影响桥梁结构耐久性细部设计
2010-12-28
随着全国各等级公路的蓬勃发展和桥梁分析技术的不断提升，大跨径、新结构桥梁层出不穷，公路桥梁设计也进入一个鼎盛时期。在桥梁设计中，各家设计院都非常重视结构分析，采用静态分析、动态分析、整体分析、局部分析，多种分析手段相互校核补充，设计质量大大提高。但是与此同时，在设计中也出现了很多细部设计的盲区。由于国内耐久性设计还没有得到足够的重视，对于桥梁的细部设计不够重视不够细致，从而导致相当一部分桥梁并不是因为整体结构安全不足出现问题，而是因为细部设计不到位而引起了局部构件损坏，进而大大降低了整体结构的安全性和耐久性。
细节决定成败，桥梁是公路的安全重点，桥梁细部设计的安全性不容忽视，本文针对这些影响安全和耐久性而又容易被忽视的细部设计进行一些研究和探讨。
1、上部结构细部设计
1.1 桥面铺装
桥面铺装是桥梁与车辆直接接触的部件，也是桥面排水的第一道防线。桥面铺装一方面承受着汽车的冲击碾压剪切作用，另一方面又承受着主梁传递的反复应力和挠变，经常出现早期损坏，进而破坏桥面防水系统，最终导致主梁受桥面水影响而腐蚀主筋，铺装混凝土逐渐与主梁剥离，削弱了主梁的受力性能，影响了整个结构的安全性和耐久性。
在设计中常通过增厚铺装厚度和加强铺装钢筋来解决这一问题，这样也确实增强了铺装受力性能。其实问题的另一个重要原因在于桥面铺装难以承受反复变形而形成疲劳破环，与主梁结合不好而不能协同主梁共同承担应力。因此相应的设计思路是，改善桥面铺装的抗疲劳性能，增强桥梁铺装与主梁的结合方式。在设计中可以从以下几个方面来进行相应的改善，桥面铺装混凝土中掺入钢纤维，可以明显提高混凝土的抗疲劳性能，减少开裂；在预制板顶增设抗剪连接钢筋，可以有效保证桥面铺装整体化混凝土与预制板紧密结合，同时有利于桥面铺装钢筋网的定位；桥面铺装钢筋网采用冷轧带肋钢筋网，可以有效提高铺装混凝土的强度和保证施工质量。
1.2 桥面防水层
桥面铺装与主梁之间的防水层是防止桥面水渗入主梁的第二道防线。不少设计中仅单一采用防水混凝土进行防水。由于防水混凝土属于刚性防水层，一旦开裂后防水性能便大为下降。因此，建议采用采用防水混凝土与防水层相结合的双重防水型式，刚柔并济，可以有效阻断桥面裂隙渗下的水，另一方面还可以加强上层沥青混凝土与下层钢筋混凝土的结合。
1.3 桥面排水
一般的办法是纵向每隔一定间距设置一个泄水管。可是实际当中，我们经常发现泄水管往往成了清扫公路后的垃圾堆放口，大量的桥梁泄水口因此而堵塞，从而导致桥面积水无法及时排放，最终加大了桥梁的水害腐蚀。故而建议采用纵向盲沟配合铁栅格型式，泄水管尽量采用直管或大半径弯折曲管，泄水管内径应大于15 cm，既可加快排水进程，又可便于后期养护清堵，有效防止堵塞泄水管从而保证桥面泄水顺畅。
1.4 主梁
主梁是全桥的主要承力构件，一般在设计当中均要进行整体分析和局部分析，重视程度很高，从理论计算角度均能满足规范要求。可是在实际运营当中，主梁（主要是箱梁）箱体内长期大量积水的现象时有发生，甚至积水灌满箱体的情况也有发生，极大地损伤了主梁的预应力钢筋和普通钢筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是对于主梁细节设计的不到位，主梁排水构造设置不够完善，桥面积水在长时间不能排出桥外时便通过梁顶裂隙进入箱体，进而在箱体内不断积累，最终形成箱体内积水。对于箱内水，必须要设置排气孔，一方面可以使得箱体内外气温相近，减小局部温差效应引起的局部应力，另一方面还可以排出施工及运营过程中产生的积水。对于箱外水，建议对于主梁悬臂端设置滴水槽，使梁顶水止于悬臂端，不能顺梁体外侧流下，避免侵蚀梁体外侧。
