城市轨道交通混凝土高架桥的耐久性设计

城市轨道交通混凝土高架桥的耐久性设计
摘要：钢筋混凝土过去一直被认为是耐久性材料，因此人们通常只注重对结构
安全性和使用性的考虑，在各国规范中对耐久性设计过去也没有作出明确的要求。

实际上，耐久性设计是一个非常重要的设计内容。

关键词：城市轨道交通混凝土高架桥；耐久性设计；
国家和行业规范对桥梁的设计使用年限都有明确规定。

因此，桥梁结构的耐
久性应是设计关注的重点之一。

近期，国内多位院士和著名桥梁专家均指出：混
凝土结构设计中，混凝土强度的选用，不仅要满足强度计算的要求，还必须满足
耐久性设计的要求。

这应是当代混凝土结构设计的重要理念之一。

而高性能混凝
土是确保结构物耐久性的重要措施。

一、主要破坏形式和机理
1.钢筋的锈蚀破坏。

通常钢筋表面有一层致密的氧化膜，使钢筋处于钝化状态，防止钢筋的锈蚀。

如果外界有不利介质侵入，使氧化膜破坏，引发钢筋各部
位产生电位差，就会造成钢筋的电化学腐蚀。

由于钢筋腐蚀后产生的锈蚀物体积
膨胀，会使混凝土保护层胀裂，空气中的水分直接进入，又更加快了锈蚀的速度。

钢筋的锈蚀不仅会产生严重的纵向裂缝，影响结构的正常使用，而且因钢筋有效
截面的减小，将直接危及结构的安全。

引起混凝土桥梁中钢筋锈蚀的主要原因为
混凝土的碳化和氯污染。

在正常的大气环境下，二氧化碳与混凝土中碱性物质发
生化学反应的过程称为混凝土的碳化。

混凝土碳化的速度主要取决于化学反应本
身的速度、二氧化碳向混凝土扩散的速度以及氢氧钙的扩散速度。

其中二氧化碳
的扩散速度最慢，碳化的速度主要受其控制。

根据混凝土碳化时间与平均碳化深
度平方呈正比关系。

在正常大气环境中一般认为混凝土保护层碳化是混凝土桥梁
钢筋锈蚀的主要原因。

即使混凝土处于高碱状态，如果氯离子侵入钢筋的氧化膜，也将发生化学反应，使氧化膜中的氧离子被氯离子代替，生成氧化铁和钠，促使
氧化膜保护层的破坏，最后同样导致钢筋的电化学腐蚀破坏。

氯污染分为内掺型
和外侵型两种。

内掺型是指混凝土原料本身含有氯离子的成分，如海砂、海水或
含氯的外加剂等。

外侵型是指环境中的氯离子通过构件表面侵入到硬化的混凝土
内部，引起钢筋的腐蚀。

我国北方地区为保证冬季雪后交通顺畅而在城市高架桥
桥面采用除冰盐，以及沿海地区桥梁和跨海桥因海洋性环境或海水直接作用等引
发的钢筋锈蚀破坏现象，都是这种外侵型氯污染的典型例子。

2.混凝土冻融破坏。

处于饱水状态（含水量达91.7 %的极限值）的混凝土受
冻时，毛细孔中将同时受到膨涨压力和渗透压力，使混凝土产生内部裂缝和损伤，损伤累积到一定程度就引起混凝土冻融破坏。

我国北方地区最低温度普遍在零度
以下，混凝土桥梁处于冻和融的交替循环之中，如不采取相应的措施，极有可能
发生冻融破坏。

3.混凝土碱集料反应破坏。

混凝土集料中某些活性矿物与混凝土中的碱性溶
液发生化学反应称为碱集料反应。

由于碱集料反应生成物在吸水状态下体积会增
大3 ～ 4 倍，从而引起混凝土破坏。

在混凝土桥梁施工中如采用的石料是碱活性的，或过多地使用高碱性的混凝土外加剂，将提高混凝土的碱含量，在不利的环
境下就会发生碱集料反应，导致混凝土开裂，降低桥梁的耐久性。

