组合结构桥梁耐久性的对策分析

　　 1．前言

　　 钢筋混凝土是目前乃至2l世纪桥梁建设的基本材料。钢结构桥梁的主要特点是对各种应力的耐受能力比较接近，即受拉、受压、受剪、受弯和受扭强度最高，其寿命超过百年的历史已被证实。在地震多发地区，损坏程度较轻容易恢复。但存在疲劳、压屈、振动、噪音等弊端，尤其是防锈蚀病害的问题较大，造价较高。混凝土桥梁的特点：其大宗材料可以就地取材，水泥等胶结材料便于运输，既能现场浇筑，也可预制拼装，造价较低。但其受力情况有很大差别，抗压能力强，抗拉、抗剪能力差。由于材料和受力性能特点几乎不能避免出现的裂缝，易受大气污染物质的侵蚀，出现如碳化、碱骨料反应、冻融循环、钢筋锈蚀等病害，迄今尚未见到有百年以上寿命的混凝土桥梁。但这并不表明在设计创新上对其无所作为。当今国内、外桥梁界，根据两种材料上的各自特点，取长补短，采用了钢混组合结构桥梁，已获得了高度发展与进步，体现了国际桥梁技术发展的趋势和强大生命力。

　　2．钢混组合结构桥梁的耐久性措施

　　组合桥梁的钢结构部分，无论在选材、制造、拼装、涂装上都可在工厂进行，质量可以得到预控，具备了质量保证条件，在起吊设备允许的条件下，采用栓焊联结，制成节段，可以达到快速施工的目的，具有显著的技术经济效益和减少环境污染的社会效益。

　　 无论是钢腹板（波形）、钢桁架的耐久性问题要解决两个难点，一个是连接件（主要是紧固件）的高强耐久性选材问题；一个是防锈蚀的方案。前者主要采用高强度螺栓作为连接件，既方便又快速，目前高强度螺栓（紧固件）按GB/T 1231-2006规定，最大规格是M30，超过此规格的没有规定材料，由设计与制造单位自选钢号。兹将我国钢结构用高强度螺栓力学性能见表一。

　　 钢结构桥梁的高性能和轻型化势必对各类紧固件（如螺栓、螺钉、螺母等）使用的材料提出更高设计应力和轻量化的要求。同时根据我国的国策，为了节省能源和资源，今后对降低成本的要求越来越迫切，这是贯彻落实科学发展观走自主创新的必由之路。我国河南省生产力促进中心热处理专家韩建中先生发明的一种高强韧性、高淬透性、高性价比、高应用领域的新型超高强度的合金结构钢，该钢采用真空精炼，对钢的含氧量、含氮量、含硫、磷量、非金属夹架物、晶粒度、综合机械性能都高于国内外高性能合金结构钢现行钢标准及现行设计手册的要求；钢号是38 SiMnVBE（E为特级优质），已由国家知识产权局授以专利权，专利号是：ZL98113532.3。

　　从有关设计和制造单位了解到，我国超过M30的大直径尺寸高强度螺栓的需求和应用发展很快。在桥梁与隧道钢结构工程中，已应用的有M36与M42的，在输变电工程中有用M45的，在建筑钢结构工程中大规格网架高强度螺栓有用到M64、M70、M85及M90的。以目前发展应用最快的风力发电机组和塔架为例，各部件应用高强度螺栓的规格中，均有超过M30的。38 SiMnVBA钢在大规格高强度螺栓力学性能经国家钢铁材料测试中心（2008）钢测（L）字第1424号分析测试报告（2008.07.11）见表二．从表中可以看出大部分编号和绝大部分力学性能都通达到或超过GB/T 1231-2006对M30的基本要求。个别编号中的个别力学性能稍差，可通过调整热处理工艺与微调钢的成分来解决。　

