說說高速公路橋梁結構設計方式方法

2016-10-14  來自: 河南浩晟橋梁芯模有限公司

前言
  
  橋梁結構設計的任務就是以最經濟的途徑來滿足結構的功能要求,使得橋梁結構在施工和使用期間內能承受各種預期荷載作用。橋梁在建造和使用的過程之中,一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕,并要承受車輛、風、地震、疲勞、人為因素等等的外來作用,同時橋梁所采用的材料自身性能也會在不斷退化,從而會導致結構各部分的不同程度的損傷和劣化。大量病害實例同時也證明,除施工和材料方面原因以外,影響結構耐久性決定性因素的是設計上的缺陷。橋梁會出現安全性和耐久性差得現象,也有施工方面的問題,同時在橋梁設計的領域,特別是在關于橋梁施工和使用期安全性問題,還是有許多可以改進地方的。結構設計的首要任務是選擇經濟合理的結構方案,其次就是結構得分析與構件和連接設計,并取用規范規定安全系數或可靠性指標以保證結構安全性。
  
  一、滿足了結構混凝土的耐久性基本要求: 
  
  近些年來,不少的橋梁發生了倒塌嚴重事故,造成很多不該有的人間悲劇。通過調查的分析結果來表明,很多事故都是因為設計得不規范或施工過程不注意質量控制造成的。施工中出現的偷工減料、工程腐敗,設計中態度的不嚴謹,計算錯誤等等都是造成橋梁出現安全隱患的重要因素。目前,橋梁設計耐久性的設計,常常只是去作為一個參考的價值,而不是具體計算的出其應有安全的使用年限,更不會對橋梁的耐久性進行一系列的實驗研究。這種現象在一定程度上導致了橋梁事故發生頻繁、結構使用性能差、耐久性也差嚴重的后果,同時也背離了國際上對橋梁結構耐久性、安全性、適用性日益重視得發展趨勢。
  
  提高了混凝土自身耐久性主要取決于混凝土的材料組成,其中水灰比、水泥用量、強度等級均對耐久性有較大影響。《橋規JTGD62》中明確規定不同使用環境下,結構混凝土最基本的要求,對影響混凝土耐久性最大的水灰比、最小水泥用量、強度等級、最大的氯離子含量和堿含量做出限制規定,這是《橋規JTGD62))對公路是橋涵結構耐久性設計基本要求,設計時應該遵照去執行。 
  
  二、加大鋼筋混凝土的保護層厚度
  
  鋼筋混凝土是鋼筋與混凝土構成的一種復合型建筑材料,由鋼筋外邊緣到混凝土表面的最小距離稱為保護層厚度。鋼筋保護層的主要作用就是滿足了混凝土構件截面受力需要,保護鋼筋不會被銹蝕,保證了結構正常的使用。一般情況而言,只有保護層混凝土的碳化,鋼筋表層鈍化膜遭到破壞,鋼筋才會有可能銹蝕。鋼筋混凝土的保護層厚度會對結構使用的壽命、使用安全性有著直接的關系。國家現行規范對鋼筋混凝土受力鋼筋保護層厚度又提高了一級,這更加說明了受力鋼筋的保護層對結構使用得耐久性、安全性、抗腐性、抗碳化、抗火災等有重要作用。鋼筋混凝土的碳化深度與使用時間成正比。受碳化影響混凝土表面的強度、密實度降低,使水蒸汽或其他有的害氣體很容易侵入混凝土。當保護層完全碳化后,水蒸汽或者其他有害氣體就會直接侵蝕到鋼筋,鋼筋就會銹蝕,保護層越薄的話碳化所需時間表也會越短。鋼筋表面銹蝕繼而產生膨脹力(其膨脹力在混凝土體積中一般要增加2~4倍),銹蝕形成并向外脹力,拱裂混凝土的保護層,使氣體直接滲入,侵蝕受力鋼筋,影響了結構安全和使用壽命。因此,加大鋼筋混凝土的保護層厚度,是保護鋼筋免于銹蝕,提高混凝土的結構耐久性最重要措施之一。鑒于此,《橋規JTGD62》給出鋼筋最小的混凝土保護層的厚度,但其與國際上的較為通用設計規范相比較,還是有點差距的。設計時適當的加大鋼筋混凝土保護層厚度會對提高混凝土結構耐久性有著非常有益的。
  
  三、加強構造配筋
  
  混凝土結構任何損傷與破壞,一般都是首先在混凝土中出現的裂縫,裂縫是反映混凝土結構病害的晴雨表,反過來,裂縫存在會增加混凝土的滲透性,提供了使侵蝕破壞的作用逐步升級,混凝土耐久性在不斷下降的渠道。當混凝土開裂后,侵蝕的速度將會大大加快,形成導致混凝土結構耐久性的進一步退化的惡性循環。因此,防止和控制混凝土裂縫,對提高混凝土結構的耐久性是十分重要的。控制混凝土的裂縫,除按規范要求控制正常使用極限狀態的工作裂縫以外,更重要的是要采取構造措施,控制混凝土施工及使用的過程中大量出現非工作的裂縫。《橋規JTGD62》突出強調了加強水平防縮鋼筋和箍筋在控制裂縫中的作用,提高了水平防收縮鋼筋的配筋率和箍筋間距的規定,其指標都要比老橋規有所提高,這是為防止和控制收縮裂縫的重要構造措施。
  
