环境变化对城市桥梁结构安全的影响

环境变化对城市桥梁结构安全的影响

刘军

南通轩景建设工程有限公司 江苏如皋市 226532

摘要：随着全球气候变化和城市化进程的加速，环境因素对城市桥梁结构的安全和稳定性带来了前所未有的挑战。本文详细分析了温度变化、降水和洪水以及环境腐蚀等环境变化因素对城市桥梁结构安全的主要影响，探讨了在不同环境条件下桥梁结构的易损部位，包括桥台和桥墩、主梁和横梁、桥面铺装和排水系统。基于这些分析，本文进一步提出了提高桥梁环境适应性和结构安全的对策，如优化桥型结构设计、选择抗环境性能优异的材料以及完善桥梁维护与管理措施。这些对策旨在为城市桥梁的设计、建造和维护提供指导，以应对日益严峻的环境挑战。

关键词：环境变化；城市桥梁；结构安全；适应性对策

引言：城市桥梁作为城市交通的重要组成部分，其安全运营对城市经济和居民生活至关重要。然而，全球气候变化导致的极端天气事件增多，以及城市化进程中环境污染的加剧，对桥梁结构的安全和稳定性构成了严峻挑战。温度的剧烈波动、频繁的降水和洪水事件以及化学腐蚀等环境因素，都可能影响桥梁结构的完整性和功能性。因此，深入了解环境变化对城市桥梁结构的具体影响，识别桥梁结构的易损部位，并采取有效的适应性对策，对于保障城市桥梁的长期安全运营具有重要意义。

一、环境变化对城市桥梁的主要影响

(一)温度变化引起的影响

温度变化对城市桥梁结构安全的影响显著，尤其是在极端气候条件下。高温环境会导致桥梁材料膨胀，而低温环境则会引起收缩。这种膨胀和收缩不仅影响桥梁的结构稳定性，还可能引起桥梁组件间的位移和应力集中，长期下去可能导致裂缝的产生和扩展。对于使用混凝土和钢材的桥梁来说，温度变化还可能加速材料的老化过程，影响其耐久性。此外，温差引起的冻融循环对桥梁的损害尤为严重，尤其是在冬季，水分渗入微小裂缝内冻结后体积膨胀，进一步破坏桥梁结构。

(二)降水和洪水的影响

降水和洪水对城市桥梁的影响主要表现在水流冲刷和水位上升。强降水和洪水事件会导致河流水位急剧上升，增加桥墩的侧向水流压力，对桥墩和桥基造成冲刷，甚至可能导致桥墩局部或全部倒塌。此外，持续的高水位还会对桥梁的排水系统造成压力，影响桥面的排水效果，长期积水还会加速桥梁材料的腐蚀。对于低洼或易洪水侵袭的地区，洪水还可能导致桥梁的使用和通行中断，影响城市交通的正常运行。

(三)环境腐蚀的影响

环境腐蚀对城市桥梁结构的长期安全构成威胁。大气中的污染物，如二氧化硫、氯化物离子等，会加速桥梁材料的腐蚀过程，特别是对金属构件和混凝土内部钢筋的腐蚀。海洋环境中的盐分对近海城市的桥梁尤为致命，盐雾和喷溅的海水会加速钢材的锈蚀和混凝土的盐害，降低桥梁结构的承载能力和延长性。环境腐蚀不仅影响桥梁的外观，更重要的是会逐渐削弱桥梁的结构强度，增加维修成本，严重时甚至威胁桥梁的整体安全。

二、不同环境变化作用下桥梁结构易损部位

(一)桥台和桥墩

桥台和桥墩是承担桥梁主体重量的关键结构，它们直接接触水体，因此极易受到环境变化的影响。在洪水和持续降雨的条件下，水流冲击和土壤侵蚀会对桥墩和桥台的稳定性构成威胁。水流冲刷可以导致桥墩基础周围土壤松动或被冲走，减少了对桥墩的支撑，增加了倾斜或崩塌的风险，桥台和桥墩也容易受到化学腐蚀的影响，尤其是在污染较重的城市水体中，溶解的化学物质会加速混凝土和钢筋的腐蚀过程，降低结构的安全性能。

(二)主梁和横梁

主梁和横梁作为桥梁的主要承载结构，其安全状况直接关系到桥梁的整体稳定性。温度变化是导致主梁和横梁损害的主要环境因素之一。温度的升高或降低会导致材料膨胀或收缩，引起应力集中，长期循环作用可能导致裂缝的产生和扩展。在极端气候条件下，如冰冻天气，冻融循环会加剧混凝土内部的损伤，影响其承载能力。同时，环境腐蚀也会对主梁和横梁的金属部件，如钢梁或预应力钢筋造成损害，减少其使用寿命和承载力。

