混凝土桥梁结构耐久性设计探析.pdf

7 6 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4年 8 月第 8 期 混凝士桥梁结构耐久性设计探析 李翌程 ， 朱 自立 ( 湖南省农林工业勘察设计研究总院 ， 湖南长沙 4 1 0 007 ) 摘 要： 在建设桥梁的过程中， 只有确保混凝土的持久耐用性 ， 才能够为桥梁工程的安全提供保障。针对多种影响混凝土结构耐 久性的因素进行了探讨， 提出了提高混凝土结构耐久性的措施 ， 有关经验可供相关专业人员参考。 关键词： 混凝土桥梁结构 ； 耐久性 ； 设计 中图分类号： u 4 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 7 6 0 3 0 前言 在运行桥梁工程建筑时， 工程安全受外界很多 因素影响。此时， 混凝土表现出来的抵抗能力被称 为耐久性 ，这也是对桥体使用寿命的一个衡量指 标 。随着社会 的发展和经济水平 的提高 ， 交通量在 逐步增大 ， 致使桥梁所要承受的荷载量逐渐变大。 此时，混凝土以及所使用的材料因为时间过长而 老化， 再加上设计或者是施工过程中存在不足， 都 导致桥梁的耐用性降低，呈现出越来越多的病害 与缺陷， 更严重的是对结构的安全性造成威胁。在 进行现行公路设计时，一般会重点突出桥梁的承 载能力 ，却忽视了因为环境的变化而引发的材料 劣化 ， 导致结构的耐久性降低。这样 ， 因为对耐久 性缺乏足够 的重视 ， 而极 易引发工程安全 事故 ， 从 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 0 8 作者简介： 李翌程( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 河南商丘人 ， 工程师， 从事路 桥设 计与管 理工作 。 而增大修理费用， 而且会降低结构的使用寿命 ， 造 成资源的严重浪费。可见， 在进行混凝土桥梁结构 设计时 ，必须针对这些问题，对设计技术进行优 化， 尽可能提高桥梁的使用寿命。 1 混凝土耐久性设计的内涵 1 1 混凝土耐久性设计的 内容 对混凝土结构的耐久性设计主要有 以下两方 面 ： 首先是选取合适的混凝土材料 ， 其次是要合理 控制裂缝宽度并且对结构的构件进行 优化 。在选 用材料时 ， 必 须根据实 际情况 而定 ， 按照环境 的作 用和类别等级以及设计的基准期等因素，选取不 同的材料。与此同时，还必须尽可能降低工程造 价 ，并秉承节能环保 的理 念。关 于结构 细部 的优 化 ，主要是指对构件进行 防水 、排水和防腐蚀处 理 。在这个过程中， 必须本着严谨 的科学态度来进 行。 如果桥体被水或者是化学物质腐蚀 ， 必然会严 重降低其安全性 ， 缩短其使用寿命。对于一项工程 而言 ， 安全工作 占据核心地位 ， 而且必须确保设计 3 结语 图 1 4 中横梁 +小纵梁 o) ( ) ( 应力图 ( 1 ) 本文利用有 限元分析软件 Mi d a s F E A对下 承式钢拱桥的拱脚支承节点、桥面板进行空间有 限元分析 ， 通过局部计算分析结果可看出， 除局部 区域的应力水平较高外 ，绝大部分区域的应力水 平均较低 。拱脚节点、 桥面板的最大应力及局部刚 度均未超 出规范的规定 。 ( 2 ) 该桥 的拱脚支承节点 、 桥 面板构造是 合理 的， 可为类似工程提供参考。 