公路桥梁混凝土结构耐久性的设计研究

公路桥梁混凝土结构耐久性的设计研究

李国桢

中国建筑第八工程局有限公司  陕西西安 710000

摘要：公路桥梁作为国家经济发展和基础设施建设中的重要交通节点，对人们生活质量有着重要意义。公路桥梁的安全性、适用性及耐久性是桥梁结构必备的基本属性。但是，公路桥梁工程的建设通常伴随着较大的复杂性和系统性，这就要求在公路桥梁工程从勘察设计到开工建设再到开通运营及养护维修的全寿命周期工作期间，做好公路桥梁工程全面且细致地考量，将如何提高公路桥梁工程耐久性放在与承载能力极限状态及正常使用极限状态同等重要的位置，实现公路桥梁工程高质量发展目标。

关键词：公路桥梁；混凝土结构；耐久性

中图分类号：U416    文献标识码：A

引言

桥梁结构作为公路运输体系中的重要节点，其结构损坏和寿命缩短会严重影响公路交通运输体系的正常运行，给社会经济发展带来巨大隐患和损失。所以，探讨桥梁结构耐久性的首要任务是通过深入了解桥梁在使用过程中所面临的各种环境因素和荷载作用，揭示桥梁结构损伤和老化的机理，为设计和养护管理工作提供科学依据。针对这些因素提出针对性的优化设计方案，能够有效提高桥梁结构的抗腐蚀、抗渗、抗冻等性能，从而实现桥梁结构耐久性设计目标，降低运营期间的管养成本。

1 公路桥梁结构设计问题

1.1 设计不完善

桥梁工程设计人员在开展设计工作过程中，不仅仅是要保证公路桥梁工程满足现行规范的各种验算及构造要求，还需要对其结构做好分析，保证结构的合理性，同时对工程建设所用的各种原材料的规格、性能、品质提出明确的要求。一方面提升工程整体建设效果；另一方面为工程后期养护维修创建有利条件。但从实际情况来看，在开展公路桥梁工程设计、施工以及公路桥梁工程正式投入使用的全寿命周期内，在不同阶段均会受到诸多因素影响，这就导致了公路桥梁工程建设的复杂性和系统性问题。常见如不明确的传力路径，不全面的延性把握，强度等级不满足要求的混凝土，较小的保护层厚度，不合理的防裂钢筋网片的设置以及不合理的水灰比等。因此，当务之急是做好公路桥梁工程的系统化分析，保证工程设计合理性与完善性。

1.2 抗裂性较差

混凝土桥梁结构在自重、二期恒载等恒载，汽车荷载、人群荷载、温度作用等活载作用下，基于短期效应组合，上部梁板作为受弯构件，正截面产生拉应力，一旦截面受拉区的拉应力超过限值，混凝土结构即开裂。基于混凝土结构抗裂性能差，而混凝土结构开裂后严重影响结构耐久性的特点，公路桥梁设计中通常采用预应力混凝土的设计方案，在截面受拉区设置预应力钢筋产生预压应力以抵消各种荷载作用下产生的拉应力，控制混凝土结构裂缝开展宽度甚至控制混凝土结构不开裂，进而解决钢筋混凝土结构裂缝超限或带裂缝工作的情况。在大跨径公路桥梁中甚至采用限制截面出现拉应力的全预应力混凝土结构，以确保桥梁结构的受力性能及耐久性。

1.3 环境因素

1.3.1 桥梁混凝土碳化

混凝土碳化过程比较复杂。水泥熟料中含有的主要矿物成分为硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝酸四钙。水泥熟料经水化生成水化硅酸钙和氢氧化钙，形成碱性环境对钢筋表面形成钝化膜（碱性氧化膜），从而提供保护。混凝土碳化是指空气中二氧化碳气体通过硬化混凝土的细孔渗透到混凝土内部，与混凝土中的碱性物质发生化学反应，生成碳酸盐和水，导致混凝土pH值降低，从而减弱混凝土对钢筋保护作用的现象。

