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摘 要：为了提高桥梁结构建设水平，首先从混凝土碳化、钢筋锈蚀、裂缝指标、设计及施工等方面分析了桥梁耐久性的影响因素，随后基于耐久性失效方程分析了桥梁结构耐久性设计方法，并提出相应的设计要点，研究成果可为类似的桥梁工程建设提供理论指导。
关键词：桥梁;耐久性;影响因素;优化设计
1 桥梁结构耐久性影响因素
1.1 材料劣化的影响
桥梁结构材料由钢筋和混凝土组成，其耐久性损失通常是从材料劣化开始的。钢筋和混凝土的劣化可由化学或物理作用引起，主要表现形式包括混凝土碳化、钢筋腐蚀等。
（1）混凝土碳化。大气里CO2含量高，CO2先和外界环境各种水分发生化学作用产生碳酸性物质，再与桥梁结构中的碱性物质产生中和反应，降低混凝土的pH值的现象称之为混凝土的碳化。混凝土碳化反应产物是CaCO3，而CaCO3溶解性较差，且体积会增加17%左右，故混凝土凝胶孔隙可能被碳化物填充，使混凝土孔隙比降低。碳化反应还会提高混凝土脆性，降低其延展性。但是，混凝土碳化对桥梁结构耐久性影响的最关键原因是pH值的降低，因为pH值较小，容易使钢筋脱钝和锈蚀。
影响桥梁结构混凝土碳化程度原因包括混凝土本身特性和外部环境两方面，前者包括水灰比、水泥用量、骨料粒径、外掺剂等，其中混凝土碳化速度与水灰比和骨料粒径成正比，与水泥用量成反比;后者主要有相对湿度、CO2浓度、温度、施工技术等，其中混凝土碳化速度与CO2浓度的平方根和温度成正比。同时，环境湿度在70%～80%時，混凝土碳化速度最快。
（2）钢筋锈蚀。桥梁混凝土一般呈碱性，会在钢筋结构表面形成一层钝化膜保护钢筋不受腐蚀。但是在足够的O2与H2O环境中，钢筋容易失去电子出现如下各种电化学反应：①阳极：Fe→Fe2++2e;②阴极：O2+4H2O+4e→4OH—;③阳极二次反应：Fe2++4OH—→Fe（OH）2。
电化学反应会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋处于一种“脱钝状态”，此时钢筋表面会出现大量红锈，使得氯离子慢慢渗进混凝土内部。当处于游离状态的氯离子大于临界浓度时，会加速钢筋锈蚀，即混凝土中氯离子含量越高，钢筋的锈蚀速度越快。
1.2 裂缝的影响
在混凝土桥梁运营期间，出现各种构造裂缝往往是难以避免的，且随着桥梁使用时间的增加，裂缝数量和宽度也会进一步扩展。通常情况下，微细裂缝是对桥梁结构承载能力、耐久性等工作性能影响较小，但裂缝宽度不宜过大，否则会影响混凝土碳化、冻融损伤、钢筋锈蚀，从而影响桥梁耐久性，主要体现在以下几个方面：
加速混凝土碳化：混凝土裂缝会减小桥梁抗疲劳能力，使其更容易剥落破坏;
加剧冻融损伤：如果混凝土裂缝较宽，环境中的各种水容易渗入，当温度降到零度以下，水分冻结成冰，体积膨胀，混凝土更容易冻胀开裂;
钢筋锈蚀更严重：CO2和Cl—更容易通过裂缝向混凝土内部扩散，会增加钢筋表面化学反应面积，加剧钢筋锈蚀程度。
此外，相关研究成果表明，裂缝宽度指标和钢筋锈蚀程度之间存在密切联系，见图1：
由图1可知，混凝土裂缝宽度越大，钢筋越容易发生严重锈蚀。当裂缝宽度不超过0.1 mm时，钢筋发生微锈蚀、锈蚀和严重锈蚀的可能性基本相同。当裂缝宽度大于0.2 mm时，钢筋发生严重锈蚀的概率达到了73%。
