影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的細部設計
2010-11-26
隨著全國各等級公路的蓬勃發(fā)展和橋梁分析技術的不斷提升，大跨徑、新結(jié)構(gòu)橋梁層出不窮，公路橋梁設計也進入一個鼎盛時期。在橋梁設計中，各家設計院都非常重視結(jié)構(gòu)分析，采用靜態(tài)分析、動態(tài)分析、整體分析、局部分析，多種分析手段相互校核補充，設計質(zhì)量大大提高。但是與此同時，在設計中也出現(xiàn)了很多細部設計的盲區(qū)。由于國內(nèi)耐久性設計還沒有得到足夠的重視，對于橋梁的細部設計不夠重視不夠細致，從而導致相當一部分橋梁并不是因為整體結(jié)構(gòu)安全不足出現(xiàn)問題，而是因為細部設計不到位而引起了局部構(gòu)件損壞，進而大大降低了整體結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。
細節(jié)決定成敗，橋梁是公路的安全重點，橋梁細部設計的安全性不容忽視，本文針對這些影響安全和耐久性而又容易被忽視的細部設計進行一些研究和探討。
1 .上部結(jié)構(gòu)細部設計
1.1 橋面鋪裝
橋面鋪裝是橋梁與車輛直接接觸的部件，也是橋面排水的第一道防線。橋面鋪裝一方面承受著汽車的沖擊碾壓剪切作用，另一方面又承受著主梁傳遞的反復應力和撓變，經(jīng)常出現(xiàn)早期損壞，進而破壞橋面防水系統(tǒng)，最終導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，影響了整個結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。
在設計中常通過增厚鋪裝厚度和加強鋪裝鋼筋來解決這一問題，這樣也確實增強了鋪裝受力性能。其實問題的另一個重要原因在于橋面鋪裝難以承受反復變形而形成疲勞破環(huán)，與主梁結(jié)合不好而不能協(xié)同主梁共同承擔應力。因此相應的設計思路是，改善橋面鋪裝的抗疲勞性能，增強橋梁鋪裝與主梁的結(jié)合方式。在設計中可以從以下幾個方面來進行相應的改善，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，減少開裂；在預制板頂增設抗剪連接鋼筋，可以有效保證橋面鋪裝整體化混凝土與預制板緊密結(jié)合，同時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。不少設計中僅單一采用防水混凝土進行防水。由于防水混凝土屬于剛性防水層，一旦開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?，可以有效阻斷橋面裂隙滲下的水，另一方面還可以加強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置一個泄水管?？墒菍嶋H當中，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，從而導致橋面積水無法及時排放，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)徑應大于15 cm，既可加快排水進程，又可便于后期養(yǎng)護清堵，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，一般在設計當中均要進行整體分析和局部分析，重視程度很高，從理論計算角度均能滿足規(guī)范要求?？墒窃趯嶋H運營當中，主梁（主要是箱梁）箱體內(nèi)長期大量積水的現(xiàn)象時有發(fā)生，甚至積水灌滿箱體的情況也有發(fā)生，極大地損傷了主梁的預應力鋼筋和普通鋼筋，使得主梁安全性大大下降。究其原因，很大程度上是對于主梁細節(jié)設計的不到位，主梁排水構(gòu)造設置不夠完善，橋面積水在長時間不能排出橋外時便通過梁頂裂隙進入箱體，進而在箱體內(nèi)不斷積累，最終形成箱體內(nèi)積水。對于箱內(nèi)水，必須要設置排氣孔，一方面可以使得箱體內(nèi)外氣溫相近，減小局部溫差效應引起的局部應力，另一方面還可以排出施工及運營過程中產(chǎn)生的積水。對于箱外水，建議對于主梁懸臂端設置滴水槽，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計中應該特別重視的問題。對于受力復雜的主梁，承受多個方向的應力，所以通常設計有三向預應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，調(diào)整了主要鋼筋位置，就會降低主要應力方向的安全儲備，存在安全隱患。因此，在設計中須根據(jù)具體應力情況，對主要鋼筋空間位置進行統(tǒng)籌考慮，避免主筋打架。還要在相應鋼筋圖中，具體說明鋼筋避讓的先后順序，以避免施工中誤操作。
主梁應力集中、局部承壓區(qū)域，主要通過主筋來進行抵抗承受。但是由于配筋方向和間距的局限性導致剩余應力通過混凝土釋放，進而表現(xiàn)為相應區(qū)域混凝土的開裂。這部分應力通過計算很難算準，有必要在主筋設計的基礎上，增加一些細節(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，加強鉸縫鋼筋來強化鉸縫。這樣做固然是有效的，其實對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裂，保證空心板處于整體受力狀態(tài)，有效加強鉸縫內(nèi)骨架筋，使鉸縫砼整體性加強，改善橫向分布性能。
1.6 保護層厚度
