1、對華南沿海片區(qū)橋梁耐久性問題的一些思考    摘要：華南沿海地區(qū)酸雨、鹽霧問題突出，重載交通多，必須重視橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，本文對該地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題進行了淺析，提出筆者本人的一些想法，為該地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、養(yǎng)護人員提供借鑒和參考。關(guān)鍵詞：華南沿海地區(qū),橋梁,耐久性設(shè)計我國華南片區(qū)常年氣溫較高，濕度大，季候風(fēng)強烈，沿海區(qū)域海水含鹽度高，空氣中含氯度大，漲落潮的干濕侵蝕效應(yīng)明顯。特別是廣東珠三角工業(yè)發(fā)達區(qū)域，酸雨、鹽霧問題突出，同時重載交通較多，這對橋梁結(jié)構(gòu)的防腐和耐久性提出了較高的要求。1.華南沿海地區(qū)必須重視橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計工程結(jié)構(gòu)

2、采取高標(biāo)準(zhǔn)的防腐措施是確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用壽命年限內(nèi)的安全和滿足正常使用功能的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外大量的海洋工程實踐顯示，處于海洋環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性遠不如人們所期望的那么經(jīng)久耐用，有的僅使用十幾年就不得不進行大修，這是由于氯化物的存在導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕。因此，必須采取可靠的防腐措施，以滿足橋梁的設(shè)計使用壽命要求。對于海港碼頭、濱海橋梁等結(jié)構(gòu)物，所處環(huán)境中由于大量存在對鋼筋有腐蝕作用的氯鹽及其它腐蝕因素，其中當(dāng)氯離子達到一定濃度后破壞鋼筋的鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，削減其有效截面，降低其粘結(jié)強度等受力性能，使混凝土保護層順筋脹裂，是影響橋梁耐久性的主要災(zāi)害。與這些橋梁

3、結(jié)構(gòu)耐久性直接相關(guān)的鋼筋混凝土的腐蝕及腐蝕控制的研究更應(yīng)引起人們的注意。在國內(nèi)近海地區(qū)早期建成的橋梁，由于工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)套用一般地區(qū)的要求，出現(xiàn)因材料選擇不當(dāng)及設(shè)計防腐蝕措施不完善等原因，投入使用約10年左右，就出現(xiàn)了嚴(yán)重的損傷破壞。破壞部分主要為橋墩、主梁、蓋梁、橋面板、護欄。破壞形式有：鋼筋嚴(yán)重銹蝕，混凝土保護層開裂剝落;混凝土成片剝落，粗骨料外露，鋼筋全部外露;部分構(gòu)件長期處于海水的干濕作用，表層混凝土已被溶蝕掉。華南沿海地區(qū)橋梁工程應(yīng)吸取國內(nèi)外在防腐處理上的經(jīng)驗教訓(xùn)及國內(nèi)逐漸成熟的防腐措施，重視防腐耐久性設(shè)計，這是非常必要的。長期以來，工程界普遍認(rèn)為混凝土是一種耐久性能良好的建筑材料(其

4、實這一認(rèn)識是局限在85版橋規(guī)30年左右的設(shè)計基準(zhǔn)期，而不適用于2004 年版橋規(guī)的100年設(shè)計基準(zhǔn)期)，在工程設(shè)計中往往忽視鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，造成了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究和設(shè)計的相對滯后，并為此付出了巨大的代價。橋梁結(jié)構(gòu)耐久性考慮不足多數(shù)時候?qū)頌?zāi)難性的嚴(yán)重后果。轟動全國的重慶綦江彩虹橋通車3年后倒塌、四川宜賓市金沙港橋因吊桿斷裂導(dǎo)致塌橋的事故，給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失，其主要原因是鋼材的耐久性不足引起的腐蝕。華南片區(qū)類似的橋梁事故是很多的，廣州海印橋使用6.5年后，邊跨兩側(cè)15號索突然斷落，9號索松弛，其主要原因是PE管內(nèi)索上部普遍有水泥漿空缺段和未凝固段，導(dǎo)致平行鋼絲有不

5、同程度銹蝕。一般來說，橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的后果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1) 混凝土的開裂、滲漏、侵蝕、碳化、破碎、酥裂、磨損、溶蝕、堿- 骨料反應(yīng)、凍融循環(huán)破壞等;(2) 橋梁鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋的銹蝕、脆化、疲勞以及預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失等;(3) 鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固作用的削弱、錨具的失效、注漿不密實等;(4)橋梁附屬工程部位如伸縮縫、支座、橋面鋪裝等的破壞。2.已建橋梁結(jié)構(gòu)普遍耐久性不足的原因淺析國內(nèi)外大量調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的原因存在于環(huán)境影響、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及維護等各個環(huán)節(jié)。(1)環(huán)境影響橋梁的施工及使用環(huán)境總是與設(shè)計的環(huán)境必然存在差異，環(huán)境的影響是非常大的?；炷恋目估?/p>