二、城市轨道交通混凝土高架桥的耐久性设计
1.配合比设计。

在保证混凝土设计强度的前提下，尽量提高混最小水泥用量，减小混凝土的水化热、提高混凝土的弹性模量、减小混凝土的后期收缩和徐变。

高性能混凝土的配合比特点是：水胶比低、粉体量大、浆集比大、粗集料量小。

高性能混凝土必须进行专门的多组配合比试验，通过对比分析，择优选用。

择优
的基本要求是：强度满足设计要求、弹性模量高、工作性能好、抗裂性好，以及
粘聚性与保水性好。

高性能混凝土配制的目标主要是耐久性。

低渗透性是混凝土
确保耐久性的第一道防线。

要尽量降低水泥水化热和混凝土内部的温度升高值。

要从原材料的选择和配合比上尽量降低混凝土的干缩。

施工过程、使用期的混凝
土抗压强度，要达到设计要求。

水灰比应小于0.4。

高性能混凝土拌合物的工作
性比强度还重要，是保证混凝土浇筑质量的关健。

要求拌和物具有高流动性和可
泵性。

坍落度应大于180 mm；当要求免振时，坍落度应大于250 mm。

还应具有
体积稳定、不离析、不泌水的性能。

要求坍落度和坍落铺展度（拌和物坍落终了
时铺展的直径，称为铺展度）的比值约为0.4。

混凝土的强度与水泥强度成正比，与灰水比成反比。

灰水比一经确定，绝不能随意变动。

对于高性能混凝土，“灰”
包括所有胶凝材料，故灰水比称为胶水比。

由水泥（胶凝材料）、水、砂、石组
成的混凝土达到最佳密实度，同时在可塑状态时，又具有足够的流动性。

最小单
位加水量或最小胶凝材料用量法则在灰水比固定、原材料一定的情况下，使用满
足工作性的最小加水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定的、经济的混凝土。

为降低混凝土的温升、提高混凝土抗环境因素侵蚀的能力，在满足混凝土早
期强度的前提下，应尽量减小胶凝材料中的水泥用量。

2. 最小保护层厚度。

混凝土保护层最小厚度主要涉及钢筋与混凝土的粘结锚
固性能、钢筋的防锈蚀以及截面的有效计算高度等因素。

从锚固粘结和耐久性角
度看，保护层厚度愈大愈好。

但过大的保护层势必减小截面有效高度，会增加材
料用量。

多项研究结果表明，以结构全生命周期内最佳经济效益为优化目标，选
取允许的最大保护层厚度在经济上将是最优的设计方案。

规定主筋的最小保护层
厚度为50 ～ 75mm，分布钢筋和箍筋的最小保护层厚度为25 mm。

考虑上述取值的情况，建议对一、二、三环境类别主筋的最小混凝土保护层厚度为40、50、
60mm，分布钢筋和箍筋的最小保护层厚度为25mm，对于预应力钢筋和管道的
最小保护层厚度，不小于0.8 倍管道直径，结构底面取60mm。

3. 最大裂缝宽度限值。

过大的裂缝宽度会直接导致钢筋的锈蚀，降低结构的
耐久性。

国内规范在最大裂缝宽度限值上基本一致，对室外一般露天环境取值均
为0.2 mm，对有侵蚀性气体或海洋大气环境取值为0.1 mm。

环境主要考虑除冰
盐或海洋性气候等侵蚀度较大的环境，有必要采用较严格的限值，故建议一、二、三环境类别的最大裂缝宽度限值构造措施为了确保桥梁耐久性，除满足上述基本
要求外，还应特别注重桥梁构造和细节的设计，具体可采取如下措施。

（1）设
计时对于收缩、徐变、温差和地基沉陷等间接作用对桥梁结构产生的附加应力应
有充分的估计并采取相应的技术措施，尽量减少非结构裂缝的产生。

（2）注重
桥梁排防水系统的设计，伸缩缝应采用防水性好的橡胶伸缩装置、无缝式伸缩装置，排水管、吸水口应用密封性好的耐久材料制作。

（3）对于后张预应力桥梁
的封锚和管道灌浆应采用膨胀混凝土。

（4）加强装配式混凝土桥梁的纵、横向
连接。

对装配式板桥应采用混凝土企口铰的横向连接从而形成整体性好的Π型梁。

根据环境条件、桥梁结构特点，对桥进行了耐久性设计，合适的施工技术措
施与严格的质量控制是结构耐久性保证的前提。

本文在解决了具体工程问题的同时，也为今后类似工程的桥面板耐久性设计提供了参考。

参考文献
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