从设计角度增强公路桥梁安全性的思考

关键词：桥梁公路

耐久性和安全性是公路桥梁建设质量的重要体现。公路桥梁在建造和使用过程中, 既要受到环境、有害化学物质的侵蚀, 还要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用, 同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化, 导致结构各部分不同程度的损伤和劣化, 影响了桥梁的耐久性和安全性。大量的实例证明, 除了施工和材料方面的原因, 影响结构耐久性的决定性因素是来自设计上的缺陷。桥梁出现安全性和耐久性差的现象, 既有施工方面的问题, 同时在桥梁设计领域, 特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案, 其次是结构分析与构件和连接的设计, 并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要, 而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足, 冗余性小;有的计算图式和受力路线不明确, 造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄;这些都削弱了结构耐久性, 会严重影响结构的安全性。提高公路桥梁的安全性和耐久性, 必须首先把好设计关, 突出桥梁设计在保证桥梁安全性和耐久性的重要作用。笔者结合工作实际, 从桥梁设计的角度就提高公路桥梁安全性进行探讨。

1 注重桥梁用混凝土的质量设计

保证混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前提和基础。混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成, 其中水灰比、水泥用量、强度等级均对耐久性有较大影响。《桥规J T G D 6 2》明确规定了不同使用环境下, 结构混凝土的基本要求, 对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定, 这是《桥规J T G D 6 2》对公路桥涵结构耐久性设计的基本要求, 设计时应遵照执行。

同时, 要加大钢筋的混凝土保护层厚度, 防止混凝土碳化。只有保护层混凝土碳化, 钢筋表层钝化膜破坏, 钢筋才有可能锈蚀。加大钢筋的混凝土保护层厚度, 是保护钢筋免于锈蚀, 提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一。《桥规J T G D 6 2》给出了钢筋最小混凝土保护层厚度, 但其与国际上较为通用的设计规范相比, 还是有点差距。设计时适当加大钢筋的混凝土保护层厚度对提高混凝土结构耐久性是非常有益的。

2 重视混凝土结构裂缝的防治设计

混凝土结构的任何损伤与破坏, 一般都是首先在混凝土中出现裂缝, 裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表, 反过来, 裂缝的存在会增加混凝土渗透性, 提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性不断下降的渠道。当混凝土开裂后, 侵蚀速度将大大加快, 形成导致混凝土结构耐久性的进一步退化的恶性循环。因此, 防止和控制混凝土的裂缝, 对提高混凝土结构的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂缝, 除按规范要求控制正常使用极限状态的工作裂缝以外, 更重要的是要采取构造措施, 控制混凝土施工及使用过程大量出现的非工作裂缝。《桥规J T G D 6 2》突出强调了加强水平防缩钢筋和箍筋在控制裂缝中的作用, 提高了水平防收缩钢筋的配筋率和箍筋间距的规定, 其指标都比老桥规有所提高, 这是防止和控制收缩裂缝的重要构造措施。

3 提高后张法预应力钢筋管道压浆质量

后张法预应力钢筋管道压浆质量是影响预应力混凝土梁耐久性的关键因素之一。《桥规J T G D 6 2》规定, 预应力钢筋管道压浆用水泥浆的抗压强度不应低于30MPa, 其水灰比为0.4~0.5, 为减少收缩, 还可通过试验掺入适量膨胀剂。《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2004认为, 预应力钢筋的锈蚀会导致结构的突然破坏, 事先不易发现, 在耐久性设计中必须特别重视, 并采用多重的防护手段。对此, 对于可能遭受氯盐侵蚀的预应力混凝土结构, 预应力筋、锚具、连接器等钢材组件应采用环氧涂层或涂锌, 后张预应力体系的管道必须具有密封性能, 不使用金属的螺旋管, 宜采用有良好密封性能的高密度塑料波形管。同时, 管道灌浆材料和灌浆方法要事先通过试验验证, 尽可能降低浆体硬化后形成的气孔, 并采用真空灌, 必要时还可以在灌浆材料中掺入适量的阻锈剂。

4 重视防腐材料在桥梁结构中的应用

目前, 我国大量地修建L=1 6 m~2 5 m的多跨现浇连续钢筋混凝土箱梁结构的桥梁, 由于普通钢筋混凝土结构是一种必然地带裂缝工作的结构, 因而在负弯矩区总会出现负弯矩裂缝, 鉴于负弯矩区裂缝是一种向上开口的“V”形裂缝, 桥面水容易渗入, 遭受长期浸蚀后, 负弯矩钢筋的锈蚀问题是应予以重视的问题。近年来, 由国外引进的环氧树脂涂层钢筋已在国内生产, 应用于一般钢筋混凝土负弯矩区的钢筋中, 这对保证结构的耐久性无疑是很好的事情。再如, 英、美等国的调查均发现锚头区有钢丝锈蚀问题, 甚至发生过桥梁倒塌事故, 因而张拉结束后立即用环氧树脂砂浆封堵锚头可有效防锈。

5 加强桥面铺装层的防水设计

桥面渗水的排除和防渗漏问题, 都将涉及到桥梁的耐久性问题, 应引起格外的重视。桥面铺装防水层对桥面的防护有重要作用, 必须精心设计与施工。桥面铺装层应采用密实性较好的C 3 0以上等级的混凝土, 混凝土铺装层内应设置钢筋网, 防止混凝土开裂。采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料 (赛柏斯) , 都能收到较好的防水效果。桥面铺装层顶面应设置防水层, 特别是连续梁 (或悬臂梁) 的负弯矩段更应十分重视防水层设计。此外, 还需加强泄水管设计, 应特别注意泄水管周边的构造细节处, 加强伸缩缝处的排水设计, 防止水分从伸缩缝处渗入梁内。近年来, 由于高速公路蓬勃兴起, 目前广泛地使用F Y T-1 (属柔性防水效果) 和M 1 5 0 0型 (属刚性防水范畴) 防水构造, 但其实际效果如何尚有待接受时间的考验。

综上所述, 安全性不足是桥梁结构设计迫切需要解决的问题。研究发现, 引起混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构设计、施工及维修的各个环节。虽然新颁布的《桥规J T G D 6 2》已将桥涵结构耐久性设计纳入其中, 但影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂, 贯穿设计、施工、维修保养整个过程, 需要在设计、施工、维修保养中多方面地考虑结构耐久性问题。目前, 正处在大规模建设桥梁之际, 我们要充分认识到混凝土结构耐久性对实施可持续发展战略、节约能源、资源和保护环境所带来的积极和负面影响, 积极借鉴国外成功的经验和做法, 从桥梁构造、结构体系和设计理念的角度做好耐久安全性的设计研究工作。

摘要：当前, 公路桥梁安全性和耐久性问题虽然有施工方面的原因, 也与桥梁设计有一定关系。本文从桥梁设计的角度, 就增强公路桥梁的安全性和耐久性提出了相应的对策建议。

关键词：公路桥梁,结构设计,桥梁安全