1.3 设计、施工因素的影响
（1）设计原因。目前国内桥梁设计规范，如《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）等中对桥梁混凝土结构的长期耐久性没有系统性的规定。同时，设计单位、咨询单位在开展桥梁设计任务时，往往以工程类比法为主，设计理念较保守，过分强调混凝土刚度、强度、截面尺寸等指标，对桥梁结构耐久性重视程度不足，引起桥梁在长期运营期间出现结构损伤。
（2）施工原因。在设计方案合理的前提下，桥梁结构耐久性主要取决于混凝土的施工。但是，公路桥梁在施工期间，各参建单位为了赶工期，可能采取刻意减少混凝土养护时间、使用大量早强剂、采用蒸汽养护等措施，使混凝土的耐久性大幅降低。
2 桥梁结构耐久性优化设计分析
2.1 桥梁结构耐久性设计方法
进行桥梁耐久性设计之前要明确耐久性极限状态，然后根据影响桥梁耐久性的各种因素特性，建立宏观模型。我国常用桥梁结构耐久性设计方法是基于可靠度理论的极限状态法，即将影响桥梁可靠性因素视作随机变量，对其所承受的各种荷载、结构抗力等进行调查统计，并运用数理统计理论分析随机变量特性，以得到公路桥涵的总体可靠度水平。最后，采用分项系数法对桥梁结构的极限状态进行计算，并满足如下条件：
式中：—桥梁结构重要性系数，取决于桥涵等级;—作用效应组合设计图;—结构抗力随机函数;—结构几何设计值;—材料强度设计值。
2.2 桥梁结构耐久性设计要点
（1）合理确定桥梁寿命。桥梁混凝土的工作性能会随着时间增加而出现一定程度的劣化。同时，桥梁使用寿命影响因素复杂，应当综合考虑项目的区域概况、建设等级、施工水平、养护措施、工程造价等因素。如沿海地区对桥梁结构耐久性控制更严格;桥梁建设等级越高，使用寿命要求越高。
（2）提高桥梁线形平滑度。桥梁属于杆系结构，结构体系及构造的合理性直接决定了桥梁截面的应力分布，从而影响混凝土耐久性。对于结构不连续位置，钢筋布设位置及数量确定难度大，且应力分布形式较复杂，容易出现应力集中现象，往往会成为混凝土耐久性的薄弱部位。在进行桥梁设计时，应确保混凝土结构线形简单、少突变，少棱角，尽可能地减少钢筋暴露面积。
（3）控制构造裂缝。水和空气会通过裂缝渗入混凝土结构，加剧混凝土和钢筋的劣化，故桥梁混凝土尽量选择预应力形式的，构造钢筋布置时间距也不宜过大，以减少构造裂缝。同时，桥梁混凝土的构造裂缝不应设置在受剪受弯严重，受力复杂的位置。
3 结语
本文针对桥梁耐久性的影响因素和优化设计方法等方面开展研究，主要得到了以下几个结论：（1）桥梁耐久性损失一般从材料劣化开始，体现在混凝土碳化、冻融损伤、钢筋腐蚀等方面;（2）微细裂缝是对桥梁结构耐久性影响不大，但当裂缝宽度大于0.2 mm时，钢筋发生严重锈蚀的可能性明显提高;（3）桥梁设计时可基于可靠度理论，利用混凝土耐久性失效方程来计算;（4）合理确定桥梁寿命、提高桥梁线形平滑度、控制构造裂缝等措施可提升桥梁结构耐久性。
参考文献：
[1]张久鹏.桥梁结构耐久性的影响因素及优化设计[J].工程技术研究，2020，5（16）：214-215.
[2]高策.影响混凝土桥梁结构耐久性的主要因素及防治措施[J].铁路工程技术与经济，2016，31（6）：35-38+42.
