（工程力学专业论文）公路既有桥梁承载力评定方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近二十年来，我国公路交通基础建设迅猛发展，大量公路桥梁先后建成并在交通 运输中起到重要支撑作用。然而，既有桥梁承载力不足、病害、老化以及破损等一直 是世界性难题。依靠技术进步，对既有桥梁可靠性进行科学评估，以保证其营运的安 全可靠性显得至关重要。本文关注既有桥梁可靠性评定中的主要内容承载力评定， 综合考虑桥梁结构病害表现特征，以及桥梁现存结构技术状态与承载力的关联性，对 既有桥梁承载力进行了预测。通过工程实例，对“基于桥梁普检结果的桥梁承载力预 测 方法进行应用实践，并与现场荷载试验特殊检验方法进行了对比。 论文具体进行了以下工作： 1 、首先对我国钢筋混凝土旧桥一般性病害进行了总结，对病害产生机理进行了分 析；在此基础上，对桥梁结构技术状态进行适度量化，引入检算系数z l 、折减系数 乞、占，、恶化系数乞以及活载修正折减系数岛，并将其反映在结构抗力表达式中，建 立了“基于桥梁普检结果的桥梁承载力预测 方法；与之对应，介绍了基于规范的现 场荷载试验的桥梁承载力评定工作程序。 2 、以某简支混凝土t 梁桥的可靠性评估为工程背景，采用两种方法对其现有承载 力进行了评估，实践表明两种方法均能对既有桥梁结构承载力实现有效评定，且“基 于桥梁普检结果的桥梁承载力预测 方法具有诸多优势，在一定工程误差与条件下， 可替代或弥补桥梁现场荷载试验不足。 3 、应用“基于桥梁普检结果的桥梁承载力预测”方法，对一既有双曲拱桥进行了 承载力预测，验证了该方法的可行性、可靠性、普适性。 关键词：公路既有桥梁；病害；承载力预测；荷载试验；双曲拱桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nt h ep a s tt w od e c a d e s t h er o a dt r a n s p o r th a sd e v e l o p e dr a p i d l yd o m e s t i c al a r g e n u m b e ro fh i g h w a yb r i d g e sh a v eb e e nc o m p l e t e da n dp l a y e da ni m p o r t a n ts u p p o r t i n gr o l ei n t h er o a dt r a n s p o r t h o w e v e r , i n s u f f i c i e n tc a p a c i t yo fe x i s t i n gb r i d g e s ，d i s e a s e ，a g i n ga n d o t h e rd a m a g eh a sb e e nag l o b a lp r o b l e m r e l yo nt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，i ti sc r i t i c a lt o e n s u r es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo nt h es c i e n t i f i ca s s e s s m e n to ft h er e l i a b i l i t yo fe x i s t i n gb r i d g e f o c u s i n go nt h em a i nc o n t e n t l o a dt e s to fr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to fe x i s t i n gb r i d g e s ， c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r a ld e f e c t s a n da t t e n t i o nt h er e l e v a n c e b e t w e e nt h et e c h n i c a lc o n d i t i o na n dc a p a c i t yo ft h ee x i s t i n gb r i d g es t r u c t u r e ，t h et h e s i sh a s c a r r i e do nt h ew o r ko fc a p a c i t yp r e d i c t i o n 1 1 1 r o u g l lt h ep r o je c te x a m p l e ，”t h eb r i d g e c a p a c i t