桥梁结构设计中的耐久性设计

桥梁结构设计中的耐久性设计
摘要：桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，在交通网络中的作用不言而喻。

在桥梁设计的过程中，其建筑设计的耐久性往往无法得到有效保证，严重制约了
桥梁的正常使用。

本文就此展开了深入研究。

关键词：桥梁；结构设计；耐久性
前言
伴随着我国经济的快速发展，我国交通事业呈现突飞猛进的态势。

从行业数据调查分析
得知，我国交通基础设施工程在施工过程中，仍然存在较大质量缺陷。

桥梁作为交通基础设
施的重要组成部分，其在交通网络中的作用不言而喻。

在桥梁设计过程中，其架构设计的长
久性往往无法得到有效保障，从而严重制约着桥梁的正常使用。

1关于耐久性定义的讨论
本文认为结构耐久性可以从两个层次界定：
在最普遍的意义上，为了认识其本质，结构的耐久性就是指其维持初始性能（包括安全性、
适用性及美观）的能力；
从专业研究及便于量化的角度，结构的耐久性可更具体的定义为：结构在外界环境及其
他因素（设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事件不应过多考虑）共同作用下，在同样
（或等效的）的建设和运营维护总成本（寿命周期总成本）下，在设计使用寿命期内，保持
预期的安全性、适用性的能力。

即耐久性的内涵应包括耐久的长寿命及经济的耐久。

该提法有以下考虑：耐久性的核心是结构的寿命问题；避免了较模糊的因素，例如关于
正常维护条件以及正常维护费用的定义；耐久性的优劣不可避免地要涉及到经济性的问题，
只有以考虑了建设成本、维护管理成本的桥梁全寿命经济性最优作为控制条件才可以对耐久
性做出全面、公正的评价。

运用该提法可以方便地进行耐久性的比较和评价，当明确了使用
条件（外界环境及其他因素）和总体成本，可以通过计算其实际使用寿命来评估一个具体结
构的耐久性能否满足使用寿命的要求；当明确了使用条件和使用寿命，则可以通过计算总体
成本来评估不同耐久性设计方案的优劣。

2提高市政桥梁设计耐久性的策略
2.1总体设计
增加耐久性设计是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
高设计质量具有重大的指导意义。

以下以某大桥的施工图设计为例来阐述结构性耐久设计。

桥梁结构的总体设计，应主要考虑以下几点：
2.1.1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。

例如，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。

2.1.2桥梁病害分析是全寿命管理中的一个必要环节。

人为因素也是一个必须考虑的因素，例如，一个工人不小心丢了一颗烟头，很可能这个小病害引起一场大火，导致桥梁结构的破坏。

病害分析之后，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，应经济合理地满足使用功能要求，在偶然事件发生时及发生后，能保持必要的结构稳定性和耐久性。

2.1.3运用可靠性修正理论，通过现场数据（如标准车辆下的位移、应变、应力等）的测定，修正、推断出当前阶段的可靠度指标。

对于判断结构是否达到使用寿命，具有重要的意义。

一般，我们认为可靠性指标β为 3 及以上的结构是可靠的，基于本桥梁的重要性，按可
靠性指标为 4 进行设计（实际结构可能达到 5～6 左右）。

分析可靠性修正后的结果，如可靠
性指标β 降为 3 或以下，则需要进行维护，否则可以不用维护、继续使用。

这样就为是否需
要维护提供了一个定量的指标，避免了不必要的维修经费。

相应的经费，可以投入到桥梁系
统中更有需要的维护中，从而在固定数量的维护经费下，进行系统调配，从而保证整个路桥
系统的正常运转。

2.1.4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。

如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起结构的脆性断裂。

由
于本工程的设计基准期为 120 年，比较长，结构设计必须验算其疲劳性能指标。

事实上，国
内外调查结果表明，有些桥梁破坏是在较低荷载，低温下突然脆性断裂的。

冲击试验结果说
明大多数钢材在正常使用温度下是脆性的，因此本工程必须选用韧性较好、变异系数较小
（如产自同一钢厂、同一批成品、同样存储条件等）的高性能钢材。

2.2结构设计
2.2.1混凝土
根据本项目的环境类别和工程安全等级，采取综合控制混凝土的最低强度等级、最大水
胶比和在限定范围内选择混凝土原材料的品种、用量和质量；预应力混凝土构件主桥按全预
应力构件进行设计、引桥按A类构件设计，适当控制结构应力水平，避免结构性裂缝的产生；严格控制预应力管道的内径，重视灌浆工艺对结构的耐久性方面的影响，确保管道灌浆的饱
满度、握裹度，管道的内径应比预应力钢筋的外径至少大1cm；钢筋混凝土结构通过限制最
低配筋率，优化截面尺寸、适当提高钢筋保护层厚度等措施限制裂缝宽度。

在结构受力及构
造布置允许的情况下适当增加混凝土保护层厚度；施工时，要求采取提高混凝土密实度的措施：要求混凝土振捣要到位，避免出现蜂窝、孔洞；渗入优质粉煤灰，改变混凝土内部孔隙
结构，提高混凝土密实度，控制混凝土有害裂缝；为了封闭由于混凝土收缩产生的表面的空隙，增强混凝土外表面的抗水性、抗腐蚀性，增强结构的使用寿命，同时增加桥梁结构外侧
的美观，在桥塔、桥墩、承台、外露部分外表面漆上外保护涂料。

2.2.2普通钢筋及预应力钢筋
严格控制混凝土氯离子含量；按规范要求设置足够的保护层厚度，要求增加第三方的超
声波检测等措施来保证施工质量，确保各方提高对保护层厚度的重视及采取相应的强化措施；钢筋现场保管防腐；施工时采取有效的施工缝处理措施及灌浆工艺。

2.2.3斜拉索防腐
采用目前防腐、耐老化工艺较为成熟的知名厂商的商品索、商品锚具，设计要求商品索、锚具的防腐年限不低于（GB）规范要求。

2.2.4其他措施
对易损构件，应考虑构件的可更换性。

合理设置、安装桥梁伸缩缝与支座，尽量选用耐
久性好的桥梁构件，并考虑养护和更换的空间，做到每个部位“可到达、可检查、可维修”；
针对本工程，编制施工工艺及验收标准，加强工程质量管理，从施工质量上严格把关，把不
合格产品消除在原始状态；建立桥梁健康监测系统，加强桥梁结构的养护设施设计，并制定
桥梁养护维修手册，明确各部位的养护方法及重点。

结束语
在具体的工程操作中，要不断总结经验和教训，借鉴其他先进的设计理念和具体方案。

作为设计一线的设计人员应认真综合之前的设计理念，并结合当地的具体实际情况，认真实
践总结经验，制定科学、合理的桥梁设计方案。

参考文献
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