桥梁结构耐久性设计方法研究

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　　【摘要】：文章简单分析了目前桥梁结构耐久性研究中存在的问题，结合工程实践分析了影响桥梁结构耐久性的因素，提出了桥梁结构耐久性设计方法。
　　【关键词】：桥梁结构；耐久性；设计方法
　　
　　引言
　　 目前我国桥梁工程中应用最广泛的建筑材料是混凝士和各类钢筋，其次是型钢、钢板等钢材。材料耐久性问题的研究主要是针对混凝土和钢筋进行的；而钢材的耐久性主要涉及其外部防护问题，防护材料种类繁多，不同防护材料的耐久性能差异很大，与混凝士结构耐久性研究的重点有较大区别。由于混凝上结构在整个桥梁结构中应用最广，耐久性问题也较为突出，本文将简单分析目前桥梁结构耐久性研究中存在的问题，结合工程实践分析影响桥梁结构耐久性的因素，提出桥梁结构耐久性设计方法。
　　1桥梁结构耐久性设计的定义
　　 目前，结构耐久性研究是工程界的前沿课题，从材料、构件、结构三个层次展开了较多的研究，但大多数都集中在房屋建筑结构方面，对于桥梁结构的耐久性研究则相对较少，而桥梁结构从环境、受力特点、荷载特点等方面都与其他结构存在差异，桥梁工作者必须对桥梁耐久性进行具体研究。
　　 桥梁结构耐久性设计就是在桥梁设计中，对桥梁建设的材料质量、结构构造、结构计算、施工工艺和结构维护等每个环节全面地考虑耐久性影响因素，使结构在一定的环境中正常工作，在设计目标使用期内满足规范要求而不需要大修。
　　 总体说来桥梁结构耐久性设计分为耐久性材料设计、耐久性计算和验算、结构外观和构造措施三个部分：
　　 （1）耐久性材料设计就是基于材料耐久性退化机理，对桥梁建设中采用的材料提出质量和施工要求，比如高强混凝土、防渗混凝土、混凝土外加剂、防锈钢筋的设计和混合料的品质要求等。
　　 （2）耐久性设计和验算就是在现行规范的设计计算和验算中考虑耐久性影响系数η，η表征结构荷载、抗力随时间衰减变化的规律，是时间的函数。利用它在桥梁设计基准期内预测结构承载能力的变化规律，进而对桥梁整个寿命期的“健康状况”做到适时控制。
　　 （3）桥梁外观和构造措施是指桥梁设计要注意桥梁结构与自然地理环境条件相和谐和结构内部避免出现不利于桥梁耐久性的构造。外观包括：对于各种地形条件桥梁跨径的布置和结构形式的选择，人的生产生活与桥梁的相互影响，以及远期各种环境条件的变化与桥梁的相互影响等等；构造措施包括：桥梁结构构造应避免计算出现不利于耐久的内力、变形，在荷载作用下传力路径简洁明确、均匀平滑，杜绝应力应变集中和突变、局部集中裂缝等。
　　2目前耐久性研究存在的问题
　　 (1)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，多个因素的祸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。
　　 (2)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。
　　 (3)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。
　　 (4)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。
　　3影响桥梁结构耐久性的因素
　　3.1混凝土对结构耐久性的的影响
　　 (1)混凝土的碳化
　　 混凝土碳化速度与许多因素有关，最主要的是时间t，根据统计资料分析，室外环境下混凝土的碳化深度可按列经验公式确定：
　　
　　 (2)化学侵蚀；
　　 (3)碱集料反应；
　　 碱集料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他破坏发展快，后果更严重，而且一旦发生很难控制，所以有时称碱集料反应是混凝土结构的“癌症”；
　　 (4)冻融循环；(5)温度变化的影响
　　3.2钢筋腐蚀及对结构耐久性的影响
　　 钢筋腐蚀的首要条件是混凝土的碳化和脱钝，钢筋腐蚀伴有体积膨胀，钢筋截面积减少，结构承载力下降，变形和裂缝增大等一系列不良后果。钢筋腐蚀一般可分为三种：(1)电化学腐蚀；(2)化学腐蚀；(3)应力腐蚀。
