[交流] 对桥涵结构物耐久性、标准和规范的一些见解 [复制链接]

刘山健 湖南省交通建设质监站
　　在日常公路工程质量督查中，我们发现，尽管现有的工程抽查指标的合格率较高，但工程仍出现一些实体质量问题。主要表现为工程的耐久性、结构物出现裂缝、某些实体质量的难控制。这些问题，涉及设计的规范、行业标准与国标的关系、强制性条文的执行和理解。
一、裂缝
　　1、在桥涵工程督查中还发现，有些桥涵工程的混凝土强度等级符合设计要求，各项指标也符合设计和质量标准，但裂缝仍广泛存在，有的在工程交工前出现，有的在交工后新增，这些裂缝有的在上部结构如附属工程防护栏杆、梁的锚端、腹板、底板，有的在桥的下部结构如桥台，有的在通道、涵洞的墙体，但此时对这些裂缝的处理，大部分只是封闭。但我们发现在设计时有考虑不周的原因，尤其是对结构构件的构造配筋率没有达到规范要求，达到一定的配筋率是强制性条文要求。我们认为桥涵的下部结构作为混凝土结构，其桥墩、桥台、涵洞的墙体一般受压、局部受压、受偏压或受水平土压力。也就是说它不是轴心受压的简单受力结构，而是受压、弯、剪的偏压的复杂受力结构。根据国家标准《混凝土结构规范 (GB50010—2002)》中的强制性条文9．5．1条规定和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)的强制性条文9．1．12条规定，桥涵的下部结构如果是混凝土结构，应该配钢筋，并且应该达到一定的配筋率，其压、弯、剪的受力钢筋都要达到一定的配筋率，不容许素混凝土结构，否则是违反强制性条文，这既是安全强度的储备，也是防止结构物开裂、延长结构的耐久性的好办法。但在现实工程中，我们的桥台、通道、涵洞的墙体、底板有大部分地区是素混凝土结构，我们桥梁的上部结构如梁的腹板、锚端有些种类的受力钢筋没有达到规定的配筋率。
　　 2、产生合理裂缝的延性设计理念
　　人们经常通过各种传媒看到，一旦垮桥，极大部分是桥墩垮了，然后梁掉下来，最后是生命、财产蒙受损失。避免这种情况是工程建设者的责任。 其实任何结构都只有有限的寿命，其生命周期结束时的状态是倒塌或出现较大的裂缝、变形，然后该结构被宣布报废。结构报废包括重载压垮、耐久性出问题、地震破坏、施工时出问题而倒塌。那么结构报废时不危及生命和财产应是结构设计的最高准则，否则若结构通过突然垮塌而结束将会对社会带来巨大隐患。要达到这种目的，即当结构生命周期结束时，结构不出现危及生命与财产的现象，这就产生了延性结构的设计、建造概念。也就是说结构在任何情况下的破坏最好不要突然倒塌、或出现多米诺骨牌效应，而是先有预兆，即出现大的裂缝、位移、变形或挠度。为了达到此种目的，这就产生了结构设计中的“强剪弱弯、强 柱弱梁、强节点弱构件、强柱耐久性弱梁耐久性”的设计、建造理念。所谓“强剪弱弯”，就是说梁受拉后出现开裂、大变形而破坏，梁在此时仍不出现的脆性剪切破坏，柱受偏压出现开裂、大变形而破坏，柱此时仍不出现的脆性剪切破坏。所谓“强 柱弱梁”，就是说在梁出现任何破坏时，柱仍然没出现破坏。所谓“强节点弱构件”，也就是说梁与柱形成的节点的破坏是在梁、柱破坏之后，也可以说，梁、柱破坏时，其节点不破坏。所谓“强柱耐久性弱梁耐久性”，就是柱不会先失效。按这种合理失效的延性理念设计，桥涵结构的在任何情况下失效时，必然出现上部结构大变形，整个桥涵不会突然倒塌、不会出现墩、台先于上部结构垮塌，其结果为挽救生命和财产赢得时间。要达到这个要求，显然素混凝土结构要比钢筋混凝土差；少筋构件比有一定配筋率的构件差；砌体（圬工）构件比钢筋混凝土差；对结构构件来说，配筋是绝对重要，这也是强度、刚度的贮备和延性设计的基本要求。对承受重的、高速的、重复的车辆运输动载的现代桥涵结构及构件来说，配钢筋是最基本要求。为此，也就有最简单的强制条文规定，如《混凝土结构规范 (GB50010—2002)》中的强制性条文9．5．1条规定和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)的强制性条文9．1．12条规定，这些强制性条文规定任何构件受任何力都必须配钢筋且必须达到一定的配筋率。当然真正要将桥涵设计成延性结构，还有很多问题要解决。
　　3、如设计成钢筋混凝土结构，可避免温度、沉降、施工工艺引起的开裂。另外，这些桥台、涵洞、通道的墙体如设计成素混凝土结构，变成了脆性结构，与结构应是延性结构的设计理念相违背，使这些结构在生命周期的后期具有较大的安全隐患，难以避免桥涵出现脆性破坏和安全事故。我们是这样理解该强制性条文，也认为是合理。
　　4、在国标《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中，对素混凝土作了明确规定，见“A.1.1 素混凝土构件主要用于受压构件。素混凝土受弯构件仅允许用于卧置在地基上的情况以及不承受活荷载的情况。”这严格规定素混凝土的使用范围和对象。
　　二、耐久性
　　在桥涵工程的督查中发现，与耐久性相关的最重要指标是混凝土强度等级，而现行结构物在设计中主要考虑结构强度，对耐久性考虑不周，导致混凝土强度等级很宽泛。如特大桥下部结构混凝土强度等级有C30、C25，大中桥的下部结构混凝土强度等级有C25、C20，通道涵洞的墙体混凝土强度等级有C20、C15。已建成的一些桥涵结构物，其使用年限没有达到设计年限就出现耐久性问题。