橋梁上部結(jié)構(gòu)一般多為兩種，特殊結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部通用圖或自行開發(fā)設計，普通結(jié)構(gòu)多采用通用圖設計。對于特殊結(jié)構(gòu)，一般設計中都能對保護層進行特殊考慮。對于普通橋梁結(jié)構(gòu)，考慮到施工和設計的便利，一般直接采用通用圖設計，這樣做通常也是合理的。但對于一些特殊環(huán)境，如對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)，通用圖的保護層厚度就不能盲目套用了，需要特殊加以考慮并進行相應的加大修改，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。保護層的厚度應參照《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術規(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。由于對主梁收縮徐變考慮不足，經(jīng)常出現(xiàn)的問題是型號選擇不當，導致梁端或在最高溫度時擠壓損壞，或在最低溫度時拉壞梁體。因此在設計中必須控制每聯(lián)長度，根據(jù)不同地區(qū)的氣溫條件合理進行選用，不可千篇一律，并且伸縮量應適當有所富余。
伸縮縫主要承受車輛的反復沖擊作用，屬于易損構(gòu)件。對于槽口混凝土應采用鋼纖維混凝土以抵抗疲勞損壞。對于伸縮縫鋼板，建議采用進口伸縮縫，其力學性能質(zhì)量和耐久性均明顯比國產(chǎn)伸縮縫要好，常見的有毛勒伸縮縫。
伸縮縫在保證梁體縱向伸縮的同時，也應重視防水設計。在很多設計中，采用直線式伸縮縫，這樣做固然設計比較方便，但在橋梁兩端的護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，使得整個伸縮縫形成一個閉合良好的U型槽，可以有效避免橋面積水沿伸縮縫這個排水薄弱環(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，然后就需要進行更換。在以往的設計中對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，更換時十分困難甚至無法更換，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，帶來了下部結(jié)構(gòu)的安全隱患。因此，在設計中應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)脫空的問題，導致支座分力不均，受力大的支座早期損壞，進而使得主梁所受支反力分布不均，主梁局部應力增大，進而引起局部損壞。從設計角度看，支座脫空的問題主要是兩方面的原因，一是四角墊塊高度計算錯誤，墊石頂面不平；二是設計過于復雜，每片主梁兩端對應的墊塊和墊石的四角高度均各不相同，這種設計理論上固然可行，但在實際實施中大大增加了施工的難度，施工時很容易出錯，最終導致支座脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。建議在超高緩和段落橋梁設計中，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各梁現(xiàn)澆部分進行調(diào)整，簡化墊塊墊石的施工設置難度，保證支座在運營中能夠處于正常受力狀態(tài)。
2 .下部結(jié)構(gòu)的細部設計
2.1 分聯(lián)墩蓋梁
分聯(lián)墩處由于上部結(jié)構(gòu)設置伸縮縫，橋面水經(jīng)常通過伸縮縫薄弱環(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)墩蓋梁頂面應該設置橫坡以便排走橋面流下的水，并且要在蓋梁保護層厚度方面重點考慮防腐蝕要求。另外，為了防止腐蝕性鹽水順墩身流下，避免對墩身和樁基產(chǎn)生不利的影響，設計中可在蓋梁挑檐上設置滴水槽。
2.2 樁頂
橋梁樁基安全直接決定著橋梁的整體安全，是橋梁設計的重中之重。樁基頂部與承臺或墩身相連，受截面突變的影響，屬于應力集中的部位。橋梁樁頂一般設計于地面線附近，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計中必須要根據(jù)樁頂處的水位情況、土質(zhì)情況合理判定環(huán)境等級，選擇相應的耐久性設計標準，最終確定保護層厚度。
3.橋梁施工工藝的細部設計
在設計中，由于對橋梁的施工工藝不夠重視，很多施工重點未被提及、或強調(diào)的不到位。其實很多細部設計正是通過施工工藝說明來體現(xiàn)的，在設計中一定要重點強調(diào)，以便引起業(yè)主、監(jiān)理和施工單位足夠的重視，最終才能認真落實到施工當中。
在混凝土材料方面，對于耐久性影響較大的主要有混凝土的最低強度等級、水灰比、最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量等，需要在橋梁說明中根據(jù)環(huán)境作用等級做出量化的要求，便于施工操作。
在施工工藝方面，重點要對混凝土的養(yǎng)護最短工期、混凝土的振搗方式、混凝土保護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，橋梁設計也要建立便于施工、使施工通過努力達到設計要求的新理念，不可一味求大、求新、求異，遠遠超越了實際施工能力和經(jīng)驗，反而使施工質(zhì)量明顯下降。
4.小結(jié)
通過前面各部分的介紹，我們對于常規(guī)設計中一些容易被忽視而又影響結(jié)構(gòu)安全的細部設計有了一定的認識。只要能夠有足夠的重視，采取一些必要的措施，完全可以把這些細節(jié)問題通過代價并不高的方式加以解決。對于橋梁設計，我們有必要從傳統(tǒng)的強度設計逐漸過渡發(fā)展到強度和耐久性雙控的設計理念上來，真正落實科學發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展的總體建設理念。
