影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性細(xì)部設(shè)計(jì)
2010-12-28
隨著全國(guó)各等級(jí)公路的蓬勃發(fā)展和橋梁分析技術(shù)的不斷提升，大跨徑、新結(jié)構(gòu)橋梁層出不窮，公路橋梁設(shè)計(jì)也進(jìn)入一個(gè)鼎盛時(shí)期。在橋梁設(shè)計(jì)中，各家設(shè)計(jì)院都非常重視結(jié)構(gòu)分析，采用靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、整體分析、局部分析，多種分析手段相互校核補(bǔ)充，設(shè)計(jì)質(zhì)量大大提高。但是與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)中也出現(xiàn)了很多細(xì)部設(shè)計(jì)的盲區(qū)。由于國(guó)內(nèi)耐久性設(shè)計(jì)還沒(méi)有得到足夠的重視，對(duì)于橋梁的細(xì)部設(shè)計(jì)不夠重視不夠細(xì)致，從而導(dǎo)致相當(dāng)一部分橋梁并不是因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)安全不足出現(xiàn)問(wèn)題，而是因?yàn)榧?xì)部設(shè)計(jì)不到位而引起了局部構(gòu)件損壞，進(jìn)而大大降低了整體結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。
細(xì)節(jié)決定成敗，橋梁是公路的安全重點(diǎn)，橋梁細(xì)部設(shè)計(jì)的安全性不容忽視，本文針對(duì)這些影響安全和耐久性而又容易被忽視的細(xì)部設(shè)計(jì)進(jìn)行一些研究和探討。
1、上部結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)
1.1 橋面鋪裝
橋面鋪裝是橋梁與車(chē)輛直接接觸的部件，也是橋面排水的第一道防線。橋面鋪裝一方面承受著汽車(chē)的沖擊碾壓剪切作用，另一方面又承受著主梁傳遞的反復(fù)應(yīng)力和撓變，經(jīng)常出現(xiàn)早期損壞，進(jìn)而破壞橋面防水系統(tǒng)，最終導(dǎo)致主梁受橋面水影響而腐蝕主筋，鋪裝混凝土逐漸與主梁剝離，削弱了主梁的受力性能，影響了整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。
在設(shè)計(jì)中常通過(guò)增厚鋪裝厚度和加強(qiáng)鋪裝鋼筋來(lái)解決這一問(wèn)題，這樣也確實(shí)增強(qiáng)了鋪裝受力性能。其實(shí)問(wèn)題的另一個(gè)重要原因在于橋面鋪裝難以承受反復(fù)變形而形成疲勞破環(huán)，與主梁結(jié)合不好而不能協(xié)同主梁共同承擔(dān)應(yīng)力。因此相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路是，改善橋面鋪裝的抗疲勞性能，增強(qiáng)橋梁鋪裝與主梁的結(jié)合方式。在設(shè)計(jì)中可以從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的改善，橋面鋪裝混凝土中摻入鋼纖維，可以明顯提高混凝土的抗疲勞性能，減少開(kāi)裂；在預(yù)制板頂增設(shè)抗剪連接鋼筋，可以有效保證橋面鋪裝整體化混凝土與預(yù)制板緊密結(jié)合，同時(shí)有利于橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)的定位；橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)采用冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)，可以有效提高鋪裝混凝土的強(qiáng)度和保證施工質(zhì)量。
1.2 橋面防水層
橋面鋪裝與主梁之間的防水層是防止橋面水滲入主梁的第二道防線。不少設(shè)計(jì)中僅單一采用防水混凝土進(jìn)行防水。由于防水混凝土屬于剛性防水層，一旦開(kāi)裂后防水性能便大為下降。因此，建議采用采用防水混凝土與防水層相結(jié)合的雙重防水型式，剛?cè)岵?jì)，可以有效阻斷橋面裂隙滲下的水，另一方面還可以加強(qiáng)上層瀝青混凝土與下層鋼筋混凝土的結(jié)合。
1.3 橋面排水
