公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范講稿三

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》

（JTGD62—2004）

學習與應用講評二零零四年第三章混凝土結構的耐久性設計

新頒布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規(guī)范》(JTGD62-2004)(以下簡稱《橋規(guī)

JTGD62》)在總則中增加了耐久性設計內容，提出了公路橋涵結構應根據所處的環(huán)境條件進行耐久性設計的概念。2004年5月出版的中國土木工程學會標準《混凝土結構耐久性設計與施工指南》(CCES01-2004)(以下簡稱《耐久性設計與施工指南CCES01》)進一步提出了混凝土結構及其構件的耐久性應根據不同的設計年限及相應的極限狀態(tài)和不同的環(huán)境類別及其作用等級進行設計的概念，明確提出了環(huán)境作用下混凝土結構耐久性設計與施工的基本原則與要求。

長期以來，人們受混凝土是一種耐久性能良好的建筑料這一認識的影響，忽視了鋼筋混凝土結構耐久性問題，造成了鋼筋混凝土結構耐久性研究的相對滯后，并為此付出了巨大的代價。國內外大量調查分析發(fā)現，引起混凝土結構耐久性失效的原因存在于結構設計、施工及維修的各個環(huán)節(jié)。雖然在許多國家的設計規(guī)范中都明確規(guī)定鋼筋混凝土結構的耐久性要求，但是，這一宗旨并沒有充分地體在具體設計條文中，致使在以往的乃至現在的工程設計中普遍存在重視強度設計而輕視耐久性設計的現象。我國1989年頒布的《混凝土結構設計規(guī)范》和1985年頒布的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》涉及結構耐久性的內容很少，除了一些保證結構耐久性的構造措施的一般規(guī)定之外，只對影響混凝土耐久性的裂縫寬度加以控制。實踐證明，裂縫控制對結構耐久性設計并不起決定性作用。新頒布的《橋規(guī)JTGD62》增加了耐久性設計內容，特別是《耐久性設計與施工指南CCES01》提出的混凝土結構應根據不同設計年限及相應的極限狀態(tài)和不同的環(huán)境進行類別及其作用等級進行耐久性設計的概念。明確提出了環(huán)境作用下混凝土結構的耐久性設計與施工的基本原則與要求，是結構設計理念上的重大突破，是工程結構科學的重大技術進步，對提高設計質量具有指導意義?；炷两Y構的耐久性是指結構對氣候作用、化學侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），環(huán)境中的水及侵蝕性介質就可能滲入混凝土內部，產生碳化，凍融，銹蝕作用而影響結構的受力性能。并且結構在使用年限內還會受到各種機械物理損傷（腐損，撞擊等）及沖刷、溶蝕、生物侵蝕的作用?；炷两Y構的耐久性問題表現為：混凝土損傷（裂縫、破碎、酥裂、磨損、溶蝕等）；鋼筋的銹蝕，脆化、疲勞、應力腐蝕；以及鋼筋與混凝土之間粘結錨固作用的削弱等三個方面。從短期效果而言，這些問題影響結構的外觀和使用功能；從長遠看，則會降低結構安全度，成為發(fā)生事故的隱患，影響結構的使用壽命。

一、混凝土結構的耐久性影響混凝土結構耐久性的因素十分復雜，主要取決于以下四個方面：（1）混凝土材料的自身特性；（2）混凝土結構的設計與施工質量；（3）混凝土結構所處的環(huán)境條件；（4）混凝土結構的使用條件和防護措施。

混凝土材料的自身特性和結構的設計與施工質量是決定其耐久性的內因?；炷恋牟牧辖M成，如水灰比、水泥品種和數量，骨料的種類與級配都直接影響混凝土結構的耐久性?；炷恋娜毕荩ɡ缌芽p，氣泡，空穴等）都會造成水分和侵蝕性物質滲入混凝土內部，與混凝土發(fā)生物理化學作用，影響混凝土結構的耐久性。

混凝土結構所處的環(huán)境條件和防護措施，是影響混凝土結構耐久性的外因。外界環(huán)境因素對混凝土結構的破壞是環(huán)境因素是對混凝土結構物理化學作用的結果。環(huán)境因素引起的混凝土結構損傷或破壞主要有：

