淺談混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性

崔澤勝+武巖

摘 要： 本文結(jié)合工作實踐和參閱相關(guān)文獻，淺談了混凝體橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性的問題；造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素；影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，并從科研、設(shè)計、施工方面淺談了提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的對策。

關(guān)鍵詞： 混凝土；橋梁；結(jié)構(gòu)；耐久性

l前言

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，中國橋梁的數(shù)量已十分龐大。其中不少橋梁暴露出缺陷，更有一些橋梁在遠沒有達到設(shè)計預(yù)期壽命時出現(xiàn)耐久性能嚴重退化的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)倒塌等毀滅性事故。造成非常嚴重的經(jīng)濟損失。國內(nèi)外統(tǒng)計資料表明，由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害而導(dǎo)致的損失是巨大的。國內(nèi)外的研究和實踐都表明，結(jié)構(gòu)耐久性對于橋梁的安全運營和成果起著決定性作用。目前國內(nèi)的橋梁設(shè)計中耐久性設(shè)計重視不夠，這在一定程度上導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)使用性能差、使用壽命短等不良后果，也與國際結(jié)構(gòu)工程界日益重視耐久性、安全性的趨勢相違背，更不符合考慮橋梁工程在建設(shè)、使用、維護等整個周期的費用的要求。因此，為確保大型橋梁結(jié)構(gòu)的安全和正常運營，必須對影響其耐久性的主要因素進行研究，以便采取必要的對策，提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和使用功能。

本文結(jié)合工作實踐，并參閱相關(guān)文獻，介紹了箱型梁的梁格分析法理論，從梁格理論單元的劃分、各單元截面特性以及梁格劃分、加載等方面淺述了梁格法在連續(xù)箱梁橋設(shè)計中的應(yīng)用。

2造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素

對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，主要分為混凝土自身的破壞以及由于混凝土的自身的變化造成鋼筋的腐蝕破壞。鋼筋腐蝕產(chǎn)物（鐵銹）的體積為原來鐵體積的2.5—7倍，所產(chǎn)生的膨脹壓力會造成混凝土的開裂、剝落，裂縫的產(chǎn)生又會導(dǎo)致更多腐蝕介質(zhì)的侵入，引發(fā)更嚴重的腐蝕。

（l）混凝土的中性化（主要是碳化）

碳化是空氣中二氧化碳與水泥石中的堿性物質(zhì)相互作用。使其成分、組織和性能發(fā)生變化，使用機能下降的一種很復(fù)雜的物理化學(xué)過程。碳化會降低混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。同時，混凝土碳化會加劇混凝土的收縮，這些都能導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫和結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物可靠度的重要指標(biāo)。

（2）氯離子的腐蝕氯離子半徑小，穿透能力強，能夠加速鋼筋腐蝕，對混凝土的破壞主要表現(xiàn)在：氯離子進入混凝土并到達鋼筋表面，能破壞鋼筋表面的鈍化膜，使鋼筋發(fā)生局部腐蝕；②氯離子的電化學(xué)作用，Cl -吸附并破壞鋼筋局部鈍化膜，露出鋼鐵基體，這暴露區(qū)與周圍鈍化膜形成電化學(xué)腐蝕電池，使Fe - 2e - Fe2+陽極反應(yīng)過程發(fā)生，Cl -還強化腐蝕電池的導(dǎo)電性，加速電化學(xué)腐蝕過程。

（3）混凝土堿一集料反應(yīng)

混凝土堿一集料反應(yīng)是指混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)。該反應(yīng)發(fā)生于混凝土中的活性骨料與混凝土中的堿之間，其反應(yīng)產(chǎn)物為硅膠體，這種硅膠體遇水膨脹，產(chǎn)生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。出現(xiàn)裂縫后，會加速混凝土的其他破壞，如空氣、水、二氧化碳等侵入，會使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快。

3影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素

在運營期間，橋梁受到環(huán)境等自然因素的影響而逐漸老化，承受汽車重載、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素作用，使橋梁結(jié)構(gòu)材料及構(gòu)件的力學(xué)性能不斷退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度損傷和劣化。

首先，由于橋梁所用的混凝土在大氣中的碳化會降低混凝土堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，使混凝土失去對鋼筋的保護作用，還會加劇混凝土的收縮，導(dǎo)致混凝土的開裂和結(jié)構(gòu)的破壞。因此，混凝土碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)。另外，混凝土堿集料反應(yīng)的產(chǎn)物硅膠體會遇水膨脹，產(chǎn)生很大的膨脹壓力，從而引起混凝土開裂。這種裂縫出現(xiàn)后，會加速混凝土的其他破壞，如空氣、水、二氧化碳等的侵入，使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，鋼筋銹蝕產(chǎn)生鐵銹的體積遠大于鋼筋原體積，又會使裂縫擴大。混凝土性能的劣化逐步失去了對鋼筋的保護能力，同時其強度隨時間也有所變化，強度標(biāo)準(zhǔn)差隨時間的增大而增大。

