汤兆国 TANG Zhao-guo
（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 300000）
（The 4th Engineering Co.，Ltd. of China Railway 22 Bureau Group，Tianjin 300000，China）
摘要： 桥梁耐久性的设计缺陷直接导致桥梁耐久性退化、桥体局部老化等质量问题，维修或维护时不仅要考虑技术问题，还会花费大量资金。本文在原有混凝土桥梁耐久性结构的基础上进行优化设计，并将各种防护措施、侵蚀作用的效果进行定量数值描述，以提高桥梁耐久性和安全性能，减少后期维护及维修成本。
Abstract： The design flaws of bridge durability will directly lead to the quality problems of bridge durability degradation， the bridge local aging and so on. The maintenance and repair of it need to consider technical problems and the cost is large. Based on the structure of existing concrete bridge durability， the optimization design is carried out， quantitatively numerical description of various protective measures and the erosion effect are put forward to improve the bridges durability and safety performance and reduce maintenance and repair costs in the later period.
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关键词 ： 混凝土桥梁；耐久性；影响因素；施工技术
Key words： concrete bridge；durability；influence factor；construction technology
中图分类号：U448.33 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0118-03
作者简介：汤兆国（1977-），男，山东阳谷人，研究方向为工程施工。
0 引言
混凝土桥梁结构的耐久性直接关系到桥梁的使用寿命和安全性。在我国的混凝土桥梁的传统设计中，都是以混凝土桥梁的强度设计为主要设计理念，几乎忽视了桥梁耐久性的设计，对耐久性桥梁结构的研究也非常少。随着桥梁使用时间的增长，桥梁耐久性逐渐退化，在使用期间逐渐暴露出许多问题，比如混凝土严重剥蚀，钢筋外露遭到腐蚀等等，不仅严重影响桥梁的安全性，而且投入维修或者重建的费用非常巨大。
本文结合现有桥梁耐久性结构设计，以混凝土桥梁的侵蚀原理、防护措施作为研究核心，对混凝土桥梁耐久性因素进行具体详细的分析，结合分析结果优化设计现有桥梁耐久性结构，并将各种防护措施、侵蚀作用的效果进行定量数值描述，旨在延长桥梁使用年限，提高其安全性能。
1 混凝土桥梁耐久性影响因素分析
1.1 设计对混凝土桥梁耐久性的影响
①在进行混凝土桥梁中的混凝土配合比设计的时候，要以桥梁的耐久性为主要依据，对混凝土最小水泥用量和标准范围内最大水灰比进行校准核实，标准参考值我们可以通过表1进行说明。
②桥梁设计的好坏，对桥梁承载构件的结构耐久性、桥梁工作状态都有着决定性的作用。在我国的桥梁结构设计中，通过采用数据统计手段，来进行材料强度标准、荷载标准等方面的取值，并采用极限状态进行桥梁结构的设计。但是在实际的设计应用中，在进行数据调整的时候，还是要结合经验手段来进行设计，这就是半概率极限状态设计法。一般不采用分项系数表达式来进行桥梁结构设计，因为这种设计方法只对在正常使用极限状态中的设计有效，而对于荷载效应的设计就没有什么效果，再加上混凝土材料具有离散性特点，所以混凝土构件，只有在正常使用情况下的设计才有效，而在混凝土构件投入使用一段时间后，就会因为碳化等原因造成混凝土中性化，从而造成钢筋混凝土保护层涨裂、钢筋面积减小等问题的发生，混凝土碳化化学式如下：
