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摘要：本文就混凝土桥梁耐久性设计从设计内容、混凝土结构耐久性极限状态设计、混凝土结构全寿命设计等方面进行了探讨，并分析了混凝土桥梁性能衰退过程，提出一些个人看法供同行借鉴参考。
关键词：混凝土；桥梁；耐久性设计
混凝土桥梁耐久性设计方案是确保混凝土桥梁耐久性的基础和前提，而要做一个好的耐久性设计方案，需要考虑多种因素。在这些因素中，有些因素可以通过计算、检测得到定量的数值，而有些因素得不到一个定量的数值只能得到定性描述，还有一些因素是我们现在未知的。为了解决这一问题，人们提出了许多耐久性设计方法但是由于影响混凝土耐久性的因素的多样性和复杂性到目前为止还没有形成公认的、最科学的方法。本文基于个人观点及实践，提出个人的混凝土桥梁耐久性设计看法。
1设计内容
1.1结构工作环境条件
桥梁的使用寿命与它所在的工作环境密切相关。因此，在设计时就需要考虑拟建桥梁所处的工作环境。我国的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）将混凝土结构的适用环境类别划分为五类（如表1）。
表1混凝土结构的适用环境类别
环境类别 说明
一 室内正常环境
二 a室内潮湿的环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
b寒冷及严寒地区的露天环境、与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境
三 使用除冰盐的环境；严寒寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境
四 海水环境（潮汐区；浪溅区；海水下环境；海水大气区）
五 受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境
注：严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规范》JGJ 24的规定。一、二和三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表4的规定。
表2混凝土结构耐久性的基本要求
注：①氯离子含量系指其占水泥用量的百分率；
②预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%；最小水泥用量为300kg/m3；最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级；
③素混凝土构件的最小水剂用量不应少于表中数值减25 kg/m3；
④当混凝土中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可适当降低最小水泥用量；
⑤当有可靠工程经验时，处于一类和二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等級；
⑥当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。
美国钢筋混凝土高层规范（ACL-318-92）对有耐久性要求的环境条件划分为冻融环境、碳酸盐环境和有防止钢筋锈蚀要求的结构。冻融环境又分为严重的和中等的两个环境。碳酸盐环境分为轻微的、中等的、严重的和很严重的四个环境。同时ACL—318—92为了防护混凝土中钢筋锈蚀限定了混凝土中氯离子的含量。
英国混凝土结构规范（BS8110-89）将混凝土暴露等级分为五个，如下表3所示。
表3英国BS8110—89规范的环境等级及暴露条件
由上面的几个表我们可以得知，很多国家都注意到了环境因素对混凝土耐久性研究的重要性，并都对结构工作环境条件进行了划分，但这种划分只是对结构工作环境进行了宏观的控制，如果用材料劣化机理的混凝土耐久性模型进行耐久性设计时就需要对结构工作环境进行量化，但这方面的工作还比较少。
1.2混凝土耐久性设计内容
一般而言，混凝土结构的耐久性设计包括如下基本内容：
1）确定结构的设计使用寿命、环境类别和结构作用等级；
2）选择有利于减轻环境作用的结构类型、布置；
3）确定混凝土与钢筋的耐久性要求；
4）根据耐久性要求确定混凝土保护层厚度；
5）确定混凝土裂缝控制要求；
6）提出有利结构的防水、排水等构造措施；
7）恶劣环境中合理采取防腐蚀附加措施或者多重防护；
8）提出结构的施工养护和质量验收要求；