（1）混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氫氧化鈣與滲透進混凝土中的二氧化碳和其它酸性氣體發(fā)生化學反應的過程。一般情況下混凝土呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護鋼筋免遭酸性介質的侵蝕，起到了“鈍化”保護作用。碳化的實質是混凝土的中性化，使混凝土的堿性降低，鈍化膜破壞，在水分和其它有害介質侵入的情況下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。(2)氯離子的侵蝕氯離子對混凝土的侵蝕是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯離子的主要來源，北方寒冷的冬季向道路、橋面灑鹽化雪除冰都有可能使氯離子滲入混凝土中。氯離子對混凝土的侵蝕屬于化學侵蝕，對結構的危害是多方面的，但最終表現為鋼筋的銹蝕。（3）堿骨料反應堿—骨料反應一般指水泥的堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應，生成堿—硅酸鹽凝膠，并吸水產生膨脹壓力，造成混凝土開裂。堿—骨料反應引起的混凝土結構破壞程度，比其他耐久性破壞發(fā)展更快，后果更為嚴重。堿—骨料反應一旦發(fā)生，很難加以控制，一般不到兩年就會使結構出現明顯開裂，所以有時也稱堿骨料反應是混凝土結構的“癌癥”。

(4)凍融循環(huán)破壞滲入混凝土中的水在低溫下結冰膨脹，從內部破壞混凝土的微觀結構。經多次凍融循環(huán)后，損傷積累將使混凝土剝落酥裂，強度降低。(5)鋼筋銹蝕鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性和使用壽命的重要因素?；炷林袖摻罡g的首要條件是混凝土的碳化和脫鈍，只有將覆蓋鋼筋表面的堿性鈍化膜破壞，加之有水分和氧的侵入，才有可能引起鋼筋的腐蝕。鋼筋腐蝕伴有體積膨脹，使混凝土出現沿鋼筋的縱向裂縫，造成鋼筋與混凝土之間的粘結力破壞，鋼筋截面面積減少，使結構構件的承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導致結構的完全破壞。值得注意的是，幾乎所有侵蝕混凝土和鋼筋的作用都需要有水作介質。另一方面，幾乎所有的侵蝕作用對混凝土結構的破壞都與侵蝕作用引起的混凝土膨脹，并都與最終的混凝土開裂有關。而且當混凝土結構開裂后，腐蝕速度將大大加快?；炷两Y構的耐久性將進一步惡化。在影響混凝土結構耐久性的諸多因素中，鋼筋銹蝕危害最大，鋼筋銹蝕與混凝土碳化有關，混凝土保護層碳化是鋼筋銹蝕的前提，水分、氧氣的存在是引起鋼筋銹蝕的必要條件。因此，提高混凝土結構耐久性的根本途徑是增強混凝土密實度，防止或控制混凝土開裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保護層的厚度，防止由于混凝土保護層碳化引起鋼筋鈍化膜的破壞。二、混凝土結構耐久性設計原則混凝土橋梁結構的耐久性取決于混凝土材料的自身特性和結構的使用環(huán)境，與結構設計、施工及養(yǎng)護管理密切相關。綜合國內外研究成果和工程經驗，一般是從以下三個方面解決混凝土橋梁結構的耐久性：（1）采用高耐久性混凝土，增強混凝土的密實度，提高混凝土自身抗破損能力；（2）加強橋面排水和防水層設計，改善橋梁的環(huán)境作用條件；（3）改進橋梁結構設計，其中包括加大混凝土保護層厚度；加強構造鋼筋，防止控制裂縫發(fā)展；采用具有防腐保護的鋼筋（例如：體外預應力筋，無粘結預應力筋，環(huán)氧涂層鋼筋等）。1.結構混凝土耐久性的基本要求提高混凝土自身的耐久性是解決混凝土結構耐久性的前提和基礎?；炷恋哪途眯灾饕Q于混凝土的材料組成，其中水灰比，水泥用量，強度等級均對耐久性有較大影響。新頒布的《橋規(guī)JTGD62》在總則中增加耐久性設計內容，明確規(guī)定了不同使用環(huán)境下，結構混凝土的基本要求，對影響混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低強度等級、最大氯離子含量和堿含量做出了限制規(guī)定。《橋規(guī)JTGD62》規(guī)定，公路橋涵應根據所處環(huán)境進行耐久性設計。結構混凝耐久性的基本要求應符表2-1的要求：表2-1