　　按我国重大基础研究项目（973）“新一代钢铁材料的重大基础研究”，对该钢进行“超细晶粒控制轧制”后，其抗拉强度σb=2030～2140Mpa，屈服强度σ0.2=1900～2010Mpa；伸长率δ5=12～15％，面缩率Ψ=48～55％；这样高的强韧性在国际上是少有的，使我国在国际竞争中处于很有力的地位。尤其是这种专利钢的低温冲击韧性强度在－60℃时的低温冲击韧性是我国弹簧钢性能最高、铁道部专用钢60Si2CrVAT的1.83倍，是60Si2CrVAT室温冲击韧性的1.53倍。这对在寒冷地区以及特大雪冻工程建筑用的钢产品防止冷脆断很有实用价值。而其价格却不到进口材料的l/3。如表二所示用38SiMnVBE试制的大于M30的各种大规格高强度螺栓，填补了国内的空白。

　　 无论是钢桥、钢桁架-混凝土组合结构桥、波形钢腹板PC梁桥，其钢结构的最大弊端是锈蚀问题，目前在防蚀措施上采取了各种涂装的工艺办法，已初见成效，但有的工序太多，施工费时费力，其耐久寿命能否达到30年以上尚存在质疑，而且有些涂装材料对环保有一定影响。所以管养单位提出要求高可靠性、低成本、高寿命防蚀设计且施工简便的愿望是非常迫切的。当今世界上发达国家基本上大多采用了电弧涂锌、铝、锌铝伪合金的工艺，效果很好，一次喷涂最多三道工序：钢材基表面喷砂铲白后立即用电弧喷涂锌铝伪合金．环氧封孔．氟碳面层处理。用盐雾喷射试验证实，钢基材表面可保50年不锈蚀，对其面层氟碳涂层，则仅需20～25年喷涂一次。一个工天就可喷涂400平米，是当前钢结构防锈蚀的最佳工艺选择。20世纪90年代引进后，我国的电弧喷涂工艺得到了进一步完善，大大提高了钢表面的防蚀能力，提高了生产效率，由于维修频率低，也就降低了成本，已广泛用于钢结构的长效防腐体系的机制中。详情已有多篇论文介绍，不拟赘述了。

　　 钢-混组合结构桥梁由两种材料各自作为一种构件存在，需通过一定的连接件相互结合成一体的共同承担作用力的结构。同钢筋混凝土结构桥梁相比，可以减轻恒载自重。尤其是用波折形钢板代替混凝土腹板的组合箱梁，这种钢腹板可以在工厂加工，施工方便，它的丰要特点是在顺桥方向的波折效果可提高混凝土翼板的预应力效果，且抗剪性能强，避免了混凝土腹板经常开裂的弊端。不仅可以降低其轴向刚度，而且可以提高其屈曲强度。从经济角度看，由于自重减轻，可增加有效使用空间，降低基础造价，节省支模工序和模板，加快施工周期。因而是具有较好发展前景的新型桥梁结构体系之一。但波形钢腹板PC箱梁和钢筋混凝土预应力箱梁一样，顶板厚度首先要满足桥面板的受力要求和力筋构造的要求；而底板需满足正弯距下、力筋通过的构造要求。为了提高顶、底混凝土板的抗压和一定的抗拉强度。有二种方法建议改善：一是用高性能、高强混凝土（HPC），一些发达国家把它作为耐久性为主要设计的指标，预期这种混凝土有可提供100年以上的使用寿命，为了在严酷环境下使用，避免或减少维修困难，生产这种预制的HPC顶、底板，不但要求施工工艺非常严格，不产生缺陷，而且宜在预制后，存放一段时间（半年左右），使这种多孔性物体(施加预应力张拉)的收缩徐变完成60％左右，再在其表面涂刷一层与其性能、耐久相匹配的永久性防裂、防水的水泥基础渗透结晶型特效防水材料-XYPEX浓缩剂，可以确保其完成全寿命的使用期，这已在国内、外许多重大工程实践所证明了的。采用这种高性能高强的混凝土及首期保养措施，可以避免重大维修，节约资源，降低工程综合造价且有利于环保。而制作这种高性能混凝土要解决以下几个难题：