6、強度大約只是其抗壓強度的10%，由于早期的水化熱影響、干縮應(yīng)變反應(yīng)強烈，加上環(huán)境溫度、濕度、日曬雨淋、沖擊荷載的影響，混凝土結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生裂縫。開裂后，由于水分子、氯離子的侵入，導(dǎo)致鋼筋面層的鈍化，從而使鋼筋腐蝕，破壞了鋼筋表面與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力，其直接后果是鋼筋與混凝土不能很好的協(xié)同工作?；炷翗?gòu)件的強度和剛度逐漸削弱，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。(2)設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系欠完善雖然在許多國家的設(shè)計規(guī)范中(如英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400) 都明確規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求。但是，這一宗旨并沒有充分地體現(xiàn)在具體的設(shè)計條文中，導(dǎo)致在工程設(shè)計中普遍存在重視結(jié)構(gòu)強度設(shè)計而輕視甚至忽視結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

7、、重視承載能力極限狀態(tài)而不重視正常使用極限狀態(tài)、重視結(jié)構(gòu)的建造而不重視結(jié)構(gòu)的維護等現(xiàn)象。在具體的工程設(shè)計中，許多設(shè)計人員不大注意從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)維護以及從設(shè)計、施工到使用全過程等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足， 富裕度不夠; 有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大;有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構(gòu)件截面過薄。上述設(shè)計上的缺陷都削弱了結(jié)構(gòu)耐久性，雖然可能滿足了設(shè)計規(guī)范的強度要求，僅用了幾年就因為結(jié)構(gòu)耐久性出了問題，影響結(jié)構(gòu)安全。特別是在前些年，部分學(xué)者和設(shè)計人員倡導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件的優(yōu)化和輕型化，常常以過密的鋼

8、筋配置細小的結(jié)構(gòu)斷面。過密的鋼筋導(dǎo)致鋼筋間的骨料和膠結(jié)材料不多，且粗、細骨料分布不均勻，振搗施工非常困難，難以保證鋼筋混凝土構(gòu)件的密實度和強度，容易形成蜂窩麻面、甚至空洞。另外，斷面小、鋼筋密導(dǎo)致不易保證保護層厚度的最低要求，造成混凝土構(gòu)件表面抗碳化年限不足，以致鋼筋銹蝕，影響了結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。國內(nèi)目前大跨度連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋通車數(shù)年即出現(xiàn)跨中下?lián)?、梁體開裂等病害與此有較大關(guān)系。(3)施工和管理水平欠規(guī)范如前所述，國內(nèi)外若干座橋梁的突然破壞與倒塌事故，已使工程界對橋梁耐久性、安全性問題倍加關(guān)注。施工過程中的施工和管理水平欠規(guī)范(如野蠻施工和管理不當(dāng)?shù)?是造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的重要原

9、因，其主要表現(xiàn)在下述幾個方面:施工質(zhì)量沒有達到規(guī)范和設(shè)計要求，如原材料質(zhì)量低劣和施工工藝不合格等;混凝土配合比的計量不準(zhǔn)，變異性較大;個別橋梁存在諸如偷工減料、以次充好等嚴(yán)重的管理問題;混凝土保護層厚度控制不嚴(yán)，有些直接導(dǎo)致露筋;鋼筋未作防銹處理，其間距疏密不一，粗、細骨料分布不均勻，混凝土振搗不密實;施工現(xiàn)場嚴(yán)重的構(gòu)件開裂問題，主要原因包括水泥選用、混凝土配合比、振搗、養(yǎng)護不當(dāng)及預(yù)應(yīng)力施加不合理等;拆摸時間控制不好或支模、拆模方法不對，引起早期裂縫。目前在市政行業(yè)，施工隊伍多由技術(shù)力量不足的包工頭控制，水平普遍較低，加上低價中標(biāo)，施工質(zhì)量難以控制。這也是造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的一大原因。(4

10、)橋梁維護缺乏全面統(tǒng)籌的系統(tǒng)管理橋梁維護方面缺乏全面統(tǒng)籌的系統(tǒng)管理，未能有效地對橋梁的全壽命過程進行管理。橋梁維修大多要到出了事故或不得不維修時才進行，錯過維修的最佳時機，其維修效果也不佳。橋梁維養(yǎng)應(yīng)把整個地區(qū)的橋梁作為一個系統(tǒng)工程來研究，統(tǒng)籌考慮、合理安排橋梁維修。3. 新版橋梁規(guī)范體系下的耐久性設(shè)計要求2004年版公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范以強制性條文規(guī)定“公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期為100年”，明文規(guī)定“公路橋涵設(shè)計除應(yīng)嚴(yán)格貫徹有關(guān)技術(shù)管理制度，實行質(zhì)量控制外，還應(yīng)在設(shè)計文件中，對涉及工程質(zhì)量的構(gòu)造設(shè)計、材料性能和結(jié)構(gòu)耐久性、必須特別指明的制作或施工工藝、橋涵運行條件等提出相應(yīng)的要求”。中國土木