其次，由于自然和人為因素，使氯離子侵入混凝土內(nèi)部，破壞鋼筋表面的鈍化膜而使鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕達到一定程度時，由于銹蝕產(chǎn)物體積膨脹而造成混凝土保護層開裂。腐蝕量越大，裂縫寬度也越大，當(dāng)銹蝕發(fā)展到較嚴重時，混凝土保護層表面將出現(xiàn)數(shù)條裂縫，主裂縫與銹蝕量呈現(xiàn)共同增長趨勢。鋼筋的銹蝕不但使其截面積有所損失，材料的性能也會發(fā)生衰退，從而影響混凝土構(gòu)件的承載能力，因此鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性降低的最主要因素。

另外，混凝土長期的受力作用使其徐變逐漸增加，橋梁運營6—7年后，橋面跨中標(biāo)高均會有不同程度相對下?lián)?，長期應(yīng)變受混凝土受載齡期的影響很大。混凝土徐變引起的應(yīng)力重分布。而且在大跨度梁預(yù)應(yīng)力施加中，實際情況難以與設(shè)計十分吻合，長時間受力加上徐變收縮的影響，預(yù)應(yīng)力損失將是影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。

最后，由于橋梁所采用的材料實際上存在許多微小的缺陷，所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載 .都是隨機動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，在循環(huán)荷載作用下，這些缺陷會逐漸發(fā)展、合并形成損傷，逐步在構(gòu)件中形成裂紋。如果宏觀裂紋得不到有效控制，可能會引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。另外，橋梁的線形不平順、接頭跳車、結(jié)構(gòu)開裂和過大的變形等，都會使橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性變差。

4提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的對策

由于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的破壞和腐蝕，給橋梁工程造成了重大的安全隱患和經(jīng)濟損失，如果不重視混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題，將付出極大的經(jīng)濟代價。所以，作為一名橋梁工程人員來說，應(yīng)在橋梁工程管理、設(shè)計、施工與運營過程中予以高度的重視，轉(zhuǎn)變以往只重視橋梁結(jié)構(gòu)安全性、使用性而輕視橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的習(xí)慣，確實的把橋梁結(jié)構(gòu)耐久性提高到與結(jié)構(gòu)可靠性同等高度上。

下面從科研、設(shè)計、施工個方面淺述一下提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的對策：

（1）從科研的方面來說，應(yīng)加強提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性理論和方法的研究，不僅從材料機理上研究結(jié)構(gòu)的老化損傷過程及主要因素，更應(yīng)從結(jié)構(gòu)全局出發(fā)，研究耐久性設(shè)計、評估、維修決策與優(yōu)化，尋求新的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和方法，從結(jié)構(gòu)和設(shè)計的角度為設(shè)計和施工人員提供易于操作的的耐久性設(shè)計理念和方法。

（2）從設(shè)計方面來說，應(yīng)在設(shè)計中逐步提高對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性重要性的重視，每一位橋梁設(shè)計師應(yīng)建立耐久性設(shè)計思想。橋梁設(shè)計時要從構(gòu)造、材料等角度采取措施，充分考慮不同的環(huán)境和使用條件及不同的設(shè)計對象對結(jié)構(gòu)體系提出不同的布局和構(gòu)造等方面的要求及充分考慮到現(xiàn)階段的施工、管理水平和材料工藝水平，采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法來保證橋梁使用性能，特別是要注意結(jié)構(gòu)體系和材料選擇的合理性及結(jié)構(gòu)細節(jié)處理與目前的施工工藝水平和質(zhì)量管理水平的協(xié)調(diào)性。

（3）從施工方面來說，應(yīng)不斷提供施工管理水平和施工質(zhì)量，在施工時，要做到工藝先進可行、工序嚴格控制。提高重視結(jié)構(gòu)耐久性施工措施的意識，盡量避免施工中出現(xiàn)的一些問題，如有些工程為了趕工期，認為減少混凝土的養(yǎng)護時間，養(yǎng)護方法不正確，混凝土保護層施工誤差較大等等；應(yīng)從影響結(jié)構(gòu)壽命的角度出發(fā)，保證養(yǎng)護時間，對于不同情況下采用正確的養(yǎng)護方法，保證保護層厚度精確施工，把提高耐久性作為施工控制的重要目標(biāo)來施工?！?