　　强制性条文《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中第1．0．6条规定，公路桥涵结构的设计基准期为100年。此条规定了特大、大中小桥和涵洞的设计基准期为100年。根据国标《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB／T 50283—1999)1．0．5条的条文说明，使用年限超过设计基准期时，表明结构的可靠指标将可能低于目标可靠指标，而不是结构全部报废。也就是说，结构在设计基准期内，它的可靠指标不低于目标可靠指标，也就无需大修。《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—20042005年修订版)的3．2．3条规定，结构的使用年限通常应是结构使用过程中仅需常规维护(包括构件表面涂刷)，而不需进行大修的期限。国标《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)术语规定：结构设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。结构的荷载取值是按100年的基准期。目前，欧盟规定了桥梁等各种土木工程结构物的设计使用年限均为100年，英国对桥梁的使用年限为100年，美国规定桥梁的使用年限不少于75—100年，日本规定桥梁的使用年限为100年。我国城市地铁设计规范规定地铁混凝土结构的设计使用年限为100年。综上所述，使用年限应大于设计基准期。所以桥涵结构的使用年限最少100年。
　　桥涵结构的设计基准期为100年，远远大于建筑结构的设计基准期50年，那么在耐久性方面，桥涵更应高于普通建筑结构，不能低于国标《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)的要求。
　　桥涵的可靠度的高低差异通过结构的安全等级体现，但表现桥涵的正常使用极限状态设计的耐久性对所有桥涵都是一样，即桥涵的设计使用年限应不少于设计基准期100年，除可更换的体外预应力索、悬索、斜拉索等外，其它主体结构的设计使用年限不得少于100年。也即桥涵的耐久性要求是100年以上，耐久性既包含混凝土的耐久性，也包含与混凝土强度等级相关的钢筋保护层厚度。显然桥涵的下部结构混凝土的强度等级在设计中要求得太宽泛，达不到使用100年的要求，也就达不到强制性条文的要求。
　　根据国标《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第3．4．3条规定，一类环境中，设计使用年限为100年的结构，其混凝土等级应符合最低为C30，预应力混凝土等级应符合最低C40；第3．4．2条规定，一类环境中（最温和、最有利的环境），设计使用年限为50年的结构，其混凝土等级应符合最低为C20；桥涵属于国标中的二类b型环境，其最低强度等级是C30。而根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)第1．0．7条规定，一类环境中，结构混凝土耐久性的基本要求为：其混凝土等级应符合最低为C25，该款对高速公路的桥涵与普通公路没有区分，我们认为有待商酌，另外与国标对不同使用年限的混凝土等级的耐久性要求不一致。桥涵结构没有外装饰，其使用环境比房屋更恶劣，其耐久性不应低于房屋结构。中国土木工程学会标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—20042005年修订版)规定，大型桥梁、隧道、高速和一级公路上的桥涵、城市干线上的大型桥梁、大型立交桥、城市地铁轻轨系统的结构混凝土强度登记的最低要求是C30。
　　我们认为，行业标准不应低于国标，如《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)不应低于《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)，行业标准没有规定的或规定不明的应按国标执行。 综上所述，高速公路中桥涵的混凝土等级最低应为C30，应严禁低于C30。这也可以说是条文《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中第1．0．6条的强制性的体现。
　　三、与规范相关的质量控制问题
　　1、在规范和设计中采用片石混凝土是不利于控制质量的。我们可以检测片石强度、混凝土强度、砂浆强度，但对制作或砌筑后形成整体的片石混凝土整体强度，目前没有办法在抽检中确认。在实际施工中，施工、监理也难以定量控制片石数量、质量，使结构物难以保证质量。在国标中也没有这种片石混凝土的概念。去年发生的重大工程质量安全事故中（凤凰桥垮塌），我们认为关键是片石混凝土的整体强度没有办法检测，因而监理、施工单位没有办法控制，只能凭经验，这完全不科学。在规范中最好去掉这种做法或规定只能应用于特殊部位如基础垫层。
　　2、素混凝土作为圬工是不适当 圬工的本义是砌体，砌体的强度是通过组砌和块体形成，其施工不需模板且具有初始强度。《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61—2005)中将现浇素混凝土定义为圬工，这使素混凝土横跨圬工与钢筋混凝土两个领域，使设计、施工、质量评定可以采用多个标准，易产生矛盾。如素混凝土可以采用混凝土标准，也可采用圬工标准。它们之间有不一致的地方。素混凝土作为圬工应用于结构中，在很多情况下是与国标《混凝土结构规范(GB50010—2002)》相违背的。也与《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)不统一。 上述问题的解决在技术上较简单，所增成本不多，但在全寿命成本上是非常节省的，对质量却有极大的提高。
　　参考文件：
　　1、国标《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）
　　2、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)
　　3、《砌体结构设计规范》GB50003-2001
　　4、《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61—2005)