(三)桥面铺装和排水系统

桥面铺装和排水系统是保障桥梁正常使用和行车安全的重要组成部分。桥面铺装在长期车辆荷载和环境因素的双重作用下，容易出现磨损、裂缝、坑洞等损害，特别是在温度波动大和降水频繁的环境中，这些损害会更加严重。桥面排水系统的功能是排除桥面积水，保持桥面干燥，避免水对桥面和桥梁结构的侵蚀作用[1]。然而，在极端降水事件中，排水系统的容量可能不足以处理大量雨水，导致积水，不仅影响行车安全，还可能加速桥面铺装的损坏，排水系统本身也可能因为堵塞、腐蚀等问题失效，影响其排水效率。

三、提高桥梁环境适应性和结构安全的对策

(一)优化桥型结构设计

优化桥型结构设计是提高桥梁环境适应性和结构安全的关键对策之一。设计阶段应充分考虑环境因素的影响，如地区特有的气候条件（极端温度、风速、降水量等）、地质状况以及潜在的环境腐蚀风险。通过采用适应性强、抗环境影响能力高的桥型和结构布局，如使用较大跨度减少桥墩数量以降低水流冲刷风险，或设计易于排水的桥面结构，可以显著提高桥梁的稳定性和耐久性

[2]。同时，采用先进的分析和设计工具，如风洞实验和计算流体动力学（CFD）模拟，可以更准确地预测和应对环境变化对桥梁的影响。

(二)选择抗环境性能优异的材料

选择抗环境性能优异的材料是确保桥梁长期安全运行的重要措施。这包括选用高耐久性的混凝土、防腐蚀的钢材、以及具有良好抗氧化和耐候性的涂层材料。例如，使用硫酸盐抗性混凝土和海水混凝土在腐蚀环境中可以减少化学损害；采用不锈钢或镀锌钢筋可有效防止钢筋锈蚀，应用新型高性能复合材料，如碳纤维和玻璃纤维增强塑料（GFRP/CFRP）等，不仅能提高结构的承载力，还能增加桥梁对环境变化的适应能力。

(三)完善桥梁维护与管理措施

完善的桥梁维护与管理措施是确保桥梁能够抵御环境变化、延长使用寿命并保障其安全运营的关键。这一策略涵盖了从定期检查到先进监测技术的应用，以及根据检测结果采取的具体维护行动。建立和执行一个全面的定期检查和评估体系至关重要，这不仅包括对桥梁表面的视觉检查，还应包括结构内部的检查，以便及时发现和修复潜在的结构问题，防止小问题演变成大问题。利用无损检测（NDT）技术，如声波反射技术、磁粉检测和穿透检测等，以及结构健康监测系统，如应变计和加速度计的布置，可以实现对桥梁结构性能的实时监控，及时发现裂缝、变形或腐蚀等问题，从而提前采取预防或修复措施。根据桥梁的实际使用状况和所处环境的特点，制定和执行针对性的维护计划也十分必要。例如，对于易受洪水侵袭的桥梁，需要定期清理排水系统，确保雨水快速排走，减少水流对桥墩的冲刷；对于处于腐蚀性环境中的桥梁，如海边或工业区附近的桥梁，定期涂刷新的防腐蚀层，以及加固易受腐蚀影响的部位，是延长桥梁寿命的重要措施[3]。加之，环境条件的变化，如温度波动和化学物质的侵蚀，要求桥梁的维护计划必须灵活调整，以适应这些变化。加强桥梁管理人员的培训，提升他们对环境变化及其对桥梁结构影响的认识，对于提高桥梁结构安全至关重要。培训内容应包括最新的桥梁检测技术、维护材料和方法，以及环境变化对桥梁可能造成的影响和相应的应对措施。通过提高管理人员的专业能力，可以确保他们能够有效识别和应对各种环境变化对桥梁可能带来的风险，从而采取适时、有效的维护和修复措施，保障桥梁的安全和稳定运行。

结语

在城市发展和环境变化的背景下，城市桥梁结构安全问题显得尤为重要。本文从温度变化、降水洪水、环境腐蚀等方面分析了环境变化对城市桥梁安全的影响，探讨了不同环境变化下桥梁易损部位，并提出了优化桥型结构设计、选择抗环境材料、完善维护管理等对策。通过这些对策的实施，可以有效提高城市桥梁的环境适应性和结构安全，确保城市交通的畅通和城市发展的可持续性。

参考文献

[1]穆祥纯.论城市桥梁结构的安全度和耐久性问题[C]//第十六届全国桥梁学术会议论文集（上册）.2004.DOI:ConferenceArticle/5aa4f454c095d72220d281f2.

[2]张博阳.盾构施工对既有桥梁桩基影响及控制措施研究[D].2019.

[3]李一博,彭斌,顾蓉柳,等.冲刷条件下桥梁结构动力性能仿真分析[J].水资源与水工程学报,2013(1):5.DOI:10.3969/j.issn.1671-0487.2014.05.665.