yp r e d i c t i n gm o t h o db a s i n go nt h er e s u l t so ft h eb r i d g ei n s p e c t i o n ”h a sb e e na p p l i e d c o n t r a s t i n gt h em o t h o d t h es p e c i a ll o a dt e s t i n gm e t h o dh a sb e e nd e s c r i b e d t h et h e s i sh a s t h ef o l l o w i n gw o r k ss p e c i f i c a l l y ： 1 f i r s t , t h eg e n e r a ld i s e a s eo ft h eo l dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g ew e r es u m m a r i z e d a n d t h em e c h a n i s mo fd i s e a s ew e r ea n a l y z e d o nt h i sb a s e a p p r o p r i a t eq u a n t i f m gt h et h es t a t eo f t h eb r i d g es t r u c t u r et e c h n o l o g y , i n t r o d u c i n gc a l c u l a t i o nc o e f f i c i e n t 、r e d u c t i o nf a c t o r , d e t e r i o r a t i o nf a c t o ra n dl i v el o a dr e d u c t i o nf a c t o rt ot h ee x p r e s s i o no fs t r u c t u r a lr e s i s t a n c e ， ”t h eb r i d g ec a p a c i t yp r e d i c t i n gm o t h o db a s i n go nt h er e s u l t so ft h eb r i d g ei n s p e c t i o n ”w a s e s t a b l i s h e d c o r r e s p o n d i n g ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ep r o c e d u r e so fas p e c i f i c a t i o nm e t h o d c a r r y i n ga s s e s s m e n tt ob r i d g et h r o u t ht h ef i e l dl o a d i n gt e s t s 2 w i t l lt h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do fr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n tt oas i m p l ys u p p o r t e d c o n c r e t etb e a mb r i d g e ，t w om e t h o d sw e r ea p p l i e dt oe v a l u a t i n gt h eb r i d g ee x i s t i n gc a p a c i t y i ts h o w st h a t ”t h eb r i d g ec a p a c i t yp r e d i c t i n gm o t h o db a s i n go nt h er e s u l t so ft h eb r i d g e i n s p e c t i o n ”h a sm a n ya d v a n t a g e s i nc e r t a i ne n g i n e e r i n ge r r o r sa n dc o n d i t i o n s t h em e t h o d c a nr e p l a c eo rc o m p e n s a t ef o rt h el a c ko ft h em e t h o do fb r i d g eo n s i t el o a dt e s t 3 a p p l y i n g ”t h eb r i d g ec a p a c i t yp r e d i c t i n gm