公路混凝土桥梁耐久性研究

摘要：现今低标准、长期失养的道路和城市桥梁的结构性能指标已经大大降低，已经不能满足相应的设计荷载要求，甚至有些已经逐渐变成危桥，这些桥梁已经不能满足行车安全和顺畅的要求，我们必须采用新的技术方法对现役桥梁进行检测和加固，本文正是基于此，来对公路混凝土桥梁的耐久性进行探讨，以便为同行人士提供一些借鉴。
　　关键词：桥梁；耐久性；探讨
　　随着我国改革开放的深入和社会主义市场经济体制的建立，交通基础设施建设作为我国经济建设中重点投资建设的行业，正以前所未有的规模和速度向前发展，城乡一体化建设和交通运输事业的飞速发展，车辆载重量、车速和交通量都已经大大提高，在过去三四十年中所建的低标准、长期失养的公路和城市桥梁能否继续服役并安全运营，已经成为交通建设决策部门的一件大事。以前修建的大量低荷载标准公路桥梁已达到或接近设计年限，并且在风、雨、洪水、冰冻、温度、湿度变化等自然因素侵蚀下，甚至在地震、撞击和超载营运的严重损害下，许多桥梁的结构性能指标已经大大降低，已不能满足相应的设计荷载要求，甚至有些已逐渐变成危桥，这些桥梁已不能满足行车安全、顺畅的要求，更不能适应现代重交通发展的需要，因此，有必要采用新的技术方法对现役桥梁进行耐久性的研究。
　　一、桥梁的结构抗力衰减的形式
　　(一)钢筋锈蚀
　　梁体内受力筋的锈蚀将导致它的有效截面的减少，而钢筋的体积膨胀又将会导致混凝土的开裂或者表面混凝土的脱落，如果混凝土开裂后又将使原来处于混凝土保护下的钢筋暴露在空气中，并造成恶性循环的后果。导致钢筋锈蚀的两个主要的原因是混凝土碳化和离子侵蚀。
　　（二)混凝土开裂
　　桥梁结构中，梁体中混凝土的开裂是较为普遍的现象。混凝土的开裂，按它开裂的部位可将它分为：底板开裂、腹板开裂、梁顶等。按开裂的成因可分结构裂缝和非结构裂缝。
　　结构裂缝指混凝土所承受拉应变超过所允许的极限应变而出现的开裂；徐变、混凝土收缩和温差等都是非结构裂缝产生的现象。
　　二、现役桥梁加固改造方案的确定
　　（一）现役桥梁需加固的标准
　　旧桥加固与改造方法有很多种，不同类型的桥梁必须采用不同方法。首先我们要明白是，桥梁病害到什么程度，才需要进行加固；然后是加固时应具体采用什么方法。
　　（1）判定旧桥需加固的标准
　　凡是旧桥如有以下情况之一者，就必须对其进行加固和改造：
　　①承载能力不足。我们可以根据通行的车辆对旧桥的承载能力进行验算，如果不能满足强度要求，就必须对其进行加固处理。这里要遵从两种情况：重型车辆增加，原有的桥梁承载能力达不到，需要加固；整条路线上或者一条路段内桥梁的承载能力保持一致，对个别承载能力较小的桥梁，按目前的载重要求进行加固改造。
　　②经过鉴定后判断，桥梁的工作状态(应力)已经超过自身的极限状态，就需要进行加固处理。
　　③如果桥的宽度不够，就影响道路通行能力，需要进行拓宽、加固处理。
　　④桥梁结构局部以及整体刚度不足，并且影响了正常使用，为了提高桥梁的刚度，需要对其进行加固。
　　⑤通过特殊的重车，桥梁的承载能力已经不能满足要求自身的要求，需要临时对桥进行加固处理。
　　桥梁是交通的重要组成部分，其技术复杂、经济技术指标高，在确定加固之前，必须进行技术经济比较，做出科学的判断，明确桥梁加固方法。
　　对桥梁进行加固与改造，需要考虑很多因素，第一，根据桥梁现有技术状态、存在的病害、车辆通行的需要以及将来交通发展的趋势，对桥梁加固和改造技术的必要性和可能性做出判断。第二，对加固改造方案进行经济、技术比较，合理选择加固方案。
　　（2）桥梁加固与改造方案应遵循以下原则
　　①桥梁加固和改造后，无论承载能力、结构性能、耐久性方面都能达到和满足使用上的要求；
　　②桥梁加固以不改变原有的结构形式为原则，可以采用加大受力截面或者修复原来桥梁构件或者采用其他的技术措施来提高桥梁的承载力；
