对华南沿海片区桥梁耐久性问题的一些思考

　　摘要：华南沿海地区酸雨、盐雾问题突出，重载交通多，必须重视桥梁结构的耐久性设计，本文对该地区桥梁结构的耐久性问题进行了浅析，提出笔者本人的一些想法，为该地区桥梁结构的设计、施工、养护人员提供借鉴和参考。

　　关键词：华南沿海地区,桥梁,耐久性设计

　　我国华南片区常年气温较高，湿度大，季候风强烈，沿海区域海水含盐度高，空气中含氯度大，涨落潮的干湿侵蚀效应明显。特别是广东珠三角工业发达区域，酸雨、盐雾问题突出，同时重载交通较多，这对桥梁结构的防腐和耐久性提出了较高的要求。

　　1.华南沿海地区必须重视桥梁结构的耐久性设计

　　工程结构采取高标准的防腐措施是确保结构在设计使用寿命年限内的安全和满足正常使用功能的重要环节。国内外大量的海洋工程实践显示，处于海洋环境中的钢结构和钢筋混凝土结构，其耐久性远不如人们所期望的那么经久耐用，有的仅使用十几年就不得不进行大修，这是由于氯化物的存在导致了钢结构及钢筋混凝土结构的腐蚀。因此，必须采取可靠的防腐措施，以满足桥梁的设计使用寿命要求。

　　对于海港码头、滨海桥梁等结构物，所处环境中由于大量存在对钢筋有腐蚀作用的氯盐及其它腐蚀因素，其中当氯离子达到一定浓度后破坏钢筋的钝化膜，引起钢筋锈蚀，削减其有效截面，降低其粘结强度等受力性能，使混凝土保护层顺筋胀裂，是影响桥梁耐久性的主要灾害。与这些桥梁结构耐久性直接相关的钢筋混凝土的腐蚀及腐蚀控制的研究更应引起人们的注意。

　　在国内近海地区早期建成的桥梁，由于工程设计标准套用一般地区的要求，出现因材料选择不当及设计防腐蚀措施不完善等原因，投入使用约10年左右，就出现了严重的损伤破坏。破坏部分主要为桥墩、主梁、盖梁、桥面板、护栏。破坏形式有：钢筋严重锈蚀，混凝土保护层开裂剥落;混凝土成片剥落，粗骨料外露，钢筋全部外露;部分构件长期处于海水的干湿作用，表层混凝土已被溶蚀掉。

　　华南沿海地区桥梁工程应吸取国内外在防腐处理上的经验教训及国内逐渐成熟的防腐措施，重视防腐耐久性设计，这是非常必要的。

　　长期以来，工程界普遍认为混凝土是一种耐久性能良好的建筑材料(其实这一认识是局限在85版桥规30年左右的设计基准期，而不适用于2004 年版桥规的100年设计基准期)，在工程设计中往往忽视钢筋混凝土结构耐久性问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究和设计的相对滞后，并为此付出了巨大的代价。

　　桥梁结构耐久性考虑不足多数时候将带来灾难性的严重后果。轰动全国的重庆綦江彩虹桥通车3年后倒塌、四川宜宾市金沙港桥因吊杆断裂导致塌桥的事故，给人民生命财产带来了巨大的损失，其主要原因是钢材的耐久性不足引起的腐蚀。华南片区类似的桥梁事故是很多的，广州海印桥使用6.5年后，边跨两侧15号索突然断落，9号索松弛，其主要原因是PE管内索上部普遍有水泥浆空缺段和未凝固段，导致平行钢丝有不同程度锈蚀。

　　一般来说，桥梁结构耐久性不足的后果主要体现在以下几个方面:

　　(1) 混凝土的开裂、渗漏、侵蚀、碳化、破碎、酥裂、磨损、溶蚀、碱- 骨料反应、冻融循环破坏等;

　　(2) 桥梁钢结构、钢筋的锈蚀、脆化、疲劳以及预应力筋的应力损失等;

　　(3) 钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱、锚具的失效、注浆不密实等;