o t h o db a s i n go nt h er e s u l t so f t h eb r i d g e i n s p e c t i o n ”t ot h ec a p a c i t ya s s e s s m e n to nac u r v e da r c hb r i d g ef u r t h e r ，t h ef e a s i b i l i t y , r e l i a b i l i t y , u n i v e r s a l i t yo ft h em e t h o d w a sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ：e x i s t i n gh i g h w a yb r i d g e s ；d i s e a s e s ；c a p a c i t yp r o j e c t i o n s ；l o a d i n gt e s t ；c u r v e d a r c hb r i d g e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 躲柳鹱衫 日期：8 - 0 产易，多 指导老师签名：l ， 日期：孑沪眵7 汐移 西南交通大学曲南父迥大罕 硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 首先对我国钢筋混凝土旧桥一般性病害进行了总结以及病害机理进行了分 析。混凝土旧桥一般性病害大体包括由于环境作用引起的混凝士结构损伤和裂缝引起 的混凝土结构损伤两种，这为桥梁结构技术状态评估以及关键指标的适度量化奠定了 基础。 ( 2 ) 以规范中的桥梁普检项目与内容为基础，分别引入并阐述诸如检算系数z 1 、 折减系数t 、t 、恶化系数乞以及活载修正折减系数巳等的确定手段与方法，并将其 反映在结构抗力表达式中，建立了“基于普检结果的既有桥梁承载力预测”方法；与 此对照，阐述了桥梁现场荷载试验工作的一般程序。 ( 3 ) 以某公路简支t 梁桥为工程背景，采用两种方法对其结构承载力进行评定， 验证了“基于普检结果的既有桥梁承载力预测方法的可行性；另外，以国内大量存 在且病害表现较为普遍的双曲拱桥为工程背景，对“基于普检结果的既有桥梁承载力 预测”方法的普适性与可靠性进行了验证。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 双瞒毛 日 期：沙6 、：； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 近二十年来，随着我国国家基础建设的迅猛发展，交通运输事业发展迎来了一个 辉煌的时代，为公路桥梁建设提供了良好的发展机遇。截至2 0 0 4 年初，全国公路桥梁 达3 1 0 8 万座、1 2 4 6 6 1 万延米，其中特大桥梁2 1 5 5 座、1 9 6 3 万延米，其他桥梁情况分 别为：大桥1 7 4 1 7 座、3 0 6 1 7 万延米；中桥6 3 5 万座、3 4 6 6 4 万延米；小桥2 2 7 7 万座、 3 9 7 5 4 万延米【1 1 。全国每年都有一大批结构新颖、雄伟壮观和形式多样的桥梁建成，无 论在桥梁单跨跨度和结构复杂程度，还是施工技术难度方面，我国桥梁建设技术水平 已进入世界先进之列。 在加快公路建设的同时，依靠技术进步，对既有桥梁的可靠性特别是承载能力进 行科学评估，以保证其营运的安全可靠性显得至关重要。既有桥梁服役是一个不断发 展与调整的过程，一方面，公路交通的急剧增长，大型重载运输工具逐渐增多，需要 提高桥梁荷载标准；另一方面，既有桥梁因老化、破损低于设计标准，难以满足公路 运输的发展要求。事实上，既有桥梁病害、老化以及破损等一直是一个世界性难题， 大量的既有桥梁在使用过程中由于各种病害表现而提前失效，达不到预期的使用年 限，许多桥梁因病害累积而成为危桥。据交通部统计至2 0 0 3 年底，全国公路网中尚 有危桥1 0 4 4 3 座，共计3 7 8 4 3 9 延米。交通部曾安排约为9 0 亿元资金，规划在2 0 0 5 年底基本消灭国、省干线公路危桥的目标，但至今仍未完全清除。因此，在加快进行 新的高标准公路桥梁的同时，相关部门应花大力气对既有桥梁进行检查、维修维护、 保养以及加固补强等工作，而如何建立科学规范的评估体系，对既有桥梁的承载能力 与安全性、结构物的损伤程度进行评估，合理对桥梁进行维护加固，提高既有桥梁的 可靠性，成为桥梁界的一个重要课题。 1 2 国内外桥梁承载力评定方法研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外桥梁承载力评定方法研究现状 国内钢筋混凝土桥梁评定的一般方法主要有五种：根据外观调查进行评定的方法； 采用分析计算为主的评定方法；荷载试验方法；可靠度分析评定的方法；专家系统的 评定方法【2 】。