水利工程桥梁设计浅析

摘  要：本文作者分析了水利工程桥梁耐久性的现状，提出了水利工程桥梁耐久性设计的方法。
关键词：水利工程；桥梁；设计；浅析
Abstract: The author analyzes the status quo of the water conservancy bridge durability, the the water conservancy bridge durability design method.
Keywords: hydraulic engineering; bridge; design; Analysis
中图分类号：TU7  文献标识码：A  文章编号：2095-2104（2012）

国内外大量调查分析发现，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JTG D62》 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，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，深刻领会加强混凝土结构耐久性的重要意义。
1 桥梁耐久性的现状
桥梁耐久性是一个近几十年以来人们普遍关注的问题，从工程实例和实验中认识到，结构在某些条件下会受到环境的物理和化学的强烈侵蚀作用。结构耐久性研究大致可以分为两个层次: ①从材料机理上研究结构的老化损伤过程及主要因素;②从结构全局出发，以材料的耐久性研究为基础，研究耐久性设计、评估、维修决策与优化等一系列的应用问题。材料的耐久性研究主要集中在大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀问题。在混凝土碳化深度计算模型、冻融循环作用下混凝土宏观损伤模型均取得一些研究成果。在钢筋锈蚀方面，研究主要集中在锈蚀钢筋的力学性能、钢筋锈蚀量的预测以及裂缝对钢筋锈蚀的影响等方面。目前混凝土结构耐久性研究的绝大多数成果是在材料学科方面取得的，这些研究总体可归结为两个方面: ①对建筑材料的耐久性退化机理进行了大量研究; ②对混凝土结构性能蜕化后的耐久抗力进行了一些研究。结构工程学科的研究主要是解决结构设计中的耐久性计算问题，主要分为抗力与荷载变化的研究。研究的目的主要在于解决新建结构的耐久性设计、计算和已建结构的耐久性评估问题。
总的来看，目前耐久性研究存在以下问题:只能取得某一因素影响下单一材料的破坏过程，但实际结构在运营过程中是多种因素共同作用的，多个因素的耦合作用不等同于单因素作用的简单叠加; 仅通过研究单一因素影响下某一材料的破坏过程来解决混凝土结构的耐久性问题是困难的。此外，实验室研究只模拟了外界侵蚀对耐久性的影响，而没有考虑结构在实际工作中受力和运营状态的影响。因此，对快速试验的结果能否反映结构实际的退化过程还有疑问。这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，但对如何从结构和设计的角度去改善桥梁耐久性却很少有人研究。而大量的病害实例证明，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构造上和体系上的缺陷。
现有的混凝土耐久性研究成果与结构的设计和施工控制以及结构剩余寿命评估等明显脱节，即材料层面的研究成果未能与结构层面的研究相结合，对实践中迫切需要解决的结构耐久性问题缺乏有效地指导。大量的研究主要针对房屋建筑结构而专门对桥梁结构的耐久性进行研究的较少，而桥梁结构从运营环境、承受荷载及结构体系特性等方面都有其独特之处，需要进行专题研究。总之，现有的研究成果只能解决混凝土结构耐久性的局部问题，存在的不足就是需要进行努力的方向。笔者将主要研究考虑材料耐久性研究成果的桥梁耐久性设计方法问题。
2 水利工程桥梁耐久性设计的方法
以可靠性理论为基础的全寿命管理，是指在结构的寿命期间，全过程地跟踪结构上的荷载或其他作用(如温度、支座沉降等)随时间变化的情况，同时考虑材料性能参数也是以时间为变量的随机函数，根据相关可靠性理论计算出结构在各个阶段的可靠度指标，从而判断出结构是否安全、耐久。这个管理过程，对于桥梁结构的质量保证、效果费用分析、科学管理提供了统一的准则。
具体涉及到桥梁结构设计中的耐久性设计，可从以下几个方面着手:正确认识和掌握结构本质和结构构造措施对构件耐久性的影响。优先选用高性能钢材 (HPS:High-Perfor－mance Steel)。高性能钢材具有高屈服强度，高水平的断裂韧性、焊接性能好、耐腐蚀。优
先选用高性能混凝土 (HPC:High-Perfor-mance Concrete)。耐磨的 HPC 可以使桥面有更好的耐久性;一般来说，HPC 能减少结构的尺寸，增加结构的使用寿命和耐久性。对重要的水中下部结构(如桩基、承台、墩柱及帽梁)，建议用高性能混凝土取代普通混凝土，以满足《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设[2005]157 号)的相应技术指标的要求。对耐久性要求较高的结构物，选用结构重要性系数上限值 1.1。
对重要性结构，如果业主对造价控制得不是很严，地面以上的混凝土构件外表面建议作混凝土涂装防护。混凝土表面防腐涂层执行交通部 JTJ275-2000 标准。在广东地区，设计要满足结构混凝土耐久性的基本要求，即按新桥规 JTG D62-2004 第二类环境(滨海环境)选用。最小混凝土保护层厚度，按新桥规 JTGD62-2004 表 9.1.1 中第二类环境选用。例如:主梁和墩柱主筋 40mm、箍筋 25mm;桩基可用净保护层 50mm、或 70mm。对深圳湾公路大桥，由于位处海洋环境中，可略加大混凝土保护层，甚至在构件外包一层素混凝土，以防止构件的腐蚀和破坏。
要考虑超载问题+考虑到过境的大型货柜车比较多，桥梁设计荷载可以适当放大，如1.5X 公路-1 级或 2X 汽-超 20 等。配合比设计，不仅要考虑混凝土强度的要求，还要考虑混凝土的耐久性。选择适当的结构断面，配置适当间距的钢筋，可使混凝土粗、细骨料分布均匀，容易振捣，保证混凝土的密实度和强度+如地下水对混凝土有腐蚀性，应对桩基混凝土采取以下措施: 采用普通硅酸盐水泥，强度不低于C42.5 级;水泥含量不小于 370Kg/m3，C3A 含量不大于 8M;水灰比不大于 0.45。
3 结束语
经过近几十年的快速发展，中国桥梁的数量已十分庞大。其中不少桥梁暴露出缺陷，更有一些桥梁在远没有达到设计预期寿命时出现耐久性能严重退化的现象，甚至出现倒塌等毁灭性事故，造成非常严重经济损失。桥梁的耐久性能不足，已引起社会各界的高度关注。耐久性的提高将是 21 世纪桥梁技术进步的重要标志之一。2004 年新颁布的桥梁规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》((JTG D62-2004)，在总则的 1.0.7 条增加了公路桥涵结构应根据所处的环境条件进行耐久性设计的内容，确立了各类环境类别，并明确规定了结构混凝土在最大水灰比、最小水泥用量、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量和最大碱含量等方面的耐久性基本要求。在总则 1.0.4 条更增加了设计基准期为100a 的内容。另外，2004 年 5 月出版的中国土木工程学会标准混凝土结构耐久性设计与施工指南((CCES01-2004)，进一步提出了混凝土结构及其构件的耐久性应根据不同的设计年限、相应的极限状态、不同的环境类别及其作用等级进行设计的概念，明确提出了环境作用下混凝土结构耐久性设计与施工的基本原则与要求。
参考文献：
[1] 彭栋木，章友俊.新桥梁规范下的桥梁结构耐久性设计[J].市政技术，2009，24(5).
[2] 吴海军，陈艾荣.桥梁结构耐久性设计方法研究[J].中国公路学报，2011，17(3).