　　 （1）既要水灰比低（在0.4以下），又要保证其较大的坍落度，来保证在浇筑质量，也就是既要有高强度，也要有可操作性。当前解决的办法是掺加超塑化剂，可使流动度大大提高，但时问很短，只能保持10几分钟，所以只能在工厂或工地边拌制，边浇筑，不能有较长的运输时间。
　　 （2）为保证具有足够的流动性，势必就要求有较大用量的胶凝材料，但随着胶集比的增大，混凝土的弹性模量就会有所下降，混凝土的收缩也会有所增加。而当胶凝材料用量太小时，就难以保证良好的操作性，混凝土容易发生离析、分层。硬化后的混凝土薄弱瑕疵界面将增多，密实度难以保证，也就易受外界腐蚀物质的侵蚀，所以必须要调整好配合比。
　　 （3）高性能混凝土对原材料的材质要求较严

　　 1）水泥：最好选择强度高且具有良好的流动性能，且能与高效减水剂有良好相容性的52.5级以上的硅酸盐水泥，其质量必须符合GB175-1999的要求：
　　 2）粗骨料：最好采用强度高的金属矿石粗骨料，有条件时应通过冲洗干净，最大粒径不应大于30mm且在5～30mm的良好级配范围内；
　　 3）矿物细掺料：主要以矿渣微粉、粉煤灰、硅粉等活性矿物掺合料复合并深加工而成。其指标应各自达到GB/TJ08．501-999；GBl596-91；JTJ275-2000附录A的要求；
　　 4）细骨料：中(河)砂，品质应符合JTJ288．36的规定，细度模数2.6～3.0，符合II区颗粒级配；
　　 5）拌和用水：饮用水；
　　 6）外加剂：其主要性能是改善新拌制混凝土和硬化混凝土的性能，如高效减水剂、缓凝剂、引气剂等。外加剂的掺量应小于5％，使用时应适当延长搅拌时间，藉以获得均匀拌和的混合物。

　　 这里必须指出：高性能混凝土在实验室配置时，比较容易符合要求。但在工地施工过程中，由于客观种种条件的限制，都要确保在稳定的质量水平上，就较困难，这就要求现场的试验员和质检员，必须具有较高的技术素质外，还应有高度的责任感，时时注意各种条件和环境因素等的变化，因地制宜适时调整好配合比和各种工艺参数，方能搅拌出符合质量标准的HPC。

　　 （4）高性能混凝土的开裂问题

　　 近年在国内、外的工程中多有发生，还有一定的负面反应。由于水灰比小，自缩率增大，增加了开裂的因素，所以早期开裂问题已成为制约其发展应用前景。尤其HPC在养护期间的温度和湿度控制要求更为严格，所以除需解决上述难点外，建议掺和适量的膨胀剂和纤维材料来防止早期开裂的问题。

　　 第二种方法是建议采用优质胶联成排钢纤维，同时掺加XYPEX掺合剂拌制的特种混凝土，它的主要特点除可提高混凝土的抗压强度外，且同时具有相当大的抗弯性和抗剪性能，并具有良好的韧度、抗裂、抗震、抗渗多功能的优点。而且还可显著提高抗冲击能力、耐磨能力。尤其配合XYPEX掺合剂或浓缩剂的使用，则是强强联合，可以制成特种高强耐久的混凝土结构。这种强化型钢纤维混凝土配制施工方法简便，与普通钢筋混凝土同尺寸截面相比，不仅可以提高各项技术指标，优化工程质量，同时可以节省大量钢筋和水泥用量，在保证工程质量的前提下，大大降低工程的综合总造价。
　　 近年来，越来越多的桥梁成功地使用了双钢(钢纤维加钢筋)混凝土作桥面板或桥面铺装层，取得了很好的技术经济效果。钢纤维作为混凝土搅拌时添加材料，在施工时既不费时费力，也不需要延长搅拌时间。但选材时，钢纤维的分类、型号和形状不同，其性能则有很大的差别，兹列表介绍如下：(见表三)　　　　