結構混凝土耐久性的基本要求環(huán)境類別環(huán)境條件最大水灰比最小水泥用量(kg/m3)最低混凝土強度等級最大氯離子含量（%）最大堿含量（kg/m3）Ⅰ溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境；與無侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境0.55275C250.303.0Ⅱ嚴寒地區(qū)的大氣環(huán)境；使用除冰鹽環(huán)境；濱海環(huán)境0.50300C300.153.0Ⅲ海水環(huán)境0.45300C350.103.0Ⅳ受侵蝕性物質影響的環(huán)境0.40325C350.103.0注：1、有關規(guī)范對海水環(huán)境結構混凝土中最大水灰比和最小水泥用量有關詳細規(guī)定時，可參照執(zhí)行；2、表中氯離子含量系指其與水泥用量的百分率；3、當有實際工程經驗時，處于Ⅰ類環(huán)境中結構混凝土的最低強度等級可比表中降低一個等級；4、預應力混凝土構件混凝土中的最大氯離子含量為0.06%，最小水泥用量為350kg/m3，最低混凝土強度等級為C40，或按表中規(guī)定Ⅰ類環(huán)境提高三個等級，其他環(huán)境類別提高二個等級。5、特大橋和大橋混凝土中的最大堿含量為1.8kg/m3，當處于Ⅲ、Ⅳ類或使用除冰鹽和濱海環(huán)境時，宜使用非堿活性骨件。<橋規(guī)JTG.D62>規(guī)定，對水位變動區(qū)有抗凍要求的結構混凝土，其抗凍等級不應低于表2-2的規(guī)定。注：1、混凝土抗凍性試驗方法應符合現行標準<公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程>JTJ053的規(guī)定。2、墩、臺混凝土應選比表列值高一級的抗凍等級?！赌途眯栽O計與施工指南CCES01》按結構設計使用年限、級別和環(huán)境作用等級對配筋混凝土的最低強度等級；最大水灰比和單方混凝土膠凝材料的最低用量作出了限值規(guī)定(見表3)。橋梁所在地區(qū)海水環(huán)境淡水環(huán)境嚴重受凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫低于－8℃）F350F250受凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫在－4~－8℃之間）F300F200微凍地區(qū)（最冷月月平均氣溫在0~－4℃之間）F250F150表2-2水位變動區(qū)混凝土抗凍等級選用標準表3砼最低強度等級、最大水膠比和膠凝材料最小用量(kg/m3)環(huán)境等級級別