参 考文献 【 1 】 林元培 桥梁设计工程师手册【 M 北京 ： 人民交通出版社， 2 0 0 7 【 2 】 于刚 九堡大桥设计过程复杂节点局部分析 J 】 _ 城市道桥与防 洪 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 3 O 一 3 3 3 3 张琳， 曾天宝 艾溪湖大桥局部受力分析 J J 城市道桥与防洪， 2 0 1 2 ( 1 2) ： 7 9 8 1 ， 1 1 3 【 4 J T G D 6 0 2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范 s 】 【 5 删0 2 5 1 9 8 6 ， 公路桥涵钢结构及木结构设计规范【 s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构7 7 的合理性才能够保证工程质量的可靠性。 对于我国的现行规范而言， 虽然会考虑到环境 因素的常见影 响 ，但是并没有考虑到结构受力时 ， 混凝土结构会受到什么影响。这样就会导致混凝土 的耐久性受到影响时 ， 混凝土保护层受到损坏 ， 桥面 铺装不坚固。可见， 完善现行的规范以及相关规定， 有助于提高桥梁结构的质量 ，然而这还有很长的路 要走 ， 需要经过很长时间的摸索来完善现行规范。 1 2 混凝土结构耐久性设计原 则 在优化设计来提高混凝土结构耐久性的时 候， 需要设计人员具备加强的业务能力。首先， 设 计人员必须对提高混凝土结构的耐久性这一 目标 给予足够的重视，即做好桥梁预期设计使用年限 的评估工作 。此外 ， 还必须掌握混凝土结构耐久性 该通过怎样 的标准来判断是否失效。当前 ， 针对使 用年限的问题， 已经有了相当确切的规定 ， 并将使 用寿命总结为 3种 。但是 ， 对于上述提及 的失效标 准并 没有统一 的规定与看法 。相对 于普通 的混凝 土结构来说，关于耐久性是否失效可以从以下两 种方式来判断： 第一 ， 如果耐久性退化将导致结构 发生变形 ， 导致其正常使用功能受阻。这种失效主 要是通过钢筋锈蚀开裂作为判定标准的。第二 ， 混 凝 土结构性能降低 ， 承载能力也是大 大折扣 ， 严重 影响其正 常使用 。 2 桥梁耐久性差的主要原因 2 1 桥梁设计规范方面的不足 桥梁 结构建 设必须 确保 工 程质量 的可 靠性 ， 这需要一定 的规范 与规定来 指导工程 的开展 。在 进行建设工作时，所有工作的开展必须参照这些 规定来执行 ， 而且不可以任意更改。 或者是说即使 修改也要做出明文规定。 需要指出的是 ， 我国很多 参 考性规则一般具有强制性 ， 而且具备法律效 益 ， 这是 区别 于国外规程 的一个典型特征 。我们对 它 的管理却没有与工程科学的发展脚步保持一致 。 例如 ， 对于很多跨海大桥而言 ， 缺乏适 当的规 范作 为指导 ， 导致其质量安全成为一个隐患。 2 2 设计和结构构造体 系的缺 陷 对于桥梁设计领域而言 ，结构耐久性引起了 业内人士足够的重视，而且这是一个亟待解决的 现实问题。在进行实际操作的过程中， 设计人员往 往过多地偏重于结构强度计算，以此来满足安全 需求 ， 但是却忽略了在整个过程( 包括设计、 施工 以及投入使用 ) 中的人为错误 ， 因为这些人为错误 也极有可能降低结构耐久性。如果某工程的整体 性不高、 计算图式不明确 、 混凝土强度不够等都可 能降低结构耐久性。除此之外， 根据环境以及使用 条件的不同，设计者对结构体系设计提出了各种 要求。为了确保结构的合理性和可靠性 ， 在进行设 计时必须按照一定的规范来进行。与此 同时 ， 还必 须保证设计人员能够 正确认识结构 本性 ，根据 自 身多年工作经验来准确判断结构是否合理。 2 3 桥梁施工和管理方面的问题 目前 ， 我 国桥梁建设 呈现 出了明显 的趋势 ， 主 要包 括 ： 工期相 对 比较 紧张 、 任务 相对比较 繁重 ， 如果某些施工过于野蛮或者是缺乏严格而完善的 管理模式 ， 那么就极有可能引发质量问题 ， 导致桥 梁坍塌。