9）提出结构在使用阶段的维护和检测要求。
混凝土结构耐久性设计应注意以下几点：
1）对混凝土耐久性设计时要确定当地使用的标准体系及相关标准；明确结构设计使用年限；确定结构所在位置的环境类别和作用等级。
2）对于耐久性材料的选择，根据使用环境条件、耐久性等级和结构设计使用年限等的要求来选择混凝土强度等级、水灰比、水泥用量等；合理的掺入引气剂并控制混凝土中氯离子的含量。
3）在结构构造设计时，合理确定混凝土保护层厚度以及最小钢筋直径；结构表面要有利于排水；在处于水中或恶劣环境中混凝土的表面应浸涂防腐面层。
4）一般混凝土构件允许在荷载作用下出现裂缝，但从耐久性角度考虑，对混凝土裂缝宽度加以限制。我国现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）给出了不同环境下结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值。
4）在施工过程中需要注意以下几点：模板在安装时须安装紧密；模板与钢筋之间通过配置混凝土垫块来保证混凝土保护层厚度；使用商混时，要对混凝土的塌落度、减水剂和外加剂的使用进行控制；在混凝土浇筑中要振捣密实，不漏振也不过振；在混凝土浇筑后及时养护，并选择正确的养护方法，在混凝土达到规定强度后再拆除模板和支撑。
2混凝土结构耐久性极限状态设计
当整个结构或结构的一部分超过它某一特定状态时就不能满足结构设计的某一功能要求，那么这个特定状态称为该功能的极限状态，按此状态进行设计的方法称为极限状态设计法。极限状态设计法是描述结构构件的耐久性劣化过程的数学模型，混凝土结构耐久性极限状态设计过程为：首先建立耐久性极限状态方程；其次将抗力作用与环境作用的某个特征值与相对应的分项系数代入极限状态方程；最后验算该方程得到结构耐久性设计参数的设计值。因此对混凝土结构进行耐久性极限状态设计的基础就是要建立一个合理的混凝土结构耐久性极限状态方程。
国内外学者建立混凝土结构耐久性极限状态方程的方法主要有：指数法，验算法和近似概率法等。
3混凝土结构全寿命设计
一般设计都只是保证结构在设计使用寿命内，结构不发生耐久性失效。但是在实际中，结构在服役满设计使用寿命之后，如果更换结构的费用大则一般多通过维修来延续结构使用的生命。但是在超出设计使用寿命之后继续使用，结构常常会发生耐久性失效，造成结构的使用功能下降，为继续安全使用带来隐患。而在役的使用期超过设计使用寿命的结构，大多数有重要作用，更换的间接费用太大，一般都采用维修来延续它们的使用寿命。人们一直在试图寻求一个经济的、科学的方法，来延续正在使用的结构寿命。
结构的耐久寿命定义为结构在正常使用、正常维护条件下，结构只需要投入简单的维修，就能保持预定使用功能的结构使用年限，它受环境、使用条件、材料性能等的影响，是受多个随机变量影响的随机函数。
混凝土结构使用寿命增长后，按现行设计规范的荷载效应计算方法进行结构的抗力设计。混凝土结构是否能满足现行规范的可靠指标，追加的初始投入能延长混凝土结构的耐久寿命，从而带来长远效益，是否值得追加初始投入，我们对结构进行混凝土结构的全寿命设计就需要对这几方面考虑。
4混凝土桥梁性能衰退过程
混凝土桥梁的使用寿命是与时间有关的，混凝土桥梁在使用过程中结构的性能不断退化。根据混凝土中钢筋锈蚀引起的结构损伤机理，分析钢筋锈蚀的过程，混凝土结构的性能退化过程可以由以图1表示。按照结构材料不同的劣化过程来选择不同的极限状态：
1）T1—从结构建成到混凝土中钢筋开始锈蚀的时间，钢筋表面的氯离子浓度达到临界值，即混凝土中钢筋开始产生锈蚀的时间；
2）T2—从钢筋开始锈蚀到混凝土表面因为钢筋锈蚀膨胀出现顺筋裂缝，混凝土保护层裂缝的宽度达到某一限值的时间，T2又可分为两个过程：t2+t3，其中，t2为钢筋锈蚀导致混凝土保护层开始胀裂；t3为混凝土保护层顺筋裂缝的宽度达到某一限值；
3）T3—从混凝土表面开裂发展到结构承载力失效的时间，钢筋与混凝土之间的粘结力消失或钢筋有效截面不断减小。
从图1中可以看出，结构在使用中存在几个关键时间，即混凝土中钢筋开始锈蚀的时间、混凝土保护层开裂的时间和承载力失效的时间。t1、t2、t3对应的状态是适用性极限状态，t4对应的状态是安全性极限状态。
确定混凝土结构耐久性极限状态是预测混凝土结构寿命的关键。国内外学者对耐久性极限的定义有不同得出的设计点也有所不同，有混凝土中钢筋开始锈蚀、混凝土保护层开裂、锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀率、钢筋与混凝土粘结失效和混凝土结构承载力下限等多种提法。