　　③要了解和判定桥梁下部结构的承载能力，是否满足加固后所增加桥梁的自重和荷载对基础的要求。如果基础或墩台的承载力不够或上部结构缺陷是因墩台和基础的沉降和位移所造成的，就必须先对下部结构进行加固处理。
　　（二）桥梁加固原理
　　荷载作用下，梁式桥梁结构是受弯结构，它主要承受来自荷载对结构所产生的弯矩作用，根据材料力学的基本原理，其计算公式为：受弯结构计算公式
　　（1-1）
　　式中：--荷载作用下，主梁所产生的拉(压)应力；
　　M--荷载对主梁所产生的弯矩；
　　W--主梁截面的几何抗弯弹性模量。
　　由式（1-1）可知，梁式桥梁的主梁受力由三个因素决定，即：荷载(活载、恒载)产生的内力(弯矩)、主梁截面面积决定的截面几何特性(几何抗弯弹性模量惯性矩、)以及主梁材料自身的强度。如果外界条件改变，比如车辆荷载增加、超重、超限等，就对桥梁引起的内力加大，超过主梁材料和结构强度允许的范围时，势必造成主梁受拉的部位开裂以及破损承载力下降，成为危桥。随着运营年限的增加，各种外界因素导致材料性能恶化、强度降低，也将造成原桥承载力下降、开裂、破损，最终成为旧危桥。
　　尽管目前梁式桥梁加固、提高承载力的方法和技术种类繁多，但基本原理却是相同的，归纳起来都是遵循力学的基本原理，从桥梁结构的外界因素和内在状况改变的角度进行加固补强，提高承载力。
　　三、从外因角度通过结构性能改变，提高主梁的承载力
　　（一）增大主梁截面面积
　　采用增加主筋、现浇混凝土、喷射混凝土、外包混凝土加大主梁的截面尺寸以及加厚桥面来增加辅助构件等加固方法，都是属于增加主梁截面的加固技术和方法。从式（1-1）可知，采用增大主梁截面的方法进行加固，其目的是增加主梁截面的几何抗弯模量或惯性矩，当荷载产生的内力(弯矩)不变或荷载等级提高时，可以通过改变截面面积的途径来减少主梁截面承受的拉力，使其不超过主梁材料性能的承受范围，即，以此达到加固主梁，进而提高承载能力的目的。
　　（二）增加主梁的强度
　　通过主梁采用环氧砂浆(胶浆)粘贴钢板(筋)、碳纤维布、环氧玻璃钢、芳纶纤维布等高强材料来增加主梁的强度，都属于加固方法和技术的范畴。从式（1-1）可知，采用增加主筋强度的技术，在主梁截面不变的前提下，当荷载等级增加或荷载等级不变时，增加主梁的强度，使荷载对主梁产生的拉应力小于补强材料的强度，即，从而达到加固主梁，提高主梁承载力的目的。
　　四、从内因角度通过调整内力提高主梁的承载力
　　加斜支撑，改变桥梁的跨径；改变原桥结构的体系，将简支梁体系改变为连续梁体系或通过外加预应力将主梁结构由弯曲结构变为压弯结构，通过这几种方法来减少原桥主梁承受的荷载内力，根据式（1-1）可知，从而减少主梁承受的拉应力，即，从而与上述的加固方法一样，同样可以达到加固主梁，进而提高承载能力的目的。
　　五、结论
　　综上所述，我们无论采取哪种加固方法和技术，无论通过外部条件来改变主梁的结构性能，还是通过结构体系的改变来调整主梁的内力，它的基本原理都是为了减少主梁的承受拉应力或者增强主梁的承受拉应力的能力，满足结构受力的需要，来提高原桥梁承载能力。
　　参考文献：
　　[1]赵彤，谢剑．碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M]．天津大学出版社．2000．10
　　[2]张继文，岳丽婕，吕志涛，顾明亮．混凝土梁侧面粘贴CFRP布的结构加固性能的试验研究[J]．东南大学学报．2002．5
　　[3]叶列平，崔卫，岳清瑞，胡孔国．碳纤维加固混凝土构件正截面受弯承载力分析[J]．建筑结构．2001．3
　 [4]邵容光．结构设计原理[M]．人民交通出版社．1987．6
　　[5]高本立．碳纤维片材加固混凝土构件正截面受弯承载力设计[J]．建筑结构．2002．10