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路桥工程论文

论文摘要：

现代桥梁设计技术的发展，使得众多国家对加大对桥梁结构设计理论方面的研究。

通过简要说明桥梁设计的注意事项。

对现代桥梁结构设计的理论和设计中常见的问题做简单探讨及实践中混凝土桥梁裂缝的分类及成因，提出混凝土桥梁裂缝的几种修补方法，包括表面封闭修补法、压力灌浆法、黏贴钢板施工法等。

 基于震害现象和有关实验与理论研究，结合能力抗震设计的思想，按照我国公路桥梁的特点，探讨影响极限强的因素，并提出抗震设计的方法，具有重要的论意义和工程应用价值。

论文关键词：

桥梁设计 混凝土桥梁裂缝抗震 

一、桥梁结构设计

目前国内的桥梁结构设计普遍有这样的倾向：

设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。

实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设计。

这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性的要求。

1.1我国桥梁现状

总体来讲我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。

结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。

许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。

1.2桥梁设计注意事项

一、应该更加重视结构的耐久性问题。

国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究，也取得了不少成果。

这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。

而且，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。

结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。

国内外的研究和实践都表明，结构耐久性对于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。

二、重视对疲劳损伤的研究。

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。

 由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。

如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。

早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的，故而对疲劳损伤的研究需要引起足够的重视。

三、充分重视桥梁的超载问题。

桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。

超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。

另一方面，由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。

因此需要对超载带来的后果进行研究、分析。

四、积极借鉴国外的经验和成果。

国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差、耐久性和安全性差（包括使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等）。

这些问题的产生固然与目前国内施工质量和管理水平较低有关，但平心而论，既然这种现状不能在短期内得到解决，那么作为工程设计人员就应该在正视这一问题的前提，充分考虑到现阶段的施工和管理水平和材料工艺水平，采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁使用性能的达到，这才是更为主动和有效的方法。

特别是桥梁存在的耐久性和安全性问题很多与结构体系或使用材料选择不合理及结构细节处理不当有关。

在欧洲国家，非常重视对结构物进行性能设计（即PBD， Performance Based Design），内容包括结构的变形、裂缝、振动、强健性、美观、耐久性能、疲劳性等。

PBD研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外，尚应有良好的使用性能（包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等）。

就其本质而言，欧洲国家的PBD理论，主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能，分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律，寻求新的结构设计理念和方法。

1.3可以深入研究方向

一、结构系统的可靠度分析。

对于结构系统可靠度分析的非常复杂的研究课题，许多学者对此从不同角度进行了研究，提出了一些概念和方法。

如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合情况下的计算方法问题；利用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同，计算系统可靠度并进行结构设计的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等，同时，一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。

总之，系统可靠度分析研究内容丰富，难度较大。

二、人为差错的分析。

许多结构的失效并非由荷载、强度的不确定性造成，而往往是设计、施工、使用等环节中人为差错造成的，这方面事例很多，已成为目前研究热点之一。

三、在役结构的可靠性评估与维修决策问题。

对在役建筑结构的可靠性评估与维修决策正成为建筑结构学的边缘学科，它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论，而且，与施工技术、检验手段、建筑物的维修使用状况等有密切的关系。

同时，经典的结构可靠性理论，在在役结构的可靠性评估中也必将得到相应的发展。

四、模糊随机可靠度的研究。

模糊随机可靠度理论研究是工程结构广义可靠度理论研究的重要内容，随着模糊数学理论与方法的完善，模糊随机可靠度理论也必将进一步完善和发展。

二、混凝土桥梁裂缝的成因及治理措施

2.1混凝土桥梁裂缝及成因

根据裂缝形成的原因，可将其分为两大类。

一般把由于设计、施工、选材不当，或结构所受荷载超过了设计荷载以及未预料到的事故等原因所造成的裂缝称为结构裂缝。

除上述以外的原因引起的裂缝称为非结构裂缝。

一、结构裂缝的主要形式及其产生的原因 

1．网状裂缝的特点及产生原因。

此种裂纹多出现于腹板上，属表面龟裂，无固定规律，其深度不致触及钢筋，宽度很小（0.01～0.05mm），宽度在0.05mm时，肉眼可见，以手触之有凸起之感。

产生的原因主要是由混凝土梁表面与内部收缩不均匀引起。

2．下翼缘受拉区裂缝的特点及产生原因。

裂缝在跨中分布较密（间距约占0.1～0.2m），两端逐渐减少，裂缝方向大致与主筋垂直，由下翼缘向上发展，至下梗肋即终止且宽度较细，一般在0.03～0.1mm之间；在动载作用下一般变化不大，经过较长时间运营已趋稳定。