在这些常规评定方法基础上，国内外研究人员还进行了很多新的探索与实 践： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 长安大学贺拴海、郭琦、宋凡【3 】等根据板梁模型在不同荷载等级作用下室内静、 动力试验成果，结合结构动力学理论，建立了r c 板梁静动刚度比与频率比的回归关系 式，提出了名义配筋率的概念，给出三种控制弯矩的计算公式，同时以名义配筋率的 函数形式建立用于r c 梁健康状况的量化评定方法；吕颖钊、宋凡、贺拴海【4 】等对简支 梁桥和连续梁桥的承载力进行研究，由主梁的受力特点确定了梁桥承载力分析控制截 面，提出了简支梁桥和连续梁桥可能的失效模式，应用增量荷载法和控制截面处不利 布载相结合的方法，实现了梁桥结构主要失效模式的搜寻，将多梁式结构的空间可靠 度问题转化为单梁式结构的平面可靠度问题，简化了梁桥结构体系承载力的估算程序； 周枚、张明、彭挺【5 】等人工神经网络( a n n ) 技术引入p c 梁桥承载力评估中，抽取了8 种损 伤指标作为b p 神经网络的输入值，建立了p c 梁桥承载力预测3 层b p 网络模型，并讨论了 提高模型预测精度的措施；邬晓光、郝际平、苟澍6 】等提出了利用模糊数学等级评定的 一种决策方法一贴近度分析法，结合模糊综合评判探讨了旧桥承载力等级评定，改 善了既有的最大隶属度法带来的评判误差，使得旧桥承载力等级模糊综合评判结果更 贴近工程实际。 天津港务局潘志强、丁乃庆【_ 7 】等在用荷载试验来评定桥梁承载力方法的分析研究基 础上，对原桥梁承载力评定方法进行了修正，提出了用实测截面应变评定桥梁承载力 的新方法。 兰州铁道学院马文祥1 8 j 等通过对一座无设计资料旧桥现场汽车加载试验，进行静 态、动态测试及材料强度测定，估算出控制截面的纵向受拉钢筋数量和正截面抗弯承 载力。 西安公路交通大学胡大琳、王克鸿、罗丁【9 】等通过对钢筋混凝土梁进行不同荷载等 级重复静载和动载的交替试验，测出结构从完整到破坏不同荷载等级作用后的频率、 振型和阻尼等模态参数，得出了梁频率与荷载等级之间的关系和极限频率值，并建议 将极限频率作为评定承载力的依据，由频率和荷载等级关系的经验公式进行非线性外 推求极限承载力，对钢筋混凝土梁桥进行承载力评定。 清华大学梅刚、林道锦、秦权【1 0 】等采用三维实体单元对4 座旧桥现状车载( 大于设 计车载的2 5 倍) 作用下的受力状况进行有限元分析，对其承载力进行评定，用随机有限 元计算旧桥在现状车载作用下的剩余可靠度。 郑州大学李广慧、刘晨宇等【1 l 】等提出将响应面方法和非线性有限元分析结合起来 对桥梁上部结构的体系可靠度进行分析的新方法。首先，在试验设计的基础上应用通 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用的非线性有限元分析程序对桥梁结构进行极限体系承载力分析，然后利用响应面方 法推求桥梁结构体系承载力的响应面，最后利用可靠度分析程序计算桥梁结构的体系 可靠度指标和失效概率。 澳大利亚墨尔本大学的t o mj t a l k o n i c k o l a sh a r i t o s 1 2 】等提出了一种基于桥梁定期 检查获取实用信息，进而对承载力实现预测的方法，该方法包括：动力测试、模态识别、 有限元建模、根据测试结果对有限元模型校准，最后根据校准的模型进行桥梁承载力 预测。 1 2 2 桥梁承载力评定方法发展趋势 1 、桥梁结构损伤识别技术 ( 1 ) 神经网络损伤识别法【1 3 】 神经网络在损伤识别中应用的基本思路是：首先，用无损伤系统的振动测量数据来 构造网络，之后确定网络的参数；其次，将系统的输入数据送入网络，网络就有对应 的输出，如果输入过程是成功的，当系统特性无变化时，系统的输出和网络的输出应 该吻合；相反，当系统有损伤时j 系统的输出和网络的输出就有一个差异，这个差异 就是损伤的一种测度。 ( 2 ) 小波分析损伤识别法【1 4 】 由于小波分析适合于非平稳信号，因此可作为损伤识别中信号处理的较理想的工 具，用它来构造损伤识别中所需要的特征因子，或直接提取对损伤有用的信息。小波 分析在损伤识别中的应用是多方面的，如：奇异信号检测、信噪分离、频带分析等。 ( 3 ) 桥梁健康监测系统 到目前为止，已有不少大跨度桥梁安装了监测传感器，监测环境荷载、结构振动 和局部应力状态，用以监视施工质量、验证设计假定和评定服役安全状态。1 9 8 7 年， 英国在总长5 2 2 m 1 拘- - - 跨变高度连续钢箱梁桥f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段 在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。 