　　4提高结构耐久性的主要设计方法
　　 结构设计、施工质量、后期养护和运营维修等都是影响混凝土桥梁结构耐久性的主要因素，而结构设计应该说是最关键的，如果在设计阶段就做到关键技术参数合理选取、正确的取用规范、确定合理的设计条件，同时选择合乎要求的混凝土和钢筋材料，就能对结构的耐久性做到总体的控制和把握。当然，施工质量是结构耐久性的基础保障，要求严格按施工技术规范和正确操作规程进行，满足设计要求。混凝土构件的养护要求在规范的时间内控制好构件的湿度和温度，严防混凝土出现早期开裂。提高结构的耐久性需要采取综合的措施，设计方面应重点从以下方面考虑提高混凝土桥梁结构的耐久性。
　　4.1基于随机动态可靠度方法的耐久性设计
　　 桥梁施工风险源大致可分为两大类：自然风险和人为风险。自然风险有地震及地震引起的海啸、滑坡、山崩、泥石流、洪水等水文地质灾害．台风、龙卷风和飓风、暴风雪、严寒、酷热等气象灾害：人为原因有设计的错误、施工管理的错误和问题、施工操作的错误等。从风险事故表现来看大致可以分为三类：①桥梁自身的质量事故和质最缺陷。②完成主体工程采取必要的临时工程的事故而造成的人员伤亡和财产损失。③桥梁施工过程中出现的其它相关的事故。
　　 基于随机动态可靠度的耐久性设计方法是直接计算结构在不同时刻t的抗力效应与荷载效应两个随机过程，用蒙特卡罗法等方法水对应时刻功能函数的可靠度，从而求出混凝土结构的动态可靠度变化。从理论上讲，这种方法很适合混凝土结构的耐久性研究。从强度降低的计算，某一时刻抗力效应随机变每计算、该时刻功能函数可靠度计算到最终回归出动态可靠度函数．每个步骤部可使用计算机来实现。这种研究思路属于安全耐久性设计的范畴，与结构承载力极限状态十分相似。混凝上结构耐久性失效的功能随机过程为：
　　 Z(t)=R(t)一S(t)；式中：R(t)为结构抗力随机过程，S(t)为结构荷载效应随机过程。
　　4.2基于使用寿命的耐久性设计与常规设计方法
　　 传统的桥梁结构设计方法其本质是基于构件强度的设计，强度是反映结构在菜一时刻承受某种荷载或作用的能力，其基本输入是结构的几何参数、设计细节等结构的固有特征，其输出必须满足外荷载效应的要求，设计过程实际足对输入参数的反复调整。耐久性是反映结构随着时间的增长而保持其初始性能的能力，性能随时问的变化是耐久性的本质特性，其基本输入是结构的性能指标、时间及使用条件参数，其中。强度也是性能的一个重要组成部分。由此可见，耐久性设计的基本输入恰好是传统结构设计的输出，因此耐久性设计必须基于传统设计的结果，其设计过程是对桥梁的初始性能进行调整以满足时间对结构的要求，而桥梁初始性能的调整又建立在结构基本几何参数等进行调整的基础上。所以，虽然耐久性设计是针对动态时间段的设计，而传统的结构设计是针对某个点的设计，但其最终的立脚点都在桥梁的基本设计参数上；由于有些影响耐久性的因素并不影响某个时刻桥梁的承载力。因此两者的影响因素并不完全相同，即使影响因素相同也存在着影响有利与不利的不同，及影响程度的不同，可以说二者是既有区别又有联系。
　　 本文讨论的基于使用寿命的耐久性设计方法将使用寿命引入耐久性设计控制方程，它具有明确的耐久性度量的意义，也是民众非常关心、且很容易接受的指标。在不同的设计阶段，针对不同的耐久性极限状态可以选择不同的使用寿命分析系数，以保证相应的设计寿命具有足够和适宜的可靠性及保证率。
　　
　　5结束语
　　 桥梁结构耐久性问题涉及的内容较广，需探讨的问题层出不穷，新规范对于影响混凝土耐久性的问题(保护层厚度、构造钢筋设置、防水层设计等)，没有作为耐久性设计的专门条款列出，而是分散在其他章节中。如何提高桥梁结构耐久性是我们每一个从事桥梁设计的工作人员需要考虑的。
　　
　　参考文献：
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　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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