1.3.2 钢筋锈蚀

影响桥梁结构耐久性的重要因素之一是钢筋锈蚀。当桥梁结构截开后，钢筋混凝土结构中的钢筋将暴露在潮湿的大气环境甚至受到化学污染的环境中，形成锈蚀通道，导致钢筋发生锈蚀，降低钢筋的有效断面面积，进而降低钢筋的抗拉强度和承载能力。同时，钢筋锈蚀体积膨胀还会引起周围混凝土的开裂，破坏混凝土的保护层，是的钢筋更进一步的暴露在潮湿的大气环境中，加剧了钢筋的锈蚀，这样恶性循环下去，严重影响其桥梁结构的耐久性和结构安全性。

2 公路桥梁混凝土结构耐久性设计要点

2.1 优化设计理念

在公路桥梁设计过程中，设计人员需要结合桥梁建造环境和实际建造条件，对构件适应性、限制条件作出深入研究，按照现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》及《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》有关耐久性设计的相关要求，设计过程中首先需要明确桥梁所处区域的环境类别、环境作用等级、地下水对钢筋及混凝土的腐蚀性、土壤对钢筋及混凝土的腐蚀性等，从而选择更加科学适合的桥梁结构类型（对于上部结构受弯构件有全预应力混凝土构件，部分预应力混凝土A类构件、部分预应力混凝土B类构件）、材料和工艺技术；明确各构件的混凝土保护层厚度、混凝土强度等级以及相关钢筋防腐措施等；同时加强混凝土配合比设计，严格控制水泥用量、水灰比等影响混凝土结构耐久性的参数；优化桥梁安全性、耐久性方案和构造措施设计，确保满足设计规范要求，确保桥梁结构耐久性设计方案合理、完备，为桥梁建设质量提供有力保障。只有保证设计的科学化、合理化，才能保证桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。

2.2 重视疲劳损伤设计

公路桥梁工程投入使用后，由于结构受到长期汽车动载荷的作用，很容易导致公路桥梁工程的结构出现振动问题。如此一来，便会导致公路桥梁工程的疲劳性破坏。之后，变随着公路桥梁工程磨损面的不断积累，便会在公路桥梁工程的内部结构产生裂纹。其中，从公路桥梁工程建设初期角度来看，产生的疲劳往往会连带出结构方面更大的冲击力，进而发展成为严重后果。因此，还需设计人员在进行公路桥梁工程设计时，能够重点关注疲劳损伤问题，做好负面影响地控制。

2.3 材料的合理选择

（1）水泥的选用。水泥的选用对桥梁结构的耐久性至关重要。合理选择水泥强度等级、抗渗透性和耐久性，并考虑其工程性能，可以提高桥梁结构的耐久性和可靠性。通过考虑水泥的强度、耐久性、特殊环境要求和可持续性等方面的因素，可以确保桥梁结构在长期使用中具有较好的安全性、可靠性和耐久性。

（2）骨料的选用。骨料的强度和稳定性是影响混凝土耐久性和承载能力的重要指标。合适的强度和稳定性的骨料可以提供坚固的骨架支撑混凝土，增加混凝土的抗压能力和耐久性。高强度的骨料适用于承受大荷载的桥梁结构，而低强度的骨料则适用于小型桥梁结构。通过合理选择骨料的强度和稳定性，可以提高桥梁结构的耐久性。

（3）控制水灰比和水泥用量。水灰比是指水与水泥、矿物掺合料等固体成分的比例，而水泥用量则是指在混凝土中使用水泥的数量。合理控制水灰比可以显著影响混凝土的强度和耐久性。较低的水灰比可以降低混凝土中的孔隙率，提高其致密性和抗渗性，从而减少水分和有害物质的渗透，延长桥梁结构的使用寿命。同时，合适的水灰比还可以提高混凝土的强度和耐久性。

3 结束语

综上所述，开展公路桥梁工程建设，要求对公路桥梁工程安全性与耐久性问题做好分析。实践中，重点考量公路桥梁工程实际情况，细化各类因素造成的公路桥梁工程影响，然后在全面把握工程实情的基础上，针对性设计工程建设方案，保证公路桥梁工程建设能够达到更理想的安全性和耐久性效果。

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