[3]廖兆华，向阳.结构优化设计及其在桥梁中的应用要素[J].工程建设与设计，2019（11）：120-122.
关键词：桥梁;耐久性;影响因素;优化设计
1 桥梁结构耐久性影响因素
1.1 材料劣化的影响
桥梁结构材料由钢筋和混凝土组成，其耐久性损失通常是从材料劣化开始的。钢筋和混凝土的劣化可由化学或物理作用引起，主要表现形式包括混凝土碳化、钢筋腐蚀等。
（1）混凝土碳化。大气里CO2含量高，CO2先和外界环境各种水分发生化学作用产生碳酸性物质，再与桥梁结构中的碱性物质产生中和反应，降低混凝土的pH值的现象称之为混凝土的碳化。混凝土碳化反应产物是CaCO3，而CaCO3溶解性较差，且体积会增加17%左右，故混凝土凝胶孔隙可能被碳化物填充，使混凝土孔隙比降低。碳化反应还会提高混凝土脆性，降低其延展性。但是，混凝土碳化对桥梁结构耐久性影响的最关键原因是pH值的降低，因为pH值较小，容易使钢筋脱钝和锈蚀。
影响桥梁结构混凝土碳化程度原因包括混凝土本身特性和外部环境两方面，前者包括水灰比、水泥用量、骨料粒径、外掺剂等，其中混凝土碳化速度与水灰比和骨料粒径成正比，与水泥用量成反比;后者主要有相对湿度、CO2浓度、温度、施工技术等，其中混凝土碳化速度与CO2浓度的平方根和温度成正比。同时，环境湿度在70%～80%時，混凝土碳化速度最快。
（2）钢筋锈蚀。桥梁混凝土一般呈碱性，会在钢筋结构表面形成一层钝化膜保护钢筋不受腐蚀。但是在足够的O2与H2O环境中，钢筋容易失去电子出现如下各种电化学反应：①阳极：Fe→Fe2++2e;②阴极：O2+4H2O+4e→4OH—;③阳极二次反应：Fe2++4OH—→Fe（OH）2。
电化学反应会破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋处于一种“脱钝状态”，此时钢筋表面会出现大量红锈，使得氯离子慢慢渗进混凝土内部。当处于游离状态的氯离子大于临界浓度时，会加速钢筋锈蚀，即混凝土中氯离子含量越高，钢筋的锈蚀速度越快。
1.2 裂缝的影响
在混凝土桥梁运营期间，出现各种构造裂缝往往是难以避免的，且随着桥梁使用时间的增加，裂缝数量和宽度也会进一步扩展。通常情况下，微细裂缝是对桥梁结构承载能力、耐久性等工作性能影响较小，但裂缝宽度不宜过大，否则会影响混凝土碳化、冻融损伤、钢筋锈蚀，从而影响桥梁耐久性，主要体现在以下几个方面：
加速混凝土碳化：混凝土裂缝会减小桥梁抗疲劳能力，使其更容易剥落破坏;
加剧冻融损伤：如果混凝土裂缝较宽，环境中的各种水容易渗入，当温度降到零度以下，水分冻结成冰，体积膨胀，混凝土更容易冻胀开裂;
钢筋锈蚀更严重：CO2和Cl—更容易通过裂缝向混凝土内部扩散，会增加钢筋表面化学反应面积，加剧钢筋锈蚀程度。
此外，相关研究成果表明，裂缝宽度指标和钢筋锈蚀程度之间存在密切联系，见图1：
由图1可知，混凝土裂缝宽度越大，钢筋越容易发生严重锈蚀。当裂缝宽度不超过0.1 mm时，钢筋发生微锈蚀、锈蚀和严重锈蚀的可能性基本相同。当裂缝宽度大于0.2 mm时，钢筋发生严重锈蚀的概率达到了73%。
1.3 设计、施工因素的影响