一般的辦法是縱向每隔一定間距設(shè)置一個(gè)泄水管?？墒菍?shí)際當(dāng)中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)泄水管往往成了清掃公路后的垃圾堆放口，大量的橋梁泄水口因此而堵塞，從而導(dǎo)致橋面積水無(wú)法及時(shí)排放，最終加大了橋梁的水害腐蝕。故而建議采用縱向盲溝配合鐵柵格型式，泄水管盡量采用直管或大半徑彎折曲管，泄水管內(nèi)徑應(yīng)大于15 cm，既可加快排水進(jìn)程，又可便于后期養(yǎng)護(hù)清堵，有效防止堵塞泄水管從而保證橋面泄水順暢。
1.4 主梁
主梁是全橋的主要承力構(gòu)件，一般在設(shè)計(jì)當(dāng)中均要進(jìn)行整體分析和局部分析，重視程度很高，從理論計(jì)算角度均能滿足規(guī)范要求?？墒窃趯?shí)際運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，主梁（主要是箱梁）箱體內(nèi)長(zhǎng)期大量積水的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，甚至積水灌滿箱體的情況也有發(fā)生，極大地?fù)p傷了主梁的預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是對(duì)于主梁細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的不到位，主梁排水構(gòu)造設(shè)置不夠完善，橋面積水在長(zhǎng)時(shí)間不能排出橋外時(shí)便通過(guò)梁頂裂隙進(jìn)入箱體，進(jìn)而在箱體內(nèi)不斷積累，最終形成箱體內(nèi)積水。對(duì)于箱內(nèi)水，必須要設(shè)置排氣孔，一方面可以使得箱體內(nèi)外氣溫相近，減小局部溫差效應(yīng)引起的局部應(yīng)力，另一方面還可以排出施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的積水。對(duì)于箱外水，建議對(duì)于主梁懸臂端設(shè)置滴水槽，使梁頂水止于懸臂端，不能順梁體外側(cè)流下，避免侵蝕梁體外側(cè)。
主梁中鋼筋避讓也是設(shè)計(jì)中應(yīng)該特別重視的問(wèn)題。對(duì)于受力復(fù)雜的主梁，承受多個(gè)方向的應(yīng)力，所以通常設(shè)計(jì)有三向預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通縱橫向鋼筋，容易出現(xiàn)鋼筋打架現(xiàn)象。如果施工中處理不當(dāng)，調(diào)整了主要鋼筋位置，就會(huì)降低主要應(yīng)力方向的安全儲(chǔ)備，存在安全隱患。因此，在設(shè)計(jì)中須根據(jù)具體應(yīng)力情況，對(duì)主要鋼筋空間位置進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，避免主筋打架。還要在相應(yīng)鋼筋圖中，具體說(shuō)明鋼筋避讓的先后順序，以避免施工中誤操作。
主梁應(yīng)力集中、局部承壓區(qū)域，主要通過(guò)主筋來(lái)進(jìn)行抵抗承受。但是由于配筋方向和間距的局限性導(dǎo)致剩余應(yīng)力通過(guò)混凝土釋放，進(jìn)而表現(xiàn)為相應(yīng)區(qū)域混凝土的開(kāi)裂。這部分應(yīng)力通過(guò)計(jì)算很難算準(zhǔn)，有必要在主筋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加一些細(xì)節(jié)處理方式。如混凝土錨具的局部承壓區(qū)、連續(xù)剛構(gòu)橋的0號(hào)塊、箱梁1/4L附近等可采用鋼纖維混凝土，以抑制裂縫和抵抗疲勞破壞，從而增加結(jié)構(gòu)的耐久性。
1.5 鉸縫
空心板鉸縫是梁體的薄弱環(huán)節(jié)，通常采用加大鉸縫企口寬度，加強(qiáng)鉸縫鋼筋來(lái)強(qiáng)化鉸縫。這樣做固然是有效的，其實(shí)對(duì)于鉸縫混凝土摻入鋼纖維，其效果也是非常明顯的，可以有效減緩鉸縫的開(kāi)裂，保證空心板處于整體受力狀態(tài)，有效加強(qiáng)鉸縫內(nèi)骨架筋，使鉸縫砼整體性加強(qiáng)，改善橫向分布性能。
1.6 保護(hù)層厚度