该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据 网络共享。1 9 9 7 年通车的香港青马大桥，花费一千六百万美元安装t 6 0 0 多种各类传感 器，包括加速度计、应变计，风速计，热电偶和g p s 系统等。我国内地自1 9 9 7 年起也在 一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如上海的徐浦大桥和卢浦大桥， 江阴长江大桥等【1 5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 、桥梁无损伤安全检测技术 传统的桥梁安全检测方法主要依赖于静动载试验和现场目测，辅以超声波探测、 混凝土强度试验、腐蚀作用试验等多种检测手段。随着通信技术与现代传感技术的发 展，检测技术更是出现了前所未有的发展势态，使检测技术向着智能化、快速化和系 统化的方向发展1 16 j 。 近年来，致力于桥梁安全检测的研究人员提出了许多成功的方法对桥梁进行非破 坏性评估。一些新的方法被广泛应用于桥梁检测并具有广阔的发展前景，如利用激光 斑纹和全息干涉仪测量桥体表面的变形状态，利用双波长远红外成像检测桥梁混凝土 层的损伤，利用磁漏摄动检测钢梁、钢索及混凝土内部的钢筋，利用相干激光雷达测 试桥梁下部结构的挠度等；基于振动模态分析技术【1 7 1 ，研究人员发现结构的动力响应 是整体状态的一种度量，当结构的刚度、质量及阻尼特性发生变化时，通过选用结构 振动模态作为权数，对结构损伤前后的模态变化量进行加权处理，来实现对单元损伤 的有效定位和识别。随着振动模态分析技术的发展，运用振动测试数据进行结构动力 模型修正已得到充分的发展，为桥梁结构的安全检测开辟了新的途径【i 剐。 3 、疲劳裂纹探测和评估系统及桥面板检测系统。 疲劳裂纹探测和评估系统包括测桥梁裂纹的磁分析仪系统和新型超声波、微波探 测和定量分析、便携式声发射系统、无源疲劳荷载测量设备和电磁声发射传感器、热 成像系统、无线应变测量系统等。桥面板检测系统包括地面渗透雷达、双带远红外热 成像系统等【1 9 】【2 0 1 。 目前，既有桥梁的承载力评定主要以桥梁无损伤安全检测技术为主，特别是采用 现场荷载试验的方法来确定既有桥梁的实际承载能力，进而达到桥梁结构可靠性评定 的目的。而诸多原因( 主要是研究与实践的缺乏) ，其他评定方法与技术在工程实践中 难以推广与应用。桥梁现场荷载试验人为干扰少，以量化数据说话，说服力强，但该 方法往往耗时而费力，需要交通中断，现场环境要求较高，试验配合环节较多，且实 施费用较高，故工程实践中仅作为一种特殊检测与试验手段。事实上，既有桥梁的检 测与试验，其最终目的在于探知其结构可靠性，桥梁结构可靠性评估包括三个方面的 主要内容，即安全性、适用性与耐久性，三者互为关联，且各具侧重点。安全性评估 针对结构承载力与强度评定，因涉及人身安全及结构物安全而成为桥梁评估的主要内 容；适用性评估与桥梁结构在日常使用荷载下的变形、裂缝、振动等相关，在一定条 件下，桥梁结构适用性技术状态可以外推至结构承载能力；而耐久性评估主要侧重结 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 构损伤及其成因，以及损伤对于结构物物理及化学影响等，从而探知桥梁结构的使用 寿命，该工作相对比较独立。基于上述分析，寻求或者完善一种易于操作、实践中方 便可行、运作中费用低廉的方法来替代或者弥补现有试验方法的不足，显得极有工程 应用价值和意义。 1 3 本文的研究内容 论文针对既有桥梁可靠性特别是承载力评定技术与方法，关注现场荷载试验方法 的特殊性与不足，依据桥梁结构技术状态普检结果，结合模糊判别理论以及工程实践 专家经验，通过引入检算系数、折减系数、恶化系数以及活载修正折减系数，并将其 反映在结构抗力表达式中，试图建立“基于普检结果的既有桥梁承载力预测”方法， 对既有桥梁承载力实现有效评价。论文开展了以下工作： 1 、对公路既有桥梁的常规病害特征以及产生机理进行总结分析，为桥梁结构技 术状态评估以及关键指标的适度量化奠定基础； 2 、以规范中的桥梁普检项目与内容为基础，分别引入并阐述诸如检算系数、承 载力恶化系数、截面折减系数和活载影响修正系数等的确定手段与方法，建立“基于 普检结果的既有桥梁承载力预测”方法；与此对照，阐述了桥梁现场荷载试验工作的 一般程序； 3 、以某公路简支t 梁桥为工程背景，采用两种方法对其结构承载力进行评定实 践，验证“基于普检结果的既有桥梁承载力预测方法的可行性；另外，以国内大量 存在且病害表现较为普遍的双曲拱桥为工程背景，对“基于普检结果的既有桥梁承载 力预测 方法的普适性与可靠性进行验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章公路既有桥梁通常病害表现 公路既有桥梁结构性病害主要以外观特征变化而体现在桥梁结构体系中，包括基 础、下部结构、上部结构及桥面系等。