11、工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久設(shè)計與施工指南(CCES01-2004) 進一步提出了混土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的耐久性應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計年限、應(yīng)的極限狀態(tài)、不同的環(huán)境類別及其作用等級進行計的概念，明確提出了環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久設(shè)計與施工的基本原則與要求。2006年9月頒布的公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范進一步對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計提出了公路交通行業(yè)推薦性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，我國1985年頒布的公路鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范和1989年頒布的混土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，涉及結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的內(nèi)容不多，除了一些保證結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)造措施的一般規(guī)定條文之外，只對影響混凝土耐久性的裂縫寬度加以驗算和控制。但是長期的

12、實踐證明，裂縫控制并不是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的唯一內(nèi)容。增加耐久性設(shè)計內(nèi)容是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理念上的重大突破，是工程結(jié)構(gòu)科學(xué)的重大技術(shù)進步，對提高設(shè)計質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。上述新頒布和實施的行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)以國內(nèi)外成熟防腐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對華南沿海地區(qū)橋梁工程的耐久性設(shè)計研究具有指導(dǎo)性意義。4. 耐久性設(shè)計的一些思路橋梁結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計，應(yīng)主要考慮以下幾點:(1) 在橋梁方案擬定中，為保證橋梁的耐久性，應(yīng)采用易于保證施工質(zhì)量的工程方案，如采用高強度、高性能耐久性混凝土，加大鋼筋保護層，對鋼筋及體外預(yù)應(yīng)力鋼束采取環(huán)氧涂層防腐處理等。(2) 結(jié)構(gòu)可靠度、耐久性是時間的函數(shù)，這是由于荷載是時間的函數(shù)，材料性能也是如

13、此。使用期分別為30、50、100、120年的橋梁結(jié)構(gòu)，若要保證到使用期末都具有相同的可靠概率，則所選擇的截面尺寸或所用的材料強度必然是使用期長者大于使用期短者。同時，要求采用變異系數(shù)較小的高性能鋼材和高性能混凝土，以提高相應(yīng)的可靠度指標(biāo)和耐久性。(3)橋梁病害分析是全壽命管理中的一個必要環(huán)節(jié)。對橋梁可能產(chǎn)生的病害進行詳細分析研究，在全壽命管理中，盡量消除橋梁病害，以達到提高結(jié)構(gòu)耐久性的可能。所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，應(yīng)經(jīng)濟合理地滿足相應(yīng)的功能要求，在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，能保持必要的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力。(4)重視對疲勞損傷、破壞的研究。橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件承受的動荷載很大，而且加載次數(shù)頻繁，

14、容易產(chǎn)生疲勞損傷乃至破壞。組成橋梁構(gòu)件的各種材料，如鋼筋、混凝土等，并非是均勻和連續(xù)的，實際上存在許多微觀的裂縫，在循環(huán)動荷載作用下，這些微裂縫會逐漸發(fā)展，以至于形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋得不到有效控制，極有可能會引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須驗算結(jié)構(gòu)的疲勞性能指標(biāo)，尤其是鋼結(jié)構(gòu)橋梁。(5)充分重視橋梁的超載問題。橋梁超載現(xiàn)象在我國公路運輸中較為普遍，華南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，重載交通多，橋梁設(shè)計應(yīng)充分重視這一點。超載會使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，導(dǎo)致構(gòu)件的開裂彎距降低、剛度下降，使得橋梁在正常使用荷載下的應(yīng)力

15、及變形狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。具體涉及到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的耐久性設(shè)計，可從以下方面著手：(1)濱海環(huán)境的橋梁應(yīng)優(yōu)先選用高性能混凝土(HPC)。一般來說，HPC 能減少結(jié)構(gòu)的尺寸，增加結(jié)構(gòu)的使用壽命和耐久性。對重要的水中下部結(jié)構(gòu)(如樁基、承臺、墩柱及帽梁)，建議用高性能混凝土取代普通混凝土。(2)鋼結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)先選用高性能鋼材。高性能鋼材具有高屈服強度，高斷裂韌性、焊接性能好、耐腐蝕。(3)對耐久性要求較高的結(jié)構(gòu)物，選用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)上限值1.1。(4)對重要性結(jié)構(gòu)，如果對造價控制得不是很嚴(yán)，地面以上的混凝土構(gòu)件外表面建議作混凝土表面涂裝防護。(5)設(shè)計環(huán)境類別要滿足結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的基本要求，混凝土結(jié)構(gòu)的保護層厚度應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)環(huán)境類別的要求。(6)要考慮超載問題。在華南片區(qū)的高速公路上，大型重載貨柜車比較多，結(jié)合實際存在的重載交通，橋梁設(shè)計荷載可以適當(dāng)留3050%的富余度。(