图1结构性能衰退过程
参考文献：
[1]张誉，蒋利学，张伟平等.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社，2003
[2]陈肇元．混凝土结构的耐久性设计方法[J]．建筑技术，2003，34(5)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：混凝土；桥梁；耐久性设计
混凝土桥梁耐久性设计方案是确保混凝土桥梁耐久性的基础和前提，而要做一个好的耐久性设计方案，需要考虑多种因素。在这些因素中，有些因素可以通过计算、检测得到定量的数值，而有些因素得不到一个定量的数值只能得到定性描述，还有一些因素是我们现在未知的。为了解决这一问题，人们提出了许多耐久性设计方法但是由于影响混凝土耐久性的因素的多样性和复杂性到目前为止还没有形成公认的、最科学的方法。本文基于个人观点及实践，提出个人的混凝土桥梁耐久性设计看法。
1设计内容
1.1结构工作环境条件
桥梁的使用寿命与它所在的工作环境密切相关。因此，在设计时就需要考虑拟建桥梁所处的工作环境。我国的《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）将混凝土结构的适用环境类别划分为五类（如表1）。
表1混凝土结构的适用环境类别
环境类别 说明
一 室内正常环境
二 a室内潮湿的环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境、与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境
b寒冷及严寒地区的露天环境、与无侵蚀性的水及土壤直接接触的环境
三 使用除冰盐的环境；严寒寒冷地区冬季水位变动的环境；滨海室外环境
四 海水环境（潮汐区；浪溅区；海水下环境；海水大气区）
五 受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境
注：严寒和寒冷地区的划分应符合国家现行标准《民用建筑热工设计规范》JGJ 24的规定。一、二和三类环境中，设计使用年限为50年的结构混凝土应符合表4的规定。
表2混凝土结构耐久性的基本要求
注：①氯离子含量系指其占水泥用量的百分率；
②预应力构件混凝土中的最大氯离子含量为0.06%；最小水泥用量为300kg/m3；最低混凝土强度等级应按表中规定提高两个等级；
③素混凝土构件的最小水剂用量不应少于表中数值减25 kg/m3；
④当混凝土中加入活性掺合料或能提高耐久性的外加剂时，可适当降低最小水泥用量；
⑤当有可靠工程经验时，处于一类和二类环境中的最低混凝土强度等级可降低一个等級；
⑥当使用非碱活性骨料时，对混凝土中的碱含量可不作限制。
美国钢筋混凝土高层规范（ACL-318-92）对有耐久性要求的环境条件划分为冻融环境、碳酸盐环境和有防止钢筋锈蚀要求的结构。冻融环境又分为严重的和中等的两个环境。碳酸盐环境分为轻微的、中等的、严重的和很严重的四个环境。同时ACL—318—92为了防护混凝土中钢筋锈蚀限定了混凝土中氯离子的含量。
英国混凝土结构规范（BS8110-89）将混凝土暴露等级分为五个，如下表3所示。
表3英国BS8110—89规范的环境等级及暴露条件
由上面的几个表我们可以得知，很多国家都注意到了环境因素对混凝土耐久性研究的重要性，并都对结构工作环境条件进行了划分，但这种划分只是对结构工作环境进行了宏观的控制，如果用材料劣化机理的混凝土耐久性模型进行耐久性设计时就需要对结构工作环境进行量化，但这方面的工作还比较少。
1.2混凝土耐久性设计内容
一般而言，混凝土结构的耐久性设计包括如下基本内容：
1）确定结构的设计使用寿命、环境类别和结构作用等级；
2）选择有利于减轻环境作用的结构类型、布置；
3）确定混凝土与钢筋的耐久性要求；
4）根据耐久性要求确定混凝土保护层厚度；
5）确定混凝土裂缝控制要求；
6）提出有利结构的防水、排水等构造措施；
7）恶劣环境中合理采取防腐蚀附加措施或者多重防护；
8）提出结构的施工养护和质量验收要求；
9）提出结构在使用阶段的维护和检测要求。
混凝土结构耐久性设计应注意以下几点：
1）对混凝土耐久性设计时要确定当地使用的标准体系及相关标准；明确结构设计使用年限；确定结构所在位置的环境类别和作用等级。
2）对于耐久性材料的选择，根据使用环境条件、耐久性等级和结构设计使用年限等的要求来选择混凝土强度等级、水灰比、水泥用量等；合理的掺入引气剂并控制混凝土中氯离子的含量。