病害特征通常咀混凝土缺损、剥落、麻面、蜂 窝、裂纹与裂缝、钢筋锈蚀、变形与下挠和部分附属型结构件失效等。桥梁结构的病 害表现直接反映桥梁结构的内部技术状态，并首先反映出桥梁结构的耐久性状况，同 时在运营过程中影响到桥梁结构的适用性，病害积累到一定程度后，会降低承载力以 致影响桥梁结构的安全性。分析桥梁结构病害表现特征及其产生机理，能为桥梁结构 可靠性评定的有效实现奠定基础。 2 1 环境引起的混凝土结构损伤 ( 1 ) 混凝土表观缺损 混凝土表观缺损状况基本反映了结构混凝土质量状况，包括蜂窝、麻面、剥落、 裂缝等表观可见病害，钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土除了共同工作外，混凝土对钢 筋还起着保护的作用。在露天和钢筋与空气直接接触的状况下，钢筋是很容易锈蚀的， 混凝土构件的表观病害会严重降低其密实度，不能有效阻止有害物质的侵入，易导致 结构内部病害发生，例如钢筋锈蚀( 图2 1 ) 。 图z l 栏杆混凝土剥落、钢筋锈蚀典型照片 ( 2 ) 碱集料反应 碱集科反应是指混凝土中的氢氧根离子与集料中的活性二氧化硅之间的反应，混 凝土中的碱离子主要是由水泥引入的，当集料中含有二氧化硅时，在有水的条件下，碱 要里耋塑查主鎏主要塞兰差簦笙兰兰：要 离子与二氧化硅反应生成一种含碱金属的硅凝胶( 具有强烈的吸水晦胀能力) ，其形成 和成长常常造成混凝土内部的膨胀，这种膨胀所产生的内部应力，使混凝土内部形成 微裂缝，甚至造成混凝土的严重开裂( 图2 - 2 ) 。 酒瓯 图2 2 拱肋与肋间渡结舍处泛碱 ( 3 ) 混凝土碳化 混凝土中钢筋锈蚀的另一个主要原因之一是混凝土“碳化”。空气中的二氧化碳， 逐渐中和混凝土的水泥水化物，把结硬的水泥浆中的氢氧化钙转化为碳酸钙，使混凝 土失去碱性而变成中性化。这种现象称为混凝土的“碳化”。当碳化深度达到超过钢 筋保护层时，使表层混凝土丧失碱性环境，对钢筋不在起钝化作用，从而破坏钢筋表 面的钝化膜，使钢筋失掉保护的屏障，当大气中的有害气体侵入混凝土，就会使钢筋 遭到锈蚀而生锈。 ( 4 ) 氯离子侵蚀 掺入或浸入氯盐、氧离子对钢筋钝化膜的破坏作用最强，氯盐通过混凝土中的毛 细孔或微裂缝渗透到钢筋表面，直接攻击钝化膜，造成钢筋局部发生腐蚀，较典型的 是含氯盐环境，如化冰盐、海洋环境、含盐地下水等，并且其渗透深度很可能超过钢 筋的深度。因此氯盐是威胁桥梁耐久性最危险的化学物质。且对钝化膜产生局部性的 破坏胶，使钢筋表面产生点状坑蚀。 ( 5 ) 冻融循环破坏 渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻 融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低，从而使冻融循环破坏的混凝土 剥落，丌始时在混凝土表面出现粒径为2 - 3 m m 的小片剥落，随年限增加，剥落量及剥 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 落块直径增大，剥落由表及里迅速发展，故需密切注意剥落的发展情况，及时采取修 补措施。北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻融循环的菇同作用引起的盐冻破坏是 冻融循环破坏的一种特殊形式，其机理为静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用 的结果，故而盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多。 ( 6 ) 钢筋锈蚀 混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜破坏，混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造一 成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，就可能引起钢筋的腐 蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿铡筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之 间的粘结力破坏钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等 一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破 坏( 见图2 3 ) 。 