主梁中钢筋避让也是设计中应该特别重视的问题。对于受力复杂的主梁，承受多个方向的应力，所以通常设计有三向预应力钢筋和普通纵横向钢筋，容易出现钢筋打架现象。如果施工中处理不当，调整了主要钢筋位置，就会降低主要应力方向的安全储备，存在安全隐患。因此，在设计中须根据具体应力情况，对主要钢筋空间位置进行统筹考虑，避免主筋打架。还要在相应钢筋图中，具体说明钢筋避让的先后顺序，以避免施工中误操作。
主梁应力集中、局部承压区域，主要通过主筋来进行抵抗承受。但是由于配筋方向和间距的局限性导致剩余应力通过混凝土释放，进而表现为相应区域混凝土的开裂。这部分应力通过计算很难算准，有必要在主筋设计的基础上，增加一些细节处理方式。如混凝土锚具的局部承压区、连续刚构桥的0号块、箱梁1/4L附近等可采用钢纤维混凝土，以抑制裂缝和抵抗疲劳破坏，从而增加结构的耐久性。
1.5 铰缝
空心板铰缝是梁体的薄弱环节，通常采用加大铰缝企口宽度，加强铰缝钢筋来强化铰缝。这样做固然是有效的，其实对于铰缝混凝土掺入钢纤维，其效果也是非常明显的，可以有效减缓铰缝的开裂，保证空心板处于整体受力状态，有效加强铰缝内骨架筋，使铰缝砼整体性加强，改善横向分布性能。
1.6 保护层厚度
桥梁上部结构一般多为两种，特殊结构采用内部通用图或自行开发设计，普通结构多采用通用图设计。对于特殊结构，一般设计中都能对保护层进行特殊考虑。对于普通桥梁结构，考虑到施工和设计的便利，一般直接采用通用图设计，这样做通常也是合理的。但对于一些特殊环境，如对于高腐蚀性的盐渍土特殊土质、大量使用除冰盐的特殊环境地区，通用图的保护层厚度就不能盲目套用了，需要特殊加以考虑并进行相应的加大修改，否则上部结构的耐腐蚀性能大大降低，桥梁的安全性和耐久性均大打折扣。保护层的厚度应参照《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01—2006）执行。
1.7 伸缩缝
伸缩缝是桥面的重要组成部分，直接影响着桥梁的伸缩性、舒适性。由于对主梁收缩徐变考虑不足，经常出现的问题是型号选择不当，导致梁端或在最高温度时挤压损坏，或在最低温度时拉坏梁体。因此在设计中必须控制每联长度，根据不同地区的气温条件合理进行选用，不可千篇一律，并且伸缩量应适当有所富余。
伸缩缝主要承受车辆的反复冲击作用，属于易损构件。对于槽口混凝土应采用钢纤维混凝土以抵抗疲劳损坏。对于伸缩缝钢板，建议采用进口伸缩缝，其力学性能质量和耐久性均明显比国产伸缩缝要好，常见的有毛勒伸缩缝。
伸缩缝在保证梁体纵向伸缩的同时，也应重视防水设计。在很多设计中，采用直线式伸缩缝，这样做固然设计比较方便，但在桥梁两端的护栏处成为主要的漏水区域。因此，建议选用横向两端有翘头的伸缩缝，使得整个伸缩缝形成一个闭合良好的U型槽，可以有效避免桥面积水沿伸缩缝这个排水薄弱环节下泄到分联梁端及分联墩盖梁上。
1.8 板式橡胶支座
