浅析桥梁结构耐久性及抗震性设计

浅析桥梁结构耐久性及抗震性设计

摘要：桥梁结构的耐久性和抗震性设计研究已经成为桥梁结构设计中的一个主要方面，其可以加强桥梁建设的科学性和合理性、提高桥梁使用的安全性、延长桥梁的使用时间以及增加桥梁的负载能力。因此，对于桥梁建设事业而言，桥梁结构的相关设计技术研究有着极其重要的意义。

关键词：桥梁结构耐久性抗震性设计

一、桥梁结构可靠性研究的重要性

桥梁结构的可靠性主要包括桥梁的耐久性、安全性以及实用性，桥梁结构可靠性设计的主要目标是在已经知道桥梁结构承受外在负载的前提条件下，依据相关的可靠性指标，选择桥梁结构的各个几何参数，对桥梁结构进行详细的设计研究，从而使得设计完成的桥梁结构能够在预先规定的条件和时间内，其可靠度不低于给定的可靠性参数。

目前，在我国的桥梁结构设计过程中还存在着很多的问题，比如重视桥梁结构的强度而轻视耐久性以及重视桥梁结构的建造而轻视养护和检测，从而使得桥梁结构在安全性以及使用寿命方面都存在着一定的缺陷和隐患。最近几年来，由于部分桥梁结构出现了变形、开裂等部件损坏情况以及地震等自然灾害的产生，在我国已经发生了多次桥梁坍塌的事件，从而严重影响到了人们的人身安全和财产安全。因此，为了保证桥梁的安全使用以及延长桥梁的使用期限，就必须从设计中就重视桥梁的安全性和耐久性研究，在考虑桥梁结构的负载能力以及使用性能的基础上，减少桥梁可能产生的病害，并对各种可能的自然灾害做好预防设计，从而保证桥梁使用的安全性。

二、桥梁结构的耐久性设计技术研究

一般来说，桥梁使用的安全性受多个方面因素的影响，要保证桥梁结构的安全长久使用，就必须从质量、管理、养护以及加固和修复这四个方面来对桥梁结构进行建设。我国桥梁结构耐久性不足所产生的后果主要包括有：一是混凝土的开裂、侵蚀、渗透、磨损以及破碎等；二是钢筋的疲劳、脆化以及锈蚀等；三是混凝土与钢筋之间粘接部分的锚固作用削弱以及注浆不密实等。

2.1 结构耐久性设计的主要理论方法

目前，基于可靠度的结构设计方法在世界范围内已经成为了工程设计的主流方法，而耐久性作为桥梁结构可靠度的一个重要指标，其设计技术研究结果要应用于基本的实践，只有这样才能使得桥梁结构的设计人员和技术人员广泛接受和

掌握这些研究成果。因此，基于可靠度的桥梁结构耐久性设计方法必然会成为以后桥梁结构研究的重要方向和趋势。目前比较流行的几种建立桥梁结构耐久性的极限状态方程如下所示：

（1）基于环境指数评定法的耐久性设计方法

在该方法中，东京大学的罔村甫教授指出桥梁结构的耐久性设计研究应该全面考虑选材的质量、结构的构造以及施工的程序过程等多个方面。该方法对应的基本表示式为：

SP<=TP

在该式中，SP表示环境指数，而TP表示耐久性指数。

环境指数SP的计算表达式为SP=S0+ΔSP，其中，S0表示为在标准环境下的环境指数值，而ΔSP表示为在考虑了冻融和盐分等恶劣环境影响条件下的环境指数增长值。

耐久性指数TP是综合反映桥梁结构的设计施工过程中影响结构耐久性的各因素，其分别被赋予不同的值后再叠加。

（2）基于验算法的极限状态耐久性设计法

这种方法的设计原则是指在桥梁结构在试用期间内对环境作用的抵抗能力高于环境对桥梁结构的影响，即满足下式：

F<=R

在该式中，F表示环境对结构的影响，R则表示桥梁结构抵抗环境的能力。

（3）基于随机动态可靠度的耐久性设计方法

这种方法考虑了桥梁结构的负载和抵抗力的随机变化特性，其主要思想是计算在不同时刻t时的两个随机变量，即负载效应S（t）和抵抗效应R（t），然后以此来求出在时刻t时的功能函数Z（t），从而得到桥梁混凝土结构可靠度的动态变化。混凝土结构耐久性失效的功能随机过程可表示为：