图2 - 3 拱上空腹拱盖梁露筋、锈蚀 2 2 裂缝引起的混凝土结构损伤 实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般首先变现为混凝土裂纹与裂缝， 故而裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以对混凝土结构的损伤检测，一般应从 对结构的裂缝调查、检测与分析入手。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、 微裂缝的扩展而引起的，引起裂缝的原因很多，但可归纳为两种； ( 1 ) 结构性裂缝 由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝( 又称为受力裂缝) ，其裂缝的分布及宽 度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题( 图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 - 4 ) 。 众所周知，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为。= 00 0 0 1 00 0 0 1 5 ， 换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力只有o 。= 。e = ( 00 0 0 1 o0 0 0 5 ) x 2 x l o s = 2 0 3 0 m p a ，事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值，所以说在正 常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是避不可免的。因而习惯上又将这种裂缝称为 正常裂缝。实践证明，在正常条件下，裂缝宽度小于0 3 衄时，钢筋不致生锈。为确 保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新颁布的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范j t gd 6 2 2 0 0 4 口1 ( 以下简称桥规j t gd 6 2 ) 规定：钢筋混凝土构件计 算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值： i 类及i l 类环境 o 2 0 m 类及类环境 01 5 m 图2 - 4 某t 粱典型结构裂缝 ( 2 ) 非结构性裂缝 由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的 结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极 限值时。即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，拉应力也就消失了。 混凝土的非结构性裂缝可分为：收缩裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非 结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等等多种因素 影响。 收缩裂缝 当混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面内 外温度不等，内外收缩量不一样。混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。尤其是混凝土早期养护不当， 混凝土表面直接受到风吹日晒的影响，表面水份蒸发过快，产生较大的拉应力，混凝 土早期强底低，很容易出现收缩裂缝。 收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在o 0 5 0 2 0 r a m 之间。对板 类构件多沿短边方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。对高度较大 的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大。在腰部( 或腹板) 产生竖向收缩裂缝， 但多集中在构件中部，中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有 裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。收缩裂缝对构件承载 力影响不大，主要影响结构外观和耐久性。 