　　从表四中可以看出，冷拉钢纤维的性能最好，它的母材是优质盘条钢筋，材料本身具有很高的纯净度要求，它的加工工艺是冷拉，从直径5.5mm～6.5mm的盘条，经过几十道拉拨工序，最后拉成直径0.55mm～1.05mm的钢丝，制成的纤维的抗拉强度均超过1150Mpa，高抗拉强度的钢纤维在混凝土中能充分分散应力。使裂缝得到有效控制；铣削型钢纤维的母材是钢锭，通过刀具铣削加工成型，由于受到母材自身抗拉强度的限制，所制成的钢纤维的抗拉强度同于或等于600Mpa；剪切钢纤维的母材是钢板，通过刀具切断加工成型，由于受到母材自身抗拉强度的限制，所制成的钢纤维的抗拉强度通常低于380Mpa。
　　 为此，下面仅把前二种型号的钢纤维的基本性能作一些比较，见表五所示。长径比L/D越大，混凝土性能越好，钢纤维直径越小，单位体积内分布的钢纤维就越多，分散性越好，作用点多。钢纤维对混凝土结构的强化加固是三维截面的、整体的，且各向同性的，在混凝土中无论哪个部位，钢纤维都能起到增强加固作用。　
　　在桥面铺装层中，每方混凝土中，掺铣削型钢纤维需要60公斤，而掺SD75型冷拨型的钢纤维仅需20公斤。每公斤的钢纤维根数约为4500根，每立方混凝土中的钢纤维就有90000根左右。极高的钢纤维分布密度，对防止裂缝的弥散作用大，能充分控制裂缝宽度在0.2mm以下。

　　 混凝土工程由于受各种条件和不利因素的影响，发现裂缝，往往是难免的。过去，我国的土建工程界普遍认为混凝土结构没有不出现裂缝的，裂缝是混凝土的常发病，只要不超过一定深度和宽度，是不会有害的。这种错误认识，导致了工程隐患丛生。为了防止由于裂缝产生招致外界腐蚀物质的侵蚀，确保其耐久性达到全寿命的使用期，可以采取二个措施：

　　 一是在搅拌混凝土时，同时加入XYPEX掺合剂，掺量为胶结料的1％，当混凝土结构发生细微裂缝时，大气中的水气就会侵入，这种掺合剂利用其中的活性化学材料一催化剂就以水为介质来催化混凝土中未水化的水泥颗粒，使其结成枝蔓状的晶体，使混凝土裂缝自我愈合密实，从而可防止水和其他有害物质的侵蚀。清华大学水利水电工程系于2006年四月在“XYPEX掺合剂材料自愈抗渗性能试验研究报告”中得出的结论：“…从试验结果可以看出，XYPEX掺合剂可以增强和延缓混凝土中的可回复性损伤，减少不可回复性损伤，对混凝土抗渗自愈性能有显著改善。”
　　 二是当混凝土顶、底板作为预制件结构时，若在存放6个月后，出现的裂缝宽度在0.4mm以下时，可采用XYPEX浓缩剂在其表层涂刷，用量为1kg/m2，雾水养护三天后，可以一劳永逸地达到无裂纹混凝土结构。若SD75钢纤维混凝土与XYPEX材料配合使用，对制成特种高强、耐久性达100年以上的混凝土结构的愿望，是完全有可能实现的。

　　3．结语

　　 “实践是检验真理的唯一标准，提高组合结构桥梁耐久性的关键除提高施工质量外，在养护措施上，材料比选上也是重要因素。一切结论的正确性来源于科学实验的数据。