板式橡胶支座也是易损构件，通常使用寿命只有10～20年左右，然后就需要进行更换。在以往的设计中对于更换支座的操作空间考虑不足，垫石和支座总厚度只有十几厘米甚至更小，更换时十分困难甚至无法更换，而破损的支座改变了其他支座的受力分配，还改变了下部结构的刚度引起墩顶水平力的重分配，带来了下部结构的安全隐患。因此，在设计中应将垫石支座总厚度至少控制在30 cm以上，以保证支座的顺利更换。
支座还经常出现脱空的问题，导致支座分力不均，受力大的支座早期损坏，进而使得主梁所受支反力分布不均，主梁局部应力增大，进而引起局部损坏。从设计角度看，支座脱空的问题主要是两方面的原因，一是四角垫块高度计算错误，垫石顶面不平；二是设计过于复杂，每片主梁两端对应的垫块和垫石的四角高度均各不相同，这种设计理论上固然可行，但在实际实施中大大增加了施工的难度，施工时很容易出错，最终导致支座脱空现象的出现。建议在超高缓和段落桥梁设计中，在超高横坡不是很大的情况下，梁底横坡尽量采用平坡，梁顶横坡不足部分通过各梁现浇部分进行调整，简化垫块垫石的施工设置难度，保证支座在运营中能够处于正常受力状态。
2 、下部结构的细部设计
2.1 分联墩盖梁
分联墩处由于上部结构设置伸缩缝，桥面水经常通过伸缩缝薄弱环节泄漏到分联墩盖梁上，尤其是采用除冰盐的地区，分联墩盖梁长期承受着腐蚀性除冰盐水的腐蚀。因此，分联墩盖梁顶面应该设置横坡以便排走桥面流下的水，并且要在盖梁保护层厚度方面重点考虑防腐蚀要求。另外，为了防止腐蚀性盐水顺墩身流下，避免对墩身和桩基产生不利的影响，设计中可在盖梁挑檐上设置滴水槽。
2.2 桩顶
桥梁桩基安全直接决定着桥梁的整体安全，是桥梁设计的重中之重。桩基顶部与承台或墩身相连，受截面突变的影响，属于应力集中的部位。桥梁桩顶一般设计于地面线附近，受地面水、地下水、桥面排下的含除冰盐的冰水、地面土（尤其像盐渍土、土中有机质）等因素中的一种或几种的影响，经常处于干湿交替和腐蚀性环境，对于桩基顶部的钢筋混凝土耐久性产生较大的不利作用。因此，桩基尤其是桩顶的设计中必须要根据桩顶处的水位情况、土质情况合理判定环境等级，选择相应的耐久性设计标准，最终确定保护层厚度。
3 、桥梁施工工艺的细部设计
在设计中，由于对桥梁的施工工艺不够重视，很多施工重点未被提及、或强调的不到位。其实很多细部设计正是通过施工工艺说明来体现的，在设计中一定要重点强调，以便引起业主、监理和施工单位足够的重视，最终才能认真落实到施工当中。
在混凝土材料方面，对于耐久性影响较大的主要有混凝土的最低强度等级、水灰比、最小水泥用量、最大氯离子含量、最大碱含量等，需要在桥梁说明中根据环境作用等级做出量化的要求，便于施工操作。
在施工工艺方面，重点要对混凝土的养护最短工期、混凝土的振捣方式、混凝土保护层厚度控制等提出要求和做出限制，以保证混凝土的浇筑质量。
另外，桥梁设计也要建立便于施工、使施工通过努力达到设计要求的新理念，不可一味求大、求新、求异，远远超越了实际施工能力和经验，反而使施工质量明显下降。
4 、小结
通过前面各部分的介绍，我们对于常规设计中一些容易被忽视而又影响结构安全的细部设计有了一定的认识。只要能够有足够的重视，采取一些必要的措施，完全可以把这些细节问题通过代价并不高的方式加以解决。对于桥梁设计，我们有必要从传统的强度设计逐渐过渡发展到强度和耐久性双控的设计理念上来，真正落实科学发展观和可持续发展的总体建设理念。