橋梁上部結(jié)構(gòu)一般多為兩種，特殊結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部通用圖或自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，普通結(jié)構(gòu)多采用通用圖設(shè)計(jì)。對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)，一般設(shè)計(jì)中都能對(duì)保護(hù)層進(jìn)行特殊考慮。對(duì)于普通橋梁結(jié)構(gòu)，考慮到施工和設(shè)計(jì)的便利，一般直接采用通用圖設(shè)計(jì)，這樣做通常也是合理的。但對(duì)于一些特殊環(huán)境，如對(duì)于高腐蝕性的鹽漬土特殊土質(zhì)、大量使用除冰鹽的特殊環(huán)境地區(qū)，通用圖的保護(hù)層厚度就不能盲目套用了，需要特殊加以考慮并進(jìn)行相應(yīng)的加大修改，否則上部結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能大大降低，橋梁的安全性和耐久性均大打折扣。保護(hù)層的厚度應(yīng)參照《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTG/T B07-01—2006）執(zhí)行。
1.7 伸縮縫
伸縮縫是橋面的重要組成部分，直接影響著橋梁的伸縮性、舒適性。由于對(duì)主梁收縮徐變考慮不足，經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題是型號(hào)選擇不當(dāng)，導(dǎo)致梁端或在最高溫度時(shí)擠壓損壞，或在最低溫度時(shí)拉壞梁體。因此在設(shè)計(jì)中必須控制每聯(lián)長(zhǎng)度，根據(jù)不同地區(qū)的氣溫條件合理進(jìn)行選用，不可千篇一律，并且伸縮量應(yīng)適當(dāng)有所富余。
伸縮縫主要承受車(chē)輛的反復(fù)沖擊作用，屬于易損構(gòu)件。對(duì)于槽口混凝土應(yīng)采用鋼纖維混凝土以抵抗疲勞損壞。對(duì)于伸縮縫鋼板，建議采用進(jìn)口伸縮縫，其力學(xué)性能質(zhì)量和耐久性均明顯比國(guó)產(chǎn)伸縮縫要好，常見(jiàn)的有毛勒伸縮縫。
伸縮縫在保證梁體縱向伸縮的同時(shí)，也應(yīng)重視防水設(shè)計(jì)。在很多設(shè)計(jì)中，采用直線式伸縮縫，這樣做固然設(shè)計(jì)比較方便，但在橋梁兩端的護(hù)欄處成為主要的漏水區(qū)域。因此，建議選用橫向兩端有翹頭的伸縮縫，使得整個(gè)伸縮縫形成一個(gè)閉合良好的U型槽，可以有效避免橋面積水沿伸縮縫這個(gè)排水薄弱環(huán)節(jié)下泄到分聯(lián)梁端及分聯(lián)墩蓋梁上。
1.8 板式橡膠支座
板式橡膠支座也是易損構(gòu)件，通常使用壽命只有10～20年左右，然后就需要進(jìn)行更換。在以往的設(shè)計(jì)中對(duì)于更換支座的操作空間考慮不足，墊石和支座總厚度只有十幾厘米甚至更小，更換時(shí)十分困難甚至無(wú)法更換，而破損的支座改變了其他支座的受力分配，還改變了下部結(jié)構(gòu)的剛度引起墩頂水平力的重分配，帶來(lái)了下部結(jié)構(gòu)的安全隱患。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)將墊石支座總厚度至少控制在30 cm以上，以保證支座的順利更換。
支座還經(jīng)常出現(xiàn)脫空的問(wèn)題，導(dǎo)致支座分力不均，受力大的支座早期損壞，進(jìn)而使得主梁所受支反力分布不均，主梁局部應(yīng)力增大，進(jìn)而引起局部損壞。從設(shè)計(jì)角度看，支座脫空的問(wèn)題主要是兩方面的原因，一是四角墊塊高度計(jì)算錯(cuò)誤，墊石頂面不平；二是設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，每片主梁兩端對(duì)應(yīng)的墊塊和墊石的四角高度均各不相同，這種設(shè)計(jì)理論上固然可行，但在實(shí)際實(shí)施中大大增加了施工的難度，施工時(shí)很容易出錯(cuò)，最終導(dǎo)致支座脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。建議在超高緩和段落橋梁設(shè)計(jì)中，在超高橫坡不是很大的情況下，梁底橫坡盡量采用平坡，梁頂橫坡不足部分通過(guò)各梁現(xiàn)澆部分進(jìn)行調(diào)整，簡(jiǎn)化墊塊墊石的施工設(shè)置難度，保證支座在運(yùn)營(yíng)中能夠處于正常受力狀態(tài)。