对引发这种现象的原因进行探究 ， 可以发 现这主要是因为施工没有按照设计要求来进行 ， 而且 材料 的强度相对 比较低 ，再加上施工工艺 的 不合理 ， 都造成 了施工质量不合格现象 的出现。同 时， 也有很多桥梁存在偷工减料的问题， 这也势必 会缩短桥梁的耐久性 。更为严重 的是 ， 有 的桥梁没 有 经过长时间使用 ，就 已经产生 了耐久性不足 的 现象 ， 这与桥梁质量低下是密不可分的。如果钢筋 的保护层受到破坏，或者是施工现场的构件出现 开裂问题 ， 都会导致桥梁的耐久性不足。 3 混凝土桥梁结构耐久性设计的措施 3 1加强对桥 梁结构耐久性的研究 在建造桥梁并投人使用的过程中， 外界环境 、 有害的化学物质等都会对桥梁造成一定的侵蚀 ， 而且还在负载强大的外界负荷，这无疑对桥梁的 质量提出了严峻的考验 。同时 ， 如果材料 自身性能 退化 ， 这就导致桥梁结构被损坏 ， 逐渐呈 现劣化 的 趋势。从上世纪的 8 O年代开始 ， 我国已经建造了 很多斜拉桥 ， 虽然并没有呈现倒塌现象， 却不得不 提前换索来保证拉索的耐久性 ，这样就造成了严 重的经济浪费 。 许 多质量 问题的出现是 由于缺乏合理 的耐久 性设计而造成的。这就为人们敲醒了警钟， 使人们 对桥梁 的耐久性 问题给予重新认识 。 经过大量 的事 实证 明 ， 施工和材料两个方面 的原 因， 造成 了桥梁 的耐久性降低。可见， 是设计上的缺陷决定结构的 耐久性不高。 一 直以来， 人们都注重研究结构计算方法， 但是 却没有对总体构造和细节处理给予足够的重视。结 构的耐久性设计是有别于常规结构设计的，因此需 要推动耐久性研究实现定性向着定量的方向发展 。 3 2 加强对桥梁结构疲劳损伤的研究 对于桥梁结构而言， 需要承受很重的荷载。其 中的车辆和风荷载都是动荷载 ， 这会使得结构产 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 桥梁结构 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 4 年 8 月第 8 期 生应力 ，既可能引发结构振动又可能 引发结构疲 劳。桥梁的建设过程中所使用的材料并不均匀也 不连续 ，而是有很多缺陷 的。随着荷载 的不 断增 大， 这些微小的缺陷就很有可能逐渐被扩大， 形成 严重的损伤，再继续扩大就会形成可见的宏观裂 纹 。如果得不到合理 的控制 ， 这些宏观裂纹就可能 引发脆性 断裂 。需要指 出的是 ， 这些早期疲劳不易 察觉， 但极有可能导致严重的灾难性后果。 在钢桥设计过程中，疲劳损伤是亟待解决的 核心 问题 。由于结构疲 劳所引发的钢材开裂是 比 较常见的，而且由于疲劳断裂所引发的断桥的案 例数不 胜数 。对 近 2 0年 的桥梁 现状 进行研 究发 现 ，对于疲劳损伤的研 究已经涉及到混凝土 的结 构 ，同时依然需要加强对于动态性能和疲劳性能 等方面的研究。疲劳损伤的研究不仅是对于整个 桥梁结构而言的 ， 而且要需要考虑局部疲劳 ， 并尽 可能减少因为局部疲劳所引发的桥梁结构坍塌。 3 3 加强对“ 超载” 的管理 车辆超载也是引发桥梁结构出现疲劳损伤的 一 个重要原因，但是其所带来的后果却是在超规 范范围之 内的。 车辆超载可以分为以下三种情况 ： 第一 ， 如果 桥梁修建过早，那么势必会出现严重的超龄负载 运营现象 ；第二 ，桥梁通行 的车辆 已经严重超负 荷， 超过了原设计。还有一种是车辆违规超载现象 的出现 。对于前面两种情形产生 的原因进行总结 ， 发现这是 由于设计荷载不断浮动以及交通量不断 增大所引发的。后一种情况是车辆的使用者出现 严重的违法超载现象。 