設計使用年限一級100年二級50年三級30年侵蝕程度A可忽略C30,0.55,280C25,0.60,260C25,0.65,240B輕度C35,0.50,300C30,0.55,280C30,0.60,260C中度C40,0.45,320C35,0.50,300C35,0.50,300D嚴重C40,0.40,340C40,0.45,320C40,0.45,320E非常嚴重C45,0.36,360C40,0.40,340C40,0.40,340F極端嚴重C45,0.32,380C40,0.36,360C40,0.35,360注：1、水膠比：混凝土配制時的用水量與膠凝材料（水泥加礦物摻和料）總量之比。在耐久混凝土的配合比中，常以膠凝材料用量的概念取代傳統(tǒng)的水泥用量，并以水膠比取代傳統(tǒng)的水灰比作為判斷混凝土密實性或耐久性的一個宏觀指標。。2、橋梁結構處于露天環(huán)境，非寒冷地區(qū)環(huán)境作用等級一般取B級，寒冷及嚴寒地區(qū)一般取D級或C級，除冰鹽、凍融環(huán)境一般取D級或E級，近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境一般取D或F級。應該指出，表2或表3中給出的影響結構混凝土耐久性的各項限值規(guī)定中，控制混凝土的最大水灰比(或水膠比)和最小水泥(或膠凝材料)用量是十分重要的。水灰比(或水膠比)和水泥(或膠凝材料)用量不僅影響混凝土的強度，而且是影響混凝土耐久性的主要因素。為了防止鋼筋腐蝕以及提高混凝土的抗凍性，混凝土應盡可能地密實，使其具有良好的抗?jié)B透性能。為此，遵除了選震擇級配校良好的泡集料和樣精心施瞇工保證筍混凝土扁充分搗霉實和水衫泥充分璃水化外焰，水灰粱比是影服響混凝仇土密實浙性的最課重要的時條件。效為了保矛證混凝宅土有足項夠的耐桂久性，則控制最畜低水泥防用量也列很重要兇的，因望為單位落水泥用返量較高卸的混凝稼土，混匠凝土拌強合物比澡較均勻梅，可減闊少混凝寧土搗實事中出現臣的局部冰缺陷。故混凝土蘆抗凍融桑的能力臟與其含前氣量有戴密切關斗系，因圣此，有升抗凍要留求的結拍構混凝鋼土應摻井入適量爛的引氣使劑。2．把加大薦鋼筋營的混援凝土肅保護逆層厚駕度混凝土尾碳化是規(guī)鋼筋銹露蝕的前昆提。就辯一般情安況而言粥，只有勇保護層露混凝土嶺碳化，市鋼筋表墳層鈍化祖膜破壞牽，鋼筋姐才有可卡能銹蝕秋。因此厲，加大垂鋼筋的溉混凝土率保護層清厚度，便是保護蜓鋼筋免距于銹蝕真，提高籠混凝土微結構耐受久性的議最重要居的措施眉之一。《橋摔規(guī)JTG壓D6籠2》給出的溉鋼筋最準小混凝扭土保護類層厚度丹列于表磨4。序號構件類型環(huán)境條件ⅠⅡⅢ、Ⅳ1基礎、樁基承臺（1）基坑底面有墊層或側面有模板（受力鋼筋）（2）基坑底面無墊層或側面無模板4060507560852墩臺身、擋土結構、涵洞、梁、板、拱圈、拱上建筑（受力主筋）3040453人行道構件、欄桿（受力主筋）2025304箍筋2025305緣石、中央分隔帶、護攔等行車道構件3040456收縮、溫度、分布、防裂等表層鋼筋152025表4普通鋼屆筋和預鹿應力直針線鋼筋探最小混李凝土保枝護層厚駛度（mm）注：1傻.對逆于環(huán)氧炮樹脂涂戰(zhàn)層鋼筋平，可按梯環(huán)境類毯別Ⅰ取默用；2.保帝護層厚姓度大于誓50mm時，漆亦在桐保護活層內主設置繼鋼筋喂網?！赌唾R久性富設計蔽與施色工CCE露S01湊》規(guī)定炮，鋼群筋的厚混凝池土保天護層庸厚度C一般冶應不佳小于政表給禍出的割最小檢保護奪層厚隆度與港保護稀層厚裕度施害工負驢允差個△之圈和，杰即C≥Cmin+△，式中漿的施軌工負緞允差扇△對怕現澆漠混凝蘋土構跑件可赤取5翼~1丹0mm，對工買廠生棒產的出預制權構件從可取肅0~禁5mm，視鋼縣筋施完工定園位工慎藝和鵲質量螞保證趙的可帖靠程諸度而波定，問必要溉時可嘩取更傘高的登數值表5主混凝土搭保護層俊最小厚功度（mm）環(huán)境作用等級ABCDEF板、墻等面形構件使用年限30年151525354550使用年限50年152030405055使用年限100年203040455560梁、柱等條件構件使用年限30年202530405055使用年限50年253035455560使用年限100年3035455060653．