（1）设计原因。目前国内桥梁设计规范，如《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）等中对桥梁混凝土结构的长期耐久性没有系统性的规定。同时，设计单位、咨询单位在开展桥梁设计任务时，往往以工程类比法为主，设计理念较保守，过分强调混凝土刚度、强度、截面尺寸等指标，对桥梁结构耐久性重视程度不足，引起桥梁在长期运营期间出现结构损伤。
（2）施工原因。在设计方案合理的前提下，桥梁结构耐久性主要取决于混凝土的施工。但是，公路桥梁在施工期间，各参建单位为了赶工期，可能采取刻意减少混凝土养护时间、使用大量早强剂、采用蒸汽养护等措施，使混凝土的耐久性大幅降低。
2 桥梁结构耐久性优化设计分析
2.1 桥梁结构耐久性设计方法
进行桥梁耐久性设计之前要明确耐久性极限状态，然后根据影响桥梁耐久性的各种因素特性，建立宏观模型。我国常用桥梁结构耐久性设计方法是基于可靠度理论的极限状态法，即将影响桥梁可靠性因素视作随机变量，对其所承受的各种荷载、结构抗力等进行调查统计，并运用数理统计理论分析随机变量特性，以得到公路桥涵的总体可靠度水平。最后，采用分项系数法对桥梁结构的极限状态进行计算，并满足如下条件：
式中：—桥梁结构重要性系数，取决于桥涵等级;—作用效应组合设计图;—结构抗力随机函数;—结构几何设计值;—材料强度设计值。
2.2 桥梁结构耐久性设计要点
（1）合理确定桥梁寿命。桥梁混凝土的工作性能会随着时间增加而出现一定程度的劣化。同时，桥梁使用寿命影响因素复杂，应当综合考虑项目的区域概况、建设等级、施工水平、养护措施、工程造价等因素。如沿海地区对桥梁结构耐久性控制更严格;桥梁建设等级越高，使用寿命要求越高。
（2）提高桥梁线形平滑度。桥梁属于杆系结构，结构体系及构造的合理性直接决定了桥梁截面的应力分布，从而影响混凝土耐久性。对于结构不连续位置，钢筋布设位置及数量确定难度大，且应力分布形式较复杂，容易出现应力集中现象，往往会成为混凝土耐久性的薄弱部位。在进行桥梁设计时，应确保混凝土结构线形简单、少突变，少棱角，尽可能地减少钢筋暴露面积。
（3）控制构造裂缝。水和空气会通过裂缝渗入混凝土结构，加剧混凝土和钢筋的劣化，故桥梁混凝土尽量选择预应力形式的，构造钢筋布置时间距也不宜过大，以减少构造裂缝。同时，桥梁混凝土的构造裂缝不应设置在受剪受弯严重，受力复杂的位置。
3 结语
本文针对桥梁耐久性的影响因素和优化设计方法等方面开展研究，主要得到了以下几个结论：（1）桥梁耐久性损失一般从材料劣化开始，体现在混凝土碳化、冻融损伤、钢筋腐蚀等方面;（2）微细裂缝是对桥梁结构耐久性影响不大，但当裂缝宽度大于0.2 mm时，钢筋发生严重锈蚀的可能性明显提高;（3）桥梁设计时可基于可靠度理论，利用混凝土耐久性失效方程来计算;（4）合理确定桥梁寿命、提高桥梁线形平滑度、控制构造裂缝等措施可提升桥梁结构耐久性。
参考文献：
[1]张久鹏.桥梁结构耐久性的影响因素及优化设计[J].工程技术研究，2020，5（16）：214-215.
[2]高策.影响混凝土桥梁结构耐久性的主要因素及防治措施[J].铁路工程技术与经济，2016，31（6）：35-38+42.
[3]廖兆华，向阳.结构优化设计及其在桥梁中的应用要素[J].工程建设与设计，2019（11）：120-122.