汤 伟
(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)
基于耐久性探讨混凝土桥梁结构设计要点
汤 伟
(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)
基于混凝土材料的耐久性退化机理，分析了材料在桥梁结构设计中的作用，阐述了混凝土桥梁构造的设计要点，旨在满足桥梁运行强度的要求，提高桥梁结构的耐久性。
桥梁结构，混凝土，碳化速率，耐久性
混凝土结构耐久性主要从构件、材料与结构三方面来展开研究。在我国，对房屋建筑的混凝土耐久性研究较多，而对混凝土桥梁的结构耐久性研究较少。本文希望从混凝土材料的耐久性退化机理、耐久性设计等方面来探讨混凝土桥梁结构的相关技术设计要点，进而全面了解并做到对桥梁寿命周期的适当控制。
1 混凝土桥梁结构材料问题分析
在我国，混凝土的碳化、碱集料反应、钢筋腐蚀等等方面都取得了一定成果。本文基于耐久性退化机理对混凝土桥梁结构的材料问题进行逐一分析，希望能进一步了解混凝土桥梁结构设计的耐久性影响因素。
1.1 混凝土碳化问题分析
混凝土碳化是影响桥梁结构耐久性的关键问题。随着时间的变化，混凝土强度中的结构抗力参数就会发生改变，因此也可以这样理解，混凝土的耐久性是建立在其服役结构抗力的变化模型基础之上的。
通常情况下，来自于材料因素的影响主要以混凝土的碱度为主，它会影响混凝土的碳化速度，例如水泥、骨料等等。
首先说水泥，水泥随着品种的不同其水化产物中的碱性物质含量、对混凝土的渗透性都不尽相同，但它们对混凝土的碳化速度是存在一定影响的。
其次，水泥的用量也会直接影响混凝土吸收二氧化碳的能力，如果水泥用量增加，混凝土的碳化速度也就会随之降低，碳化速度变慢。表1给出了不同水泥用量对混凝土碳化程度的具体影响比值。
表1 不同水泥用量状况下混凝土碳化程度数据表
由表1可以引出下列观点，即水灰比决定了混凝土的主要性能，且对混凝土的碳化速度影响也相当大。水灰比直接决定了混凝土的孔结构特性，也决定了二氧化碳在混凝土中的扩散速率。在这里，混凝土的碳化速度会随着水灰比的不断增加而增大。以下是经过暴露试验后所得出的混凝土碳化速率与水灰比之间的关系表达公式：
其中，X为混凝土的碳化程度；t为混凝土的碳化时间；k为碳化速率；W/C为混凝土的水灰比例。根据上述计算推理，当混凝土的碳化速度被推算出以后，就可以进一步获得混凝土的水灰比。
最后是骨料，在混凝土耐久性研究方面，骨料的孔隙、粒径与级配都是能够影响其耐久性的关键。比如说孔隙率越小，混凝土的浆体界面结合也就越好，耐久性越高。
1.2 碱—集料反应问题分析
在碱—集料反应中，混凝土中的活性矿物集料会与混凝土空隙中的碱性溶液发生化学反应并形成具有破坏性的膨胀效果，所以说碱—集料反应也是影响混凝土耐久性的主要因素之一。就目前的混凝土耐久性防护技术来看，碱—集料反应可以造成碳酸盐反应，其能够形成混凝土结构的整体性开裂病害，还没有比较好的应对补救方法。但相对来说，根据碱—集料反应的发生机理，本文给出了以下几点防治措施：
第一，利用低碱性水泥，在国内根据混凝土工程中要求的基本环境条件对碱—集料反应实施了相应的混凝土碱含量限制，其标准见表2。
表2 混凝土含碱量在不同环境条件下的安全限制标准数据表
第二，也可以利用掺合料来降低混凝土中的碱性。经试验证明，如果在混凝土的水泥原料中掺入5%～15%的硅灰就可以达到有效控制碱—集料反应的发生。同理，掺入20%～30%的粉煤灰也能达到相同效果。这是因为掺入超量水泥的混合物可以强化混凝土的强度与稠度[1]。
2 桥梁构造设计要点分析
耐久性结构设计对桥梁的重要性就在于设计过程中不但要考虑影响混凝土构造的各个因素，还要重视混凝土桥梁在建成后可能存在的结构缺陷。本文基于耐久性设计探讨了混凝土桥梁构造的几点设计要点。
2.1 考虑荷载与传力效果的桥梁构造设计要点
在混凝土桥梁中的拉压杆构造设计中，它的主应力迹线保持与杆件轴线呈平行关系，且确保传力路径始终与杆件长度相等。如果杆件受力弯曲时，桥梁梁内的任意一点就应该处于二向的基本受力状态下。所以说，混凝土桥梁的拉压杆传力路径相当复杂。在对桥梁结构进行设计时，无论是桥跨结构亦或是支撑结构，它的横截面内或细部构造受力都应该与梁受力相互吻合，使得传力路径简易化，这有利于延长混凝土桥梁的生命周期，同时优化它的耐久性[2]。
2.2 考虑应力均匀流畅的设计要点
大跨度混凝土桥梁一般构造相对复杂，所以它的结构体系是否合理也直接影响到了混凝土结构的受力特性和耐久性能。如果桥梁内部的某些几何及力学不连贯部位其荷载受力作用点区域呈现弯折、开口或缺口区域，则证明此处是桥梁耐久性相对薄弱的环节。此处应该借鉴国外的“压杆—拉杆—模型法”来对桥梁的混凝土结构应力与钢筋应力实施重新配置，建立桥梁支座与拉压杆模型，使得桥梁的拉压杆位置都能拥有足够的受拉钢筋，保护其结构耐久性。
另外，混凝土桥梁的桥跨结构一般都会受到较大的拉应力，存在钢筋腐蚀、结构疲劳等问题，因此要求在设计过程中充分考虑其耐久性问题，尽量缩短桥梁的应力传力路径，并提高材料强度，充分考虑几何分线性对桥梁混凝土结构的具体影响，控制其内力作用，合理设计桥梁中各个构件之间的荷载受力，使得整个桥梁的受力均匀，传力简捷[3]。
3 结语
在我国，关于混凝土桥梁结构的耐久性设计及研究在持续进行，并已经研究出了许多实用的防治对策。本文旨在希望今后的混凝土桥梁设计过程中，不仅要满足其桥梁运行强度的基本要求，也应该充分考虑它在体系与构造方面的耐久性要求，深入分析混凝土材料的耐久性退化机理，并灵活运用到对桥梁的合理设计当中去。
[1] 官卡利.基于耐久性探讨混凝土桥梁结构设计方案[J].城市建设理论研究(电子版),2015,5(12):2032-2033.
[2] 李 健.云南某混凝土梁桥的耐久性设计研究[D].重庆：重庆交通大学,2013:22-23.
[3] 刘逢成.基于耐久性混凝土桥梁结构设计研究[D].武汉：华中科技大学,2013:7-14.
Discussion on concrete bridge structure design key points based on durability
Tang Wei
(CCCC Highway Planning and Design Institute Limited Company, Beijing 100088, China)
Based on the durability degradation mechanism of concrete material, this paper analyzed the role of material in bridge structure design, elaborated the design key points of concrete bridge structure, to meet the requirements of bridge operation intensity, improved the durability of bridge structure.
bridge structure, concrete, carbonation rate, durability
1009-6825(2016)12-0139-02
2016-02-16
汤 伟(1981- )，男，硕士，工程师
U441
A