Z（t）=R（t）-S（t）

2.2 提高桥梁结构耐久性的具体方案

一般来说，在桥梁结构的设计过程中，提高桥梁结构耐久性的具体方案主要包括有以下几种：

第一，提高保护层的厚度。桥梁结构中混凝土与钢筋之间粘力的主要保障就是保护层，此外，保护层也可以对钢筋起到一定的保护作用，其可以防止有害物质进入到混凝土内部对钢筋进行腐蚀。所以，桥梁结构的保护层越厚，钢筋就越有可能避免长时间的侵蚀，钢筋锈蚀的速度就越低，从而桥梁结构的使用就越耐久。

第二，选择高性能的材料。在桥梁表面的铺装过程中采用环氧沥青型混凝土，这样可以提高表面的密实度和耐磨性，从而提高桥梁表面的耐久性；选择环氧涂层型钢绞线和钢筋可以防止钢绞线和钢筋的长期腐蚀，从而提高钢筋和钢绞线的耐久性；对于处于水中的桥墩，选择抗渗性能比较好的硅酸盐水泥，提高水中桥墩的耐久性。此外，在混凝土的配合设计中，应该选择含碱量较低的水泥，避免将含有硫酸盐或者氧化镁的生石灰碎块或膨胀材料掺入到集料中。

第三，结构或部件的合理选型。在桥梁结构的设计中，应该选择箱型的断面，从而降低桥梁的震动疲劳，加强桥梁结构的总体刚度；部件断面的钢筋间距应该适当，保持混凝土粗细粒的均匀分布以及混凝土密度的均匀；混凝土外路面的棱角、边缘等应尽量保持圆弧形。

第四，重视防水层的设计。桥梁结构在设计时应该布置有抗渗的防水层，并且防水层与铺装层的沥青混凝土之间具有较好的相融性，使得这两者之间的粘力不小于铺装层沥青混凝土与桥面层水泥混凝土之间的粘力；同时，在铺装层的表面，也应该布置有防水层，从而避免水分渗入到桥梁内部；此外，还应该重视桥梁排水管的设计和构造。

三、桥梁结构的抗震性设计技术研究

地震的发生往往会对桥梁结构产生严重的破坏，因此基于抗震性的桥梁结构设计技术研究已经在桥梁设计过程中得到了广泛的关注。

在地震中，桥梁结构损坏的主要原因有以下几个方面：一是桥梁的支撑连接部件失效，使得桥梁的上部和下部结构脱开，从而导致桥梁主体坠落，支撑连接件失效的主要原因是在设计中低估了桥梁相邻跨之间的相对位移；二是桥梁的桥墩和桥台失效，如果桥墩不能抵抗桥梁上部结构带来的地震力，其就会开裂或断开，从而桥梁的上部结构也将遭受严重的损毁；三是桥梁周围的地基失效，如果桥梁下部结构周围的地基受到地震的影响而产生水平移动或者浮沉，则就会引起桥墩的毁坏，地基失效是不由人控制的，因此在桥梁结构的选址设计时，应该对选择的地形进行详细的考察。

针对以上产生的这些问题，目前采用的桥梁结构加固及抗震措施主要分为两个阶段，一是在方案设计阶段进行抗震概念设计，从而选择一个较优的抗震结构体系；二是在技术设计阶段做减震及隔震设计，从而增强桥梁结构的抗震性。。

第一，概念设计。由于地震的发生是不可预测的，并且桥梁结构的假定计算模型与实际情况之间存在着一定的差异，因此，仅仅依靠计算设计是不能控制桥