桥梁 的超载会带来非 常严重 的后 果 ，增大 了 疲劳应力幅度 ， 而且 导致不可逆 内部损伤。这样会 导致桥梁也不适 应正常负荷 ，难 以维持正常的工 作状态， 这将会对桥梁的安全性造成威胁， 降低其 耐久性， 这就势必会造成桥梁的使用寿命缩短。更 为严重 的是 ， 超载可能会 引发结构破坏 。 目前 ， 桥 梁超载现象十分严重，成为亟待解决的问题。因 此 ， 要积极借鉴国外的经验 ， 学习其先进 、 合理的 做法 ，从 质量管理以及 行政性超 载管理等几个方 面来提高桥梁耐久性 。 3 4 推广使用防腐技术 。 提高结构 耐久性 目前， 我国修建了很多桥梁， 然而由于钢筋混 凝土的质量易出现问题而引发地带裂缝，这就会 导致桥面的水渗入到桥梁之中， 对其产生腐蚀。可 见， 钢筋的锈蚀问题亟待于解决。为此， 从国外引 进先进的环氧树脂涂层钢筋制造技术 ，并进行批 量生产 ， 这都有利于提高桥梁结构的耐久性 。 4 结语 随着社会的发展，桥梁在人们生活中的地位 日渐提升 ，因此这就获得了越来越多 的关注 。 目 前 ， 混凝土结构是一种十分普遍 的桥梁结构 ， 但是 这种结构的低耐久性也是有 目共睹且亟待解决的 难题 。因为桥梁 的耐久性低不仅会降低桥梁 的耐 久性 ，而且会对人们 的生命 财产安 全造成 威胁 ， 造成很大的经济损失。可见 ， 研究混凝土结构的 耐久性是一项具有重要研究意义的课题。寻找提 高耐久的有效措施， 并不断优化设计 ， 防患于未 然 ， 将有助于建设高耐久性 的桥梁 ， 更好地推动 经济 发展。 爹 考文献 1 】 张喜军， 刘洋 浅谈桥梁混凝土结构的耐久性【 J 】 黑龙江交通科 技， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 4 9 【 2 】 刘 缨， 张显 军， 王景波 钢筋混 凝土 桥梁 的耐久 性【 J 】 黑龙 江交通 科技, 2 0 0 1 ( 1 ) ： 6 1 6 2 【 3 】 晋向平 混凝土结构耐久性初探 J 】 山西建筑， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 3 4 3 6 【 4 】 王月 关注混凝土结构耐久性与安全性的问题 【 J 中外建筑， 2 0 0 3 ( 1 ) ：4 6 4 7 ( 上接 第 6 0页) 等级和车流情况、 周围建筑、 用地面积等因素系统 的分析， 才能得到最佳的效果。 4 总结 本文通过对 目前 国内常见的市政道路交叉 口 的型式和适用性进行了分析，总结了各个类型的 交叉 口的优缺点。并在研究中阐述了交叉口设计 需注意 的相关事项 ，提出有效减少 交通堵 塞和交 通 安全事故 的设计方法 ，对于城市道路交叉 口建 设具有一定的参考意义。 参 考文献 【 1 】 刘立宇， 吉葆萍， 孙德斌 包头市道路交叉 口的交通改善及效果 评价 J 】 山西建筑， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 3 0 9 3 1 0 2 2 李四夫 浅谈城市道路交叉 口的综合设计 J 经济技术协作信 息， 2 0 0 8 ( 2 6 ) ： 8 7 8 8 【 3 段连旭 浅谈市政道路工程交叉 15 1 设计 J 】 价值工程， 2 0 1 1 ( 3 2 ) ： 7 5 7 6 【 4 】 吴景成 论述市政道路工程中平面交叉口设计的型式及其适用 性 J 1 科技创业家， 2 0 1 2 ( 2 4 ) ： 2 5 5 唐明德 市政道路平面交叉12 1 的规划设计与实施【 J 中国科技纵 横， 2 0 1 1 ( 5 ) ： l 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m