(duì)這些因素采取必要的耐久性設(shè)計(jì)策略。當(dāng)然，在具體的實(shí)踐中，橋梁的耐久性除了需要完善的耐久性設(shè)計(jì)以外，還應(yīng)該進(jìn)行合理的材料選擇，嚴(yán)格施工質(zhì)量，在加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)的基礎(chǔ)上，保障鋼筋混凝土橋梁的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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［2］王磊.裂縫對(duì)于鋼筋混凝土橋梁耐久性的影響及防范措施［J］.交通建設(shè)與管理，2014（24）:138-140.

［3］龔耀輝.鋼筋混凝土橋梁耐久性不足成因分析及對(duì)策［J］.江西建材，2014（8）:196，203.

［4］閆慧穎.鋼筋混凝土橋梁耐久性的化學(xué)性影響因素［J］.科技致富向?qū)В?014（2）:87.

［5］于涇泓.鋼筋混凝土橋梁耐久性、腐蝕病害及對(duì)策［J］.交通世界（建養(yǎng).機(jī)械），2013（4）:260-261.

［6］劉祥，劉志文.氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土橋梁耐久性評(píng)估［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（S1）:764-768，775.

［7］羅強(qiáng).鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性差的成因分析［J］.經(jīng)營(yíng)管理者，2011（1）:346.

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U448.34

B

1009-7716（2016）01-0046-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.014

2015-08-26

張軍（1984-），男，天津人，工程師，從事道路橋梁設(shè)計(jì)工作。