CO2+H2O → H2CO3
Ca（OH）2+H2CO3 → CaCO3+H2O
3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3 → 3CaO3+2SiO2·6H2O
所以在进行桥梁结构设计的时候，要以桥梁极限设计为设计出发点。
③桥梁设计中的桥梁结构微裂缝以及裂缝，对桥梁耐久性有着直接的影响。所以在我国的混凝土桥梁设计中，要按照桥梁裂缝的工作状态进行设计，而混凝土桥梁构件的主要裂缝有钢筋锈蚀裂缝、约束变形裂缝以及荷载效应裂缝，在桥梁设计过程中，就要对裂缝的宽度进行计算。另外，在桥梁设计中不主张采用早强水泥以达到提前工程工期的效果，因为在桥梁建筑原材料方面，影响到桥梁结构产生裂缝的原因是由于水泥细度较高、硬化速度较快，以及混凝土早期收缩较大和水化热过高，所以就会导致混凝土内部在早期就产生裂缝，致使桥梁的耐久性降低。
1.2 环境对混凝土桥梁耐久性的影响
①混凝土桥梁在低温条件下施工时的混凝土性能呈现的是负温混凝土，在温度较低的情况下，混凝土结构内水分都是由热端迁移到冷端，产生内部膨胀压力。因为在混凝土搅拌过程中，会有一些水存留在混凝土毛细孔中，而这些水在正负交替作用下，受到渗透压力、水冻胀压力的双重压力，致使混凝土发生从外到内的剥蚀破坏。而混凝土的抗冻性能受到孔结构的影响，主要是因为混凝土的养护方法、外加剂以及水灰比的影响。且水灰比、胶材用量以及含气量都是影响混凝土抗冻性能的重要影响因素。经过相关研究表明，水灰比与抗冻耐久性呈现反比关系，在一定的水灰比区间，影响混凝土抗冻性能的关键是硬化后混凝土的气泡参数以及孔结构，水灰比的增加，会直接使饱和水的开孔总体积增加，且平均孔径也在增加，从而使得在冻融过程中产生的渗透压力、冻涨压力也随之增加，最后影响混凝土的抗冻力。我们可以通过在经过三百次冻融循环后的混凝土耐久性测试结果来进行说明（详见表2）。
②混凝土桥梁抗冻耐久性是混凝土耐久性的首要评价指标，我国当前确定混凝土抗冻性能的方法是依据抗冻性等级，抗冻等级分为F35、F50、F100、F200、F300等。确定抗冻等级，是以28天龄期的（10×10×10）cm的水饱和试件在3个小时左右成立一个冻融循环状态，在这个状态下，混凝土承受的相对动弹重量不能降低到6%以上、模量不能降低到45%以上的循环次数作为确定标准。其中相对动弹模量的计算公式为：
公式中，P（%）表示在经过n次冻融循环试件的相对动弹模量；
f0（Hz）表示实验前试件的横向基频；
fn（Hz）表示在n次冻融循环后试件的横向基频。
耐久性指数的计算公式为：
DF=PN/M
公式中，DF表示耐久性指数；
N表示当耐久性指数降低到大约65%时要即刻停止试验；
M表示当停止试验时的循环次数（一般在300次）。
2 改善混凝土桥梁耐久性的设计与施工技术分析
2.1 改善混凝土桥梁耐久性的设计分析
①在对混凝土桥梁耐久性能的设计研究中，要以混凝土桥梁的侵蚀原理、防护措施作为研究核心，并将各种防护措施、侵蚀作用的效果进行定量数值描述，将耐久性能的设计得以最大的提高和改善。当前有相关的研究学者，在经过长期的混凝土桥梁设计的研究后，提出了改善混凝土桥梁耐久性的相关设计步骤，如图1所示。
②在优化混凝土桥梁的设计中，应该考虑到桥梁结构的整体性和强健性。在进行桥梁结构耐久性的设计中，只有保证结构整体的牢固性，才能保证当桥梁局部出现损坏的时候，不会波及到大范围的破坏，甚至坍塌。比如在当前最常用的桥梁建设中，常用的简支梁、连续梁、连续刚构中，从受力合理、经济角度来看，在不同的施工中，其使用跨度也不同。像在中等跨度桥梁设计中，就应该选用连续刚构桥梁，跨径时应该选择简支梁。另外要强调的是，为了保证减少桥梁接缝的数量，以及保证桥梁的连续性、便于日后的维护，不宜采用带有半接缝的挂梁以及悬臂梁。
③桥梁在使用过程中的检查、维护以及替换性是在桥梁设计中应该给予充分考虑的问题。为了不影响桥梁结构的耐久性，就要对桥梁进行及时的检查、维护，保证对桥梁的危害得以及时的发现，并进行及时的维修。所以就需要在桥梁设计过程中，制定桥梁结构容易检查以及维护的策略，对一些需要进行换新的构件也要拟定恰当的策略保证更换的有效实施。
2.2 改善混凝土桥梁耐久性的施工技术分析