产生的原因：

由于混凝土抗拉能力很低，梁受力产生挠曲变形所至。

3．横隔板处竖向裂缝特点及产生原因。

在梁端及腹板断面的梁上均有发生，由棱角边缘向上延伸；宽度0.2～0.3mm。

产生的原因：

由于偏载、扭转（支座不平）等两片梁受力不匀；竖直剪力及腹板厚度剧变处应力集中等。

二、非结构裂缝的主要形式及其产生的原因 

1．沉陷裂缝的特点及产生原因。

混凝土完全硬化前，其中的固体颗粒要缓慢下沉，并排出内含的气和水。

此时结构物中的钢筋、预埋件、粗骨料以及模型板都有可能阻碍混凝土的沉陷，从而沿钢筋、预埋件和模型板边缘出现短而粗的断续裂缝。

2．塑性收缩裂缝的特点及产生原因。

混凝土浇筑完成后，如果表面水分的蒸发速度超过内部水分上升到表面的速度，在混凝土表面就会出现均匀分布的、细的、相当直的塑性收缩裂缝。

只要在施工中采取相应的措施，就能减少以至消灭以上两种裂缝。

3．收缩裂缝的特点及产生原因。

这种裂缝在形成之初通常是很细的，宽度一般不会超过0.05mm。

随着混凝土的干缩，裂缝会逐渐加宽，直到几个月后才趋于稳定。

要避免这种裂缝是比较困难的。

如果混凝土配比不当，局部灰浆集中或水灰比过大，造成混凝土不均匀收缩，也会局部产生大量收缩裂缝，这种裂缝应当避免。

（三）混凝土梁产生裂缝的主要原因 

1．与材料有关的原因。

水泥凝结时间不正常，水泥水化热过大，水泥膨胀量过大，使用活性骨料，骨料风化或含泥量大，混凝土干燥收缩，混凝土沉降收缩或滤水过多。

2．与施工有关的原因。

拌和不均匀，搅拌时间过长，浇灌速度过快，振捣不充分，接缝处理不当，保护层厚度不够或钢筋被扰动，模板漏浆，支撑下沉，拆模过早，初期受冻，初期养护不够，硬化前受振动或加荷，预应力混凝土过早张拉或超张拉，养护混凝土时内外温差过大。

3．与使用环境有关的原因。

环境温差与湿度变化过大，钢筋锈蚀、环境水的侵蚀作用，火灾或表面过热，冻胀或反复冻融作用，混凝土表面炭化。

2.2混凝土桥梁的修补方法

一、表面封闭修补法 

1．表面涂抹。

通常是在混凝土表面沿宽度较小的裂缝涂抹树脂保护膜，在裂缝宽度有可能变动时，可采用具有跟踪性的焦油环氧树脂等材料。

在裂缝多而且密集或者混凝土老化、砂浆离析的结构物上也可大面积涂抹保护膜。

2．“V”形或“U”形槽口充填修补。

在只用上述表面涂抹处理不能充分修补的场合，可采用如下方法：

在混凝土表面沿裂缝凿出“V”形或“U”形槽口，然后用树脂砂浆充填修补。

填补前要用钢丝刷清除凿后已浮动的混凝土碎片，必要时可先上底层涂料然后填塞树脂砂浆。

3．凿深槽嵌补。

先沿裂缝凿一条深槽，槽形根据裂缝位置和填补材料而定，然后在槽内嵌补各种黏结材料，如环氧砂浆、沥青、甲凝等。

4．表面喷浆。

喷浆修补是在经凿毛处理的裂缝表面，喷射一层密实而且强度高的水泥砂浆保护层来封闭裂缝的一种修补方法。

根据裂缝的部位、性质和修补要求与条件，可采用无筋素喷浆，或挂网喷浆结合凿槽嵌补等修补方法。

二、压力灌浆法 

先将结构物的裂缝或孔隙与外界封闭仅留出进浆口及排气孔，然后将配制的较低黏度的浆液通过压浆泵以一定的压力将浆液压入缝隙内并使其扩散、胶凝固化，以达到恢复整体性、强度、耐久性及抗渗性的目的。

1．水泥灌浆修补法。

实施灌浆前应对修补部位裂缝再仔细检查一遍，以确定修补数量、范围、钻孔眼位置及浆液数量。

灌浆一般采用不低于42.5级的普通水泥，灌浆压力一般为4.05×105～6.08×105Pa，浆液浓度一般不小于1.6:

1（水与水泥的重量比）。

灌浆加压设备，在工程量较大时宜采用灌浆机、灌（压）桨泵，也可采用风泵加压。

工程量不大时可用手压泵施工，工程量特小时，可采用类似打气筒等工具改制成的注射器施工。

　　2．化学灌浆法。

灌浆材料应具备黏结强度高、可灌性好等基本要求，一般常采用环氧和甲凝两类材料。

环氧灌浆是以环氧树脂为主体，它的黏结力强、稳定性好、收缩小、耐腐蚀及机械强度高，裂缝宽度在0.1mm以上时采用环氧灌浆。

甲凝灌浆是以甲基丙烯酸甲酷为主体，它具有黏度低可灌性好、抗拉强度高等特点，常用于修补裂缝宽度在0.1mm以下的细裂缝。

灌浆一般采用纯压法灌浆。

对于细小裂缝浆液需要较长的胶凝时间，常采用单液法灌浆。

此时将所用的浆液在泵前混在一起，用灌浆机进行灌注。

对于较宽的裂缝，要求浆液胶凝时间较短，常采用双液法灌浆，此时将所用的浆分成两大部分，用灌浆机分两路送至灌浆孔口混合装置再灌入裂缝。

灌浆可采用单孔或群孔同时灌浆，但必须留有一定数量的排气孔。

当在长裂缝上同时布有几个灌浆孔时，可按裂缝的深浅由下而上的顺序进行灌浆。

当用灌浆泵进行灌桨时，压力一般由小至大逐步升高，达到设计压力后，再保持压力稳定，直至灌浆达到一定要求（吸浆率小于0.01以min时再延缓几分钟）再将阻塞器上的进浆管阀门关闭，以使裂缝内浆液在受压状态下胶凝固结。

灌浆完毕待浆液聚合固化后，即可将灌浆嘴一一拆除，并用环氧胶泥抹平。

最后对每一道裂缝表面再刷一层环氧树脂水泥浆，确保封闭严实，并使其颜色与混凝土结构尽量保持一致。

（三）黏贴钢板施工法 

黏贴钢板施工法是将整个钢板黏贴于待修补的裂缝位置上，使其与原有的混凝土成为整体，从而提高对荷载的抵抗力。

用于黏贴的钢板厚度一般为4.5～6mm，而混凝土与钢板的黏结剂一般采用环氧基液黏结剂。

1．注入法黏贴钢板。

这种方法是在混凝土表面与钢板之间加垫块等使两者之间保持一定空隙，并用环氧树脂胶泥封闭四周，而后从注入口注入环氧树脂，同时排出空隙中的空气。

由于是从一方注入因而容易残留气泡，施工时一般用木锤随时敲打钢板来确定是否灌实。

这种施工法虽然费时，但即使混凝土表面不平整也可进行施工。

2．压黏法黏贴钢板。

这种施工方法是在混凝土表面及钢板表面各涂上1～2 mm厚的环氧树脂，然后利用已固定在混凝土中的锚杆把钢板压紧在混凝土面上，随着环氧树脂被挤出，黏贴面之间的空气也被排出。

用这种方法几乎不会残留气泡，黏结效果也好。

三、桥梁节点部位的抗震

在桥梁结构中，节点构造形式与房屋框架结构中的节点相差较大，而且桥梁结构在横向地震作用下主要依靠墩柱的延性发生变形，而不是依靠盖梁的延性，因而不能套用房屋框架结构节点抗震设计。

但是毫无疑问的是，桥梁节点部位属于能力保护构件，在地震作用下需要保持较高的强度和刚度。

本文结合我国公路桥梁的特点，对影响极限强的因素做出了探讨，具有重要的论意义和工程应用价值。

3.1我国桥梁节点受力特点

点的受力机理受到多种因素的影响，包括:

混凝土强度，钢筋屈服强度，核心区内箍筋的构造以及梁柱主筋的锚固状况等。

在正常配筋的情况下，节点核心的受力过程，一般经历以下四个阶段:

（一）初裂 

　　当加载使核心区出现第一条斜裂缝时，称为核心区初裂阶段。

此时箍筋应力水平很低，节点可认为处于弹性工作阶段，节点剪力主要由混凝土承担。

（二）通裂 

初裂后继续增加荷载，节点核心区中部陆续出现第二条、第三条斜裂缝，将核心区分割成若干小块，然后逐渐形成贯通节点核心对角线的主斜裂缝。

通裂时节点内箍筋应力很快增加至屈服应力，节点进入弹塑性阶段，刚度明显降低。

试验显示，通裂时的承载能力约为极限承载能力的80%左右。

（三）极限 

通裂后外荷载还可以继续增加，核心区裂缝宽度越来越宽，结构变形明显加大，核心区剪切变形成倍增长。

混凝土保护层开始起壳、剥落。

此时承载能力达到最大值，称为极限阶段。

极限时节点内箍筋几乎全部屈服。

（四）破损 

虽然变形持续加大，但是节点承载能力开始降低，核心区混凝土大块剥落。

破损时节点的承载能力约为极限时的80%一90%。

3.2加强节点受力强度

在地震作用下，希望塑性铰出现在梁端，这样就不会引起高层结构太大的侧向变形，避免了倒塌的后果。

但是在桥梁结构中，如果梁端出现较大的转角，就会引起桥面系极大的破坏，甚至使桥梁结构完全丧失使用功能，这是人们所不愿看到的。

因此在桥梁抗震设计中，一般选择塑性铰出现在桥墩中。

由于桥梁结构都是单层或者双层，即使墩柱中出现塑性铰，在设计预期的地震作用下，只要墩柱的延性能力满足塑性铰转角的需求，都不会引起倒塌的后果。

对于桥梁节点部位的抗震要求，则与建筑抗震规范一致。

节点是连接桥墩和盖梁的传力构件，是保证整个结构良好工作的关键部位，属于能力保护构件，因此对其强度和刚度要求都较高。

（一）在由桥墩和盖梁组成的框架结构中，在横向地震作用下，塑性铰可能出现在墩底截面，墩顶截面，节点，梁端截面。

根据能力抗震设计思想，盖梁的极限强度一般要比桥墩截面大，如果盖梁中配有预应力筋，其极限强度会更大，因而一般不会称为结构的薄弱环节。

在横向作用力增大的过程中，墩底截面弯矩最大，首先进入屈服状态。

在墩底截面出现塑性铰以后，截面上的弯矩会保持平稳状态不再增长，而墩顶截面的弯矩会随框架变形的增加而持续增大，节点核心区域内的箍筋应力也会随之增加直至屈服。

此时，节点区域的刚度出现退化，会削弱对墩顶截面的约束，甚至形成铰接约束，从而引起结构中的内力重分布，使结构侧向变形加速变大，对结构横向抗震性能是很不利的。

节点核心区的箍筋如果在墩底截面的塑性铰出现以前就进入屈服，会削弱对墩顶截面的约束，甚至形成铰接约束，从而引起结构中的内力重分布，墩顶截面弯矩减小，墩底截面弯矩增大，使得墩底更快进入屈服状态，从而降低框架结构的横向抗震性能。

（二）在不同的纵筋配筋率下，墩底截面总是首先进入屈服状态，梁端截面基本不屈服，在配筋率小于3%时，墩顶截面也会达到屈服，当配筋率超过3%时，墩顶截面并未达到屈服状态。

这说明在不同的配筋率下，节点部位并不是保持相同的刚度。

当节点部位出现刚度软化以后，对墩顶截面的约束减弱，从而导致墩顶截面弯矩减小。

（三）节点区域的配箍率对结构的横向抗推极限承载能力影响并不大，这是因为计算中假定梁柱中延伸入节点区域的主筋和混凝土粘结良好，核心区混凝土所承受的剪力都能完全传递到主筋中去。

这样梁柱的主筋就承担了节点核心区中的剪力，因而箍筋的作用体现不明显。

事实上在混凝土开裂以后，随着裂缝的发展，主筋与混凝土之间的粘结恶化导致滑移的产生，混凝土中的剪力就不能完全传递到主筋，此时就需要依靠节点中的箍筋承担抗剪作用。

如果箍筋配置过少，节点就无法将上部结构的惯性力传递到桥墩中去，节点核心区出现脆性剪切破坏，对结构抗震非常不利。

节点核心区内的竖向箍筋始终应力很大，其主要原因，是因为靠近节点外侧承托附近的竖向箍筋，为了要平衡小斜压杆中的压力，内力很大，很容易就达到屈服，在设计中需要给予重视。

节点核心区中配置适量的箍筋，除了能起到约束混凝土，提高混凝土强度的作用以外，在混凝土开裂后能箍筋直接参与受力，是保证节点裂缝不会充分开展，刚度不出现急剧退化的有效措施。

综上所述，在桥梁结构中，如果桥墩和盖梁刚度比较接近，则在地震作用下，结构受到侧向赓性力作用，节点核心区箍筋受力很大，容易出现节点刚度退化。

一方面会导致节点核心区混凝土剪切破坏，另一方面又会导致桥墩内力重分布，墩底截面弯矩加大，更快达到屈服状态，降低桥梁结构横桥向整体的抗震能力。

而在盖梁和桥墩抗弯刚度相差较大时，在地震横桥向作用下，墩底和墩顶部位的塑性铰更容易形成，节点部位相对更加安全，符合能力抗震设计思想。

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