3）在结构构造设计时，合理确定混凝土保护层厚度以及最小钢筋直径；结构表面要有利于排水；在处于水中或恶劣环境中混凝土的表面应浸涂防腐面层。
4）一般混凝土构件允许在荷载作用下出现裂缝，但从耐久性角度考虑，对混凝土裂缝宽度加以限制。我国现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）给出了不同环境下结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值。
4）在施工过程中需要注意以下几点：模板在安装时须安装紧密；模板与钢筋之间通过配置混凝土垫块来保证混凝土保护层厚度；使用商混时，要对混凝土的塌落度、减水剂和外加剂的使用进行控制；在混凝土浇筑中要振捣密实，不漏振也不过振；在混凝土浇筑后及时养护，并选择正确的养护方法，在混凝土达到规定强度后再拆除模板和支撑。
2混凝土结构耐久性极限状态设计
当整个结构或结构的一部分超过它某一特定状态时就不能满足结构设计的某一功能要求，那么这个特定状态称为该功能的极限状态，按此状态进行设计的方法称为极限状态设计法。极限状态设计法是描述结构构件的耐久性劣化过程的数学模型，混凝土结构耐久性极限状态设计过程为：首先建立耐久性极限状态方程；其次将抗力作用与环境作用的某个特征值与相对应的分项系数代入极限状态方程；最后验算该方程得到结构耐久性设计参数的设计值。因此对混凝土结构进行耐久性极限状态设计的基础就是要建立一个合理的混凝土结构耐久性极限状态方程。
国内外学者建立混凝土结构耐久性极限状态方程的方法主要有：指数法，验算法和近似概率法等。
3混凝土结构全寿命设计
一般设计都只是保证结构在设计使用寿命内，结构不发生耐久性失效。但是在实际中，结构在服役满设计使用寿命之后，如果更换结构的费用大则一般多通过维修来延续结构使用的生命。但是在超出设计使用寿命之后继续使用，结构常常会发生耐久性失效，造成结构的使用功能下降，为继续安全使用带来隐患。而在役的使用期超过设计使用寿命的结构，大多数有重要作用，更换的间接费用太大，一般都采用维修来延续它们的使用寿命。人们一直在试图寻求一个经济的、科学的方法，来延续正在使用的结构寿命。
结构的耐久寿命定义为结构在正常使用、正常维护条件下，结构只需要投入简单的维修，就能保持预定使用功能的结构使用年限，它受环境、使用条件、材料性能等的影响，是受多个随机变量影响的随机函数。
混凝土结构使用寿命增长后，按现行设计规范的荷载效应计算方法进行结构的抗力设计。混凝土结构是否能满足现行规范的可靠指标，追加的初始投入能延长混凝土结构的耐久寿命，从而带来长远效益，是否值得追加初始投入，我们对结构进行混凝土结构的全寿命设计就需要对这几方面考虑。
4混凝土桥梁性能衰退过程
混凝土桥梁的使用寿命是与时间有关的，混凝土桥梁在使用过程中结构的性能不断退化。根据混凝土中钢筋锈蚀引起的结构损伤机理，分析钢筋锈蚀的过程，混凝土结构的性能退化过程可以由以图1表示。按照结构材料不同的劣化过程来选择不同的极限状态：
1）T1—从结构建成到混凝土中钢筋开始锈蚀的时间，钢筋表面的氯离子浓度达到临界值，即混凝土中钢筋开始产生锈蚀的时间；
2）T2—从钢筋开始锈蚀到混凝土表面因为钢筋锈蚀膨胀出现顺筋裂缝，混凝土保护层裂缝的宽度达到某一限值的时间，T2又可分为两个过程：t2+t3，其中，t2为钢筋锈蚀导致混凝土保护层开始胀裂；t3为混凝土保护层顺筋裂缝的宽度达到某一限值；
3）T3—从混凝土表面开裂发展到结构承载力失效的时间，钢筋与混凝土之间的粘结力消失或钢筋有效截面不断减小。
从图1中可以看出，结构在使用中存在几个关键时间，即混凝土中钢筋开始锈蚀的时间、混凝土保护层开裂的时间和承载力失效的时间。t1、t2、t3对应的状态是适用性极限状态，t4对应的状态是安全性极限状态。
确定混凝土结构耐久性极限状态是预测混凝土结构寿命的关键。国内外学者对耐久性极限的定义有不同得出的设计点也有所不同，有混凝土中钢筋开始锈蚀、混凝土保护层开裂、锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀率、钢筋与混凝土粘结失效和混凝土结构承载力下限等多种提法。
图1结构性能衰退过程
参考文献：
[1]张誉，蒋利学，张伟平等.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社，2003
[2]陈肇元．混凝土结构的耐久性设计方法[J]．建筑技术，2003，34(5)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。