①在混凝土桥梁施工过程中，如果处于一个特殊的施工环境，为了改善桥梁耐久性，就应该对特殊环境中的构件采取相应的防腐措施。对处在冻融环境中的混凝土结构，应该在增大混凝土结构的截面，或者在混凝土表面增设钢箍，增加桥梁构件的防冻性；当混凝土构件处在化学腐蚀环境中时，应该采用换土、填土以及降低地下水位、在混凝土表面设置或者涂抹防护面层，来增强桥梁的防腐蚀性；在混凝土构件处在腐蚀环境中时，要在混凝土表面加强浸渍，将混凝土表面的硬度增强，以达到减小混凝土构件的腐蚀性；当混凝土构件处在氯盐环境中时，应该在混凝土面设置或者涂抹防护面层，或者采用换土、填土以及降低地下水位等措施来加强混凝土的防腐蚀性。另外还可以将混凝土表面进行浸渍，采用环氧涂层钢筋，或者采用钢筋阴极保护等措施来增强混凝土的防腐蚀性。另外，还要注意的是在进行增强混凝土防冻、防腐蚀措施的过程中，要根据主要防护材料的性能指标、相应的有效防护期限来实施措施；
②改善混凝土桥梁耐久性施工中，还要进行混凝土接缝质量的施工。在桥梁施工中，对整个桥梁建筑工程有着直接影响的施工工序之一，就是施工缝留置的位置以及施工缝留置的型式，还有对施工缝的处理好坏。在桥梁施工过程中，施工缝的施工应该根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》中的标准来开展。
施工缝应该留置在受剪力较小的混凝土部位，因为混凝土抗拉强度较低，施工缝环节就会显得相对薄弱，为了保证施工缝的处理质量，就应该如此来进行施工缝的留置；施工缝处理中，当施工间歇时间小于混凝土初凝时间，在浇注混凝土时，将新混凝土倒出，在水平缝处将已浇注好的混凝土直接覆盖上去，再用振捣工具将新旧混凝捣实成一个整体。
3 实践案例——杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性的优化设计
杭州湾跨海大桥在设计上，在国内首次提出了大桥工程设计使用年限为100年的标准。面对腐蚀严重的海洋环境条件和高达250万方的混凝土工程用量，如何实现大桥的耐久性，确保设计使用寿命，是需要迫切解决的技术难题之一。
3.1 桥体结构耐久性现状分析及实验评估结果
本文基于相似三定理，运用多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土实验方法检测和评估大桥混凝土结构的耐久性，其工作原理详见图2。同时，还在大桥海中平台建立了混凝土现场暴露实验站，通过对现场暴露的研究对象混凝土试件的3次检测、第三方参照物的5次现场检测取样，室内加速实验的12次取样分析，得到不同暴露实验时间的近541条氯离子侵蚀曲线。基于多重环境相似理论（METS）方法，对大桥混凝土结构耐久性进行预测，结果详见表3。
3.2 桥梁结构优化设计方案
根据表3所示的耐久性寿命预测结果，提出以下桥体结构耐久性优化设计方案：
3.2.1 钻孔灌注桩优化设计措施
①水位变化区与水下区保留施工用的钢护筒，增加钢筋保护层厚度至75mm；
②采用海工耐久混凝土。
3.2.2 承台耐久性优化设计
①采用海工耐久混凝土；
②增加钢筋保护层厚度：海上90mm，陆地75mm；
③涂层防腐，同时使用阻锈剂。
3.2.3 桥墩部位耐久性优化设计
①采用海工耐久性混凝土；
②钢筋保护层厚度增加到60mm；
③桥墩外表面涂刷防腐涂层；
④浪溅区墩身钢筋采用环氧涂层钢筋；
⑤施工时采用渗透性模板布；
⑥使用阻锈剂。
3.2.4 混凝土箱梁耐久性优化设计
①采用海工耐久混凝土；
②钢筋保护层厚度增加40mm；
③混凝土表面涂层保护；
④采用塑料波纹管及真空辅助压浆；
⑤浆体掺阻锈剂；
⑥减水剂。
3.3 实施效果
通过对杭州湾跨海大桥结构耐久性的优化设计，经过一年的耐久性检测，发现桥体未出现局部混凝土剥落、老化等质量问题，整体运行稳定，有望实现100年的使用年限指标。大桥工程对于混凝土结构耐久性研究和应用在国内特大型桥梁工程建设中起到了示范作用，对于推广耐久性新技术和推动我国混凝土结构耐久性研究发挥了积极作用。
4 结语
当前的桥梁建筑设计师们，在对桥梁的设计过程中，就以强度与耐久性并重设计的设计理念进行设计。本文主要对影响混凝土桥梁耐久性的自身因素和外部环境因素进行了分析，并提出了改善混凝土桥梁耐久性的施工技术。但是，还有很多需要完善的地方，这就要我们的桥梁建筑相关工作者在今后的工作中去探索和总结出更行之有效的桥梁设计策略和桥梁施工技术。
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