2 、下部結(jié)構(gòu)的細(xì)部設(shè)計(jì)
2.1 分聯(lián)墩蓋梁
分聯(lián)墩處由于上部結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫，橋面水經(jīng)常通過(guò)伸縮縫薄弱環(huán)節(jié)泄漏到分聯(lián)墩蓋梁上，尤其是采用除冰鹽的地區(qū)，分聯(lián)墩蓋梁長(zhǎng)期承受著腐蝕性除冰鹽水的腐蝕。因此，分聯(lián)墩蓋梁頂面應(yīng)該設(shè)置橫坡以便排走橋面流下的水，并且要在蓋梁保護(hù)層厚度方面重點(diǎn)考慮防腐蝕要求。另外，為了防止腐蝕性鹽水順墩身流下，避免對(duì)墩身和樁基產(chǎn)生不利的影響，設(shè)計(jì)中可在蓋梁挑檐上設(shè)置滴水槽。
2.2 樁頂
橋梁樁基安全直接決定著橋梁的整體安全，是橋梁設(shè)計(jì)的重中之重。樁基頂部與承臺(tái)或墩身相連，受截面突變的影響，屬于應(yīng)力集中的部位。橋梁樁頂一般設(shè)計(jì)于地面線附近，受地面水、地下水、橋面排下的含除冰鹽的冰水、地面土（尤其像鹽漬土、土中有機(jī)質(zhì)）等因素中的一種或幾種的影響，經(jīng)常處于干濕交替和腐蝕性環(huán)境，對(duì)于樁基頂部的鋼筋混凝土耐久性產(chǎn)生較大的不利作用。因此，樁基尤其是樁頂?shù)脑O(shè)計(jì)中必須要根據(jù)樁頂處的水位情況、土質(zhì)情況合理判定環(huán)境等級(jí)，選擇相應(yīng)的耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，最終確定保護(hù)層厚度。
3 、橋梁施工工藝的細(xì)部設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中，由于對(duì)橋梁的施工工藝不夠重視，很多施工重點(diǎn)未被提及、或強(qiáng)調(diào)的不到位。其實(shí)很多細(xì)部設(shè)計(jì)正是通過(guò)施工工藝說(shuō)明來(lái)體現(xiàn)的，在設(shè)計(jì)中一定要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，以便引起業(yè)主、監(jiān)理和施工單位足夠的重視，最終才能認(rèn)真落實(shí)到施工當(dāng)中。
在混凝土材料方面，對(duì)于耐久性影響較大的主要有混凝土的最低強(qiáng)度等級(jí)、水灰比、最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量等，需要在橋梁說(shuō)明中根據(jù)環(huán)境作用等級(jí)做出量化的要求，便于施工操作。
在施工工藝方面，重點(diǎn)要對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)最短工期、混凝土的振搗方式、混凝土保護(hù)層厚度控制等提出要求和做出限制，以保證混凝土的澆筑質(zhì)量。
另外，橋梁設(shè)計(jì)也要建立便于施工、使施工通過(guò)努力達(dá)到設(shè)計(jì)要求的新理念，不可一味求大、求新、求異，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了實(shí)際施工能力和經(jīng)驗(yàn)，反而使施工質(zhì)量明顯下降。
4 、小結(jié)
通過(guò)前面各部分的介紹，我們對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)中一些容易被忽視而又影響結(jié)構(gòu)安全的細(xì)部設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識(shí)。只要能夠有足夠的重視，采取一些必要的措施，完全可以把這些細(xì)節(jié)問(wèn)題通過(guò)代價(jià)并不高的方式加以解決。對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)，我們有必要從傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)逐漸過(guò)渡發(fā)展到強(qiáng)度和耐久性雙控的設(shè)計(jì)理念上來(lái)，真正落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展的總體建設(shè)理念。