荒加強青構造序配筋判，防甩止和遵控制逼混凝程土裂腸縫混凝土慰結構的菠任何損吉傷與破蠟壞，一棚般都是瓣首先在假混凝土礎中出現趙裂縫，牽裂縫是源反映混筒凝土結句構病害她的晴雨皮表。反道過來，述裂縫的菜存在會糕增加混濾凝土滲腿透性，饞提拱了默使侵蝕襪破壞作舌用逐步達升級，殃混凝土個耐久性釋不斷下紀降的渠再道。當胃混凝土帶開裂后慌，侵蝕傲速度將動加大加剛快，形先成導致捏混凝土半結構耐鑰久性的統(tǒng)進一步偶退化的喚惡性循學環(huán)。因鄙此，防貼止和控泄制混凝耳土的裂量縫，對插提高混柿凝土結然構的耐淹久性是勵十分重早要的。敏控制混胡凝土的揭裂縫，煙除按規(guī)炮范要求鏟，控制越正常使辰用極限板狀態(tài)的承工作裂釣縫以外估，更重貪要的是蹲要采取掩構造措汗施，控考制混凝蛾土施工性及使用若過程大必量出現版的非工別作裂縫序。《橋規(guī)JTG茄D6布2》突出強羽調了加萍強水平雖防縮鋼翠筋和箍追筋在控父制裂縫蠟中的作緩用，提彩高了水扮平防收棵縮鋼筋未的配筋那率和箍以筋間距描的限制頂?！稑蛞?guī)JTG屢D6盤2》規(guī)定極，T形、I形截面西梁或箱踏形截面潛梁的腹變板兩側飲，應設戚置直徑夾6~8mm的縱向丘鋼筋(料一般稱悶水平防暢收縮鋼青筋)，賀每腹板稅內鋼筋擊截面面肺積宜為閃（0.喜001沫~0.猶002叢）bh，其中b為腹該板寬艱度，h為梁哀的高廚度，表其間止距在猶受拉惠區(qū)不轉大于貞腹板巡壽寬度瓶，且全不大奏于2榨00mm，在受壓爸區(qū)不應怕大于3依00mm役。在支點逮附近剪軍力較大勸區(qū)段和綿預應力盯混凝土煌梁的錨具固區(qū)段雅，腹板墳兩側縱育向鋼筋少截面面覺積應予曠增加，伶縱向鋼投筋的間補距宜為究100～15滿0mm。《橋規(guī)JT鄉(xiāng)豐G陵D6伶2》規(guī)定澇，箍鞏筋宜盆采用通直徑脹不小論于8mm的變形析鋼筋，塘且不小帽于1/求4主筋天直徑的首箍筋。機其間距蟲應符合鵝下列規(guī)偵定：箍緞筋間距雕不應大圖于梁高末的1/濫2，且忽不大于存400mm桑；當所箍甩鋼筋為子按受力吳需要的蚊縱向受旨壓鋼筋第時，不木應大于蔥所箍鋼攀筋直徑介的15裙倍，且爹不應大勉于40隙0mm合。在鋼筋澇綁扎搭默接接頭棉范圍內獸的箍筋賠間距，圍當綁扎旁搭接鋼頂筋受拉它時，不能應大于畏主鋼筋喜直徑的挺5倍，顯且不大杯于10勉0mm活；當搭接撲鋼筋受璃壓時，旗不應大引于主鋼港筋直徑載的10如倍，且落不大于黨200mm梨。在支座攜中心向脹跨徑方廁向長度晴相當于朋不小于荒一倍梁炮高范圍片內，箍胞筋間距婦不宜大春于10泰0mm漁?！稑蛞?guī)JT搭G犁D6遲2》規(guī)定，駝預應力廳混凝土T形梁，I形截戶面梁遣和箱容形截伏面梁爬腹板倚內應慢分別蛛設置訊直徑膜不小宿于1肉0mm和12mm的箍筋壩，且應陵采用帶猜肋鋼筋諷，間距起不應大賞于25屬0mm按；自支座勤中心起盲長度不烤小于一究倍梁高用的范圍嘉內，應時采用閉霧合式箍迫筋，間繭距不應烘大于1炮40mm災。在T形、I形截浪面梁役的下鴉部的距馬蹄公內，上應另臨設直兄徑不關小于近8mm的閉合渴式箍筋叫，間距并不應大燭于20輩0mm撇?！稑蛞?guī)JT綠G隱D6挽2》規(guī)定察上述孫的上筍述指疲標，礦都比伸老橋錦規(guī)有爪所提跳高。汪腹板帽內由助水平社防收予縮鋼懲筋和常箍筋悔構成炭的鋼暗筋網塵，是成防止悔和控時制收因縮裂嶼縫的接重要煩構造秩措施證。4．結提高趁后張千法預邁應力景鋼筋陜管道儀壓漿嬌質量歌的措訓施后張點法預羽應力斃鋼筋躍管道宜壓漿售質量掘是影憂響預剪應力蹄混凝混土梁蓬耐久鹽性的瞇關鍵冰之一革?！稑蛞?guī)JT挑G油D6港2》規(guī)定練，預巴應力若鋼筋迎管道膜壓漿貞所用戚水泥扁漿的盤抗壓騾強度茅不應利低于龜30MPa，其水灰更比為0敘.4-最-0.出5，為朱減少收統(tǒng)縮，可督通過試及驗摻入楚適量膨翅脹劑?！赌皖i久性舌設計喪與施手工CCE丑S01療》認為莊，預載應力貼筋的侵銹蝕特會導燭致結個構的浙突然扮破壞轎，事程先不頌易發(fā)汁現，珍在耐逃久性炒設計款中必戲須特勸別重內視，偉并宜頃采用