　　(4)桥梁附属工程部位如伸缩缝、支座、桥面铺装等的破坏。

　　2.已建桥梁结构普遍耐久性不足的原因浅析

　　国内外大量调查分析发现，引起混凝土结构耐久性不足的原因存在于环境影响、结构设计、施工及维护等各个环节。

　　(1)环境影响

　　桥梁的施工及使用环境总是与设计的环境必然存在差异，环境的影响是非常大的。混凝土的抗拉强度大约只是其抗压强度的10%，由于早期的水化热影响、干缩应变反应强烈，加上环境温度、湿度、日晒雨淋、冲击荷载的影响，混凝土结构很容易产生裂缝。开裂后，由于水分子、氯离子的侵入，导致钢筋面层的钝化，从而使钢筋腐蚀，破坏了钢筋表面与混凝土之间的化学胶结力，其直接后果是钢筋与混凝土不能很好的协同工作。混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱，最终导致结构的耐久性破坏。

　　(2)设计理论和结构构造体系欠完善

　　虽然在许多国家的设计规范中(如英国标准BS5400) 都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求。但是，这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计条文中，导致在工程设计中普遍存在重视结构强度设计而轻视甚至忽视结构耐久性设计、重视承载能力极限状态而不重视正常使用极限状态、重视结构的建造而不重视结构的维护等现象。

　　在具体的工程设计中，许多设计人员不大注意从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护以及从设计、施工到使用全过程等方面去加强和保证结构的耐久性和安全性。有的结构整体性和延性不足， 富裕度不够; 有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄。上述设计上的缺陷都削弱了结构耐久性，虽然可能满足了设计规范的强度要求，仅用了几年就因为结构耐久性出了问题，影响结构安全。

　　特别是在前些年，部分学者和设计人员倡导桥梁结构混凝土构件的优化和轻型化，常常以过密的钢筋配置细小的结构断面。过密的钢筋导致钢筋间的骨料和胶结材料不多，且粗、细骨料分布不均匀，振捣施工非常困难，难以保证钢筋混凝土构件的密实度和强度，容易形成蜂窝麻面、甚至空洞。另外，断面小、钢筋密导致不易保证保护层厚度的最低要求，造成混凝土构件表面抗碳化年限不足，以致钢筋锈蚀，影响了结构的耐久性和安全性。国内目前大跨度连续预应力混凝土刚构桥通车数年即出现跨中下挠、梁体开裂等病害与此有较大关系。

　　(3)施工和管理水平欠规范

　　如前所述，国内外若干座桥梁的突然破坏与倒塌事故，已使工程界对桥梁耐久性、安全性问题倍加关注。施工过程中的施工和管理水平欠规范(如野蛮施工和管理不当等)是造成桥梁结构耐久性不足的重要原因，其主要表现在下述几个方面:

　　①施工质量没有达到规范和设计要求，如原材料质量低劣和施工工艺不合格等;

　　②混凝土配合比的计量不准，变异性较大;

　　③个别桥梁存在诸如偷工减料、以次充好等严重的管理问题;

　　④混凝土保护层厚度控制不严，有些直接导致露筋;

　　⑤钢筋未作防锈处理，其间距疏密不一，粗、细骨料分布不均匀，混凝土振捣不密实;

　　⑥施工现场严重的构件开裂问题，主要原因包括水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等;

　　⑦拆摸时间控制不好或支模、拆模方法不对，引起早期裂缝。

　　目前在市政行业，施工队伍多由技术力量不足的包工头控制，水平普遍较低，加上低价中标，施工质量难以控制。这也是造成桥梁结构耐久性不足的一大原因。

　　(4)桥梁维护缺乏全面统筹的系统管理

　　桥梁维护方面缺乏全面统筹的系统管理，未能有效地对桥梁的全寿命过程进行管理。桥梁维修大多要到出了事故或不得不维修时才进行，错过维修的最佳时机，其维修效果也不佳。桥梁维养应把整个地区的桥梁作为一个系统工程来研究，，统筹考虑、合理安排桥梁维修。

　　3. 新版桥梁规范体系下的耐久性设计要求

　　2004年版《公路桥涵通用设计规范》以强制性条文规定“公路桥涵结构的设计基准期为100年”，明文规定“公路桥涵设计除应严格贯彻有关技术管理制度，实行质量控制外，还应在设计文件中，对涉及工程质量的构造设计、材料性能和结构耐久性、必须特别指明的制作或施工工艺、桥涵运行条件等提出相应的要求”。

　　2004版《公路钢筋混凝土及应力混凝土桥涵设计规范》，增加了公路桥涵结构应根据所处的环境件进行耐久性设计的内容，明确Ⅰ～Ⅳ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 条增加了设计基准期为100年的内容。