  四、提高后張法預應力的鋼筋管道壓漿質量
  
  后張法預應力鋼筋管道壓漿質量是影響預應力混凝土粱耐久性的關鍵因素之一。《橋規JTGD62》規定,預應力鋼筋管道壓漿用的水泥漿抗壓強度不得低于30MPa,其水灰比為0.4~0.5,為減少收縮,還可通過試驗摻入適量膨脹劑《混凝土結構耐久性設計與施工指南》CCESO1—2004認為,預應力鋼筋的銹蝕會導致結構的突然破壞,事先不易發現,在耐久性設計中必須要特別的重視,并采用多重防護的手段。對此,對于可能遭受氯鹽侵蝕的預應力混凝土結構,預應力筋、錨具、連接器等等鋼材組件的應采用環氧涂層或者涂鋅,后張預應力體系管道必須具有良好的密封性能,不能使用金屬的螺旋管,宜采用有良好密封性能的高密度塑料波形管。同時,管道的灌漿材料和灌漿的方法要事先通過試驗來驗證,盡可能降低漿體硬化后所形成的氣孔,并采用真空灌,必要時還是可以在灌漿材料中摻入適量的阻銹劑。
  
  五、在結構局部使用的防腐材料
  
  目前,我國大量的修建L=l6~25m的多跨現澆連續鋼筋混凝土箱梁結構的橋梁,由于普通鋼筋混凝土結構是一種必然地帶裂縫工作的結構,因而在負彎矩區總是會出現負彎矩的裂縫,鑒于負彎矩區裂縫是一種向上開口的“v”。形裂縫,橋面水容易滲入,遭受長期浸蝕后,負彎矩鋼筋的銹蝕問題是應予以重視的問題。近年來,由國外引進環氧樹脂涂層鋼筋已在國內進行生產,應用于一般的鋼筋混凝土負彎矩區鋼筋中,這對保證結構耐久性無疑是一個很好的事情。再如,英、美等國調查均發現錨頭區有鋼絲銹蝕的問題,甚至也發生過橋梁得倒塌事故,因而張拉結束以后應用環氧樹脂砂漿封堵錨頭就可有效防銹。
  
  六、加強橋面鋪裝層防水設計
  
  橋面滲水排除和防滲漏的問題,都將涉及到橋梁的耐久性問題。橋面鋪裝防水層會對橋面的防護有著重要作用,必需精心的設計與施工。橋面鋪裝層應采用密實性較好的C30以上等級的混凝土,混凝土的鋪裝層內應該設置鋼筋網,防止混凝土開裂。應采用復合纖維混凝土和在混凝土中摻入得水泥基滲透結晶材料(賽柏斯),都能收到較好防水的效果。橋面鋪裝層頂面應該設置防水層,特別是連續粱(或懸臂粱)的負彎矩段更應十分重視防水層設計。此外,還需要加強泄水管的設計,應特別注意在泄水管周邊構造的細節處,加強伸縮縫處排水的設計,防止水分會從伸縮縫處滲入粱內。高速公路橋面鋪裝的早期破損以及板梁鉸縫漏水現象,會引起人們對橋面防水層施工的工藝、材料關注。選擇合適的防水層型式不僅僅能會起到良好的防水效果,保證橋梁的主體結構安全,還能延長橋面鋪裝使用的壽命和降低造價成本。優良的橋面防水層應該具有如下的特性:1、與橋面砼有著良好粘結性,不起皮,不脫落。
  
  2、與瀝青混凝土的橋面鋪裝能粘結成一個整體。
  
  3、不透水、抗刺破,有一定抗拉強度和延性的適應變形。 
  
  4、對橋面的砼表面質量并無特殊要求,施工方便易行。
  
  七、結束語 
  
  綜上所述,安全性不足是橋梁結構設計迫切需要解決的問題。研究發現,引起混凝土結構的耐久性失效原因存在于結構設計、施工以及維修的各個環節中。公路的橋梁結構的設計方式方法,其不僅僅考慮到設計參數中的設計向量、目標的函數和約束函數隨機性、模糊性和未確知性等等,以及材料和施工的質量不確定性,使得設計人員在設計時利用橋梁結構的目標可靠度或失效概率,來描述出更為科學和定量的安全可靠的程度,實現安全、適用、耐久的設計要求;另外其還考慮到不同功能的失效概率和失效損失造成的失效損失期望、結構運行和維修費用等等在內經濟的指標,來考慮如何以的造價實現最佳的經濟效益,實現經濟、合理和美觀設計的要求。
  
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