　　中国土木工程学会标准《混凝土结构耐久设计与施工指南》(CCES01-2004) 进一步提出了混土结构及其构件的耐久性应根据不同的设计年限、应的极限状态、不同的环境类别及其作用等级进行计的概念，明确提出了环境作用下混凝土结构耐久设计与施工的基本原则与要求。

　　2006年9月颁布的《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》进一步对混凝土结构的耐久性设计提出了公路交通行业推荐性技术标准。

　　相比之下，我国1985年颁布的《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》和1989年颁布的《混土结构设计规范》，涉及结构耐久性设计的内容不多，除了一些保证结构耐久性的构造措施的一般规定条文之外，只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度加以验算和控制。但是长期的实践证明，裂缝控制并不是结构耐久性设计的唯一内容。

　　增加耐久性设计内容是桥梁结构设计理念上的重大突破，是工程结构科学的重大技术进步，对提高设计质量具有重要的指导意义。上述新颁布和实施的行业规范或标准以国内外成熟防腐经验为基础，对华南沿海地区桥梁工程的耐久性设计研究具有指导性意义。

　　4. 耐久性设计的一些思路

　　桥梁结构的总体设计，应主要考虑以下几点:

　　(1) 在桥梁方案拟定中，为保证桥梁的耐久性，应采用易于保证施工质量的工程方案，如采用高强度、高性能耐久性混凝土，加大钢筋保护层，对钢筋及体外预应力钢束采取环氧涂层防腐处理等。

　　(2) 结构可靠度、耐久性是时间的函数，这是由于荷载是时间的函数，材料性能也是如此。使用期分别为30、50、100、120年的桥梁结构，若要保证到使用期末都具有相同的可靠概率，则所选择的截面尺寸或所用的材料强度必然是使用期长者大于使用期短者。同时，要求采用变异系数较小的高性能钢材和高性能混凝土，以提高相应的可靠度指标和耐久性。

　　(3)桥梁病害分析是全寿命管理中的一个必要环节。对桥梁可能产生的病害进行详细分析研究，在全寿命管理中，尽量消除桥梁病害，以达到提高结构耐久性的可能。所设计的结构在设计基准期内，应经济合理地满足相应的功能要求，在偶然事件发生时及发生后，能保持必要的结构稳定性和承载能力。

　　(4)重视对疲劳损伤、破坏的研究。

　　桥梁结构及构件承受的动荷载很大，而且加载次数频繁，容易产生疲劳损伤乃至破坏。组成桥梁构件的各种材料，如钢筋、混凝土等，并非是均匀和连续的，实际上存在许多微观的裂缝，在循环动荷载作用下，这些微裂缝会逐渐发展，以至于形成宏观裂纹。如果宏观裂纹得不到有效控制，极有可能会引起结构的脆性断裂，结构设计必须验算结构的疲劳性能指标，尤其是钢结构桥梁。

　　(5)充分重视桥梁的超载问题。

　　桥梁超载现象在我国公路运输中较为普遍，华南地区经济发达，重载交通多，桥梁设计应充分重视这一点。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，导致构件的开裂弯距降低、刚度下降，使得桥梁在正常使用荷载下的应力及变形状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。

　　具体涉及到桥梁结构设计中的耐久性设计，可从以下方面着手：

　　(1)滨海环境的桥梁应优先选用高性能混凝土(HPC)。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。

　　(2)钢结构桥梁优先选用高性能钢材。高性能钢材具有高屈服强度，高断裂韧性、焊接性能好、耐腐蚀。

　　(3)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。

　　(4)对重要性结构，如果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表面涂装防护。

　　(5)设计环境类别要满足结构混凝土耐久性的基本要求，混凝土结构的保护层厚度应严格执行相应环境类别的要求。

　　(6)要考虑超载问题。在华南片区的高速公路上，大型重载货柜车比较多，结合实际存在的重载交通，桥梁设计荷载可以适当留30～50%的富余度。

　　(7)对特大桥梁，要重视耐久性监控检测系统的设计。

　　5 结语

　　华南沿海地区水系发达，桥梁结构多，盐雾、酸雨问题严重，重载交通多，必须重视桥梁结构的耐久性设计，本文对该地区桥梁结构的耐久性问题进行了浅析，提出笔者本人的一些思路和建议，以期为该地区桥梁结构的设计、施工、养护人员提供借鉴和参考。

　　参考文献:

　　[1] JTG D60-2004，公路桥涵通用设计规范[S].

　　[2] CCES01-2004，混凝土结构耐久设计与施工指南[S].

　　[3] JTG/T B07-01-2004，公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

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