温度裂缝 钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时， 在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起 混凝土裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不 同，温度裂缝可分为三种类型：截面均匀温差裂缝、截面上、下温差裂缝和截面内外 温差裂缝。混凝土温度裂缝有以下特点： 裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝； 梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边； 大面积结构( 例如桥面铺装) 裂缝多是纵横交错； 裂缝宽度大小不一，且沿结构全长没有多大变化。 2 3 本章小结 混凝土结构的病害表现形式多种多样，引起病害的原因错综复杂，从引起病害原 因来分析，可以将其划分为由环境作用和裂缝引起的混凝土结构损伤，并对其影响机 理进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章基于桥梁普检的既有桥梁承载力预测 桥梁结构普查与检测是我国针对既有桥梁可靠性评定的常规的、规范性的方法之 一，实践中它主要通过外观检查辅助以少量而重点的针对结构部件的技术性探测与实 验，获得桥梁结构技术状态的基本信息，故而简单、，方便、不受环境因素影响而易于 操作。通过对桥梁结构外观状态、病害表现特征及其原因分析、专家会诊等方面的工 作，主要对既有桥梁的适用性状态进行评估，以期对桥梁的可靠性进行评估，为既有 桥梁的维修、维护、保养以及加固等提供基础技术支持。前面已提及，桥梁结构的安 全性、适用性、耐久性三者相互关联，特别地，桥梁结构的适用性状态，在一定条件 下，通过合理的技术手段，可以外推并达到桥梁承载能力的预测效果。显然，相对与 桥梁现场荷载试验这种特殊检测方式，基于桥梁普查检测的桥梁结构承载力预测方法 的研究与实践，具有工程应用的实用价值以及普遍性意义。 3 1 旧桥病害普检2 2 】 桥梁普检分经常性检查、定期检查和特殊检查三种。 ( 1 ) 经常性检查：经常性检查以桥梁结构部件的直接外观检查为主，配合简单工具 性、技术性量测等手段。经常性检查的主要项目和内容有： 桥面是否平整、有无损坏； 桥面泄水管是否损坏、堵塞； 桥面是否清洁，有无杂物堆积，杂草生长、蔓延； 栏杆扶手、引道护栏是否断裂、撞坏、锈蚀； 伸缩缝是否填塞、破损和失效； 锥坡、翼墙有无开裂、坍塌、沉陷； 交通信号、标志、照明设施是否完好； 其他显而易见的损坏。 ( 2 ) 定期检查：定期检查以外观目测与检查并结合仪器检查为主，对桥梁各部分进 行详细检查，一般对公路旧桥规定桥梁技术状况在三类以上的进行定期检查。定 期检查的项目和内容有： 桥面铺装：是否有坑槽、开裂、车辙、松散、不平和桥头跳车现象； 人行道、栏杆：人行道有无开裂、断裂、缺损；栏杆是否松动、撞坏、锈蚀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 和变形； 伸缩缝：是否破损、结构脱落、淤塞、填料凹凸、跳车、漏水等； 排水设施( 防水层) ：桥面横坡、纵坡是否顺适，有无积水；泄水管有无损坏、 堵塞、泄水能力情况；防水层是否工作正常，有无渗水现象等； 粱式桥上部结构：主梁支点、跨中、交截面处有无开裂，最大裂缝值；梁体 一表面有无空洞、蜂窝、麻面、剥落、露筋，有无局部渗水；横隔板是否开裂， 焊缝是否断裂，钢结构锈蚀情况，变形情况等； 圬工拱桥上部结构：主拱圈是否开裂、渗水、砂浆松动、脱落变形；拱脚是 否开裂、腹拱是否变形、错位；立墙、立柱有无开裂、脱落，侧墙有无鼓肚、 外倾等； 双曲拱桥上部结构：拱脚有无压裂，供肋1 4 处、3 4 处、顶部是否开裂、 破损、露筋锈蚀；拱脚与拱波结合处是否开裂；波间砂浆是否脱落、松散、 横隔联系是否开裂、破损等； 支座：位移是否正常，橡胶支座是否老化、变形，钢板滑动支座是否锈蚀、 干涩；各种支座固定端是否松动、剪断、开裂等； 桥墩：墩身是否开裂，局部外鼓、表面风化、剥落、空洞、露筋，是否有变 形、倾斜、沉降、冲刷、冲撞损坏情况等； 桥台：是否开裂、破损，台背填土是否有裂缝、挤压、受冲刷等情况； 翼墙：是否开裂，有无前倾、变形等； 锥坡：是否开裂，有无破损、沉陷、开裂、冲刷、滑移等； 照明：桥上照明情况是否正常； 河床及调治构造物：河床是否变迁，有无漂浮物堵塞河道，调治构造物是否 发挥正常作用，有无损坏、水毁等。 ( 3 ) 特殊检查：特殊检查是指采用仪器设备等特殊手段和科学方法分析桥梁病害的 确切原因和程度，确定桥梁技术状态，从而采取相应的加固和改造措施。一般在 下列四种情况下做特殊检查： 在地震、洪水、滑坡、超重车辆行驶、行船或重大漂浮物撞击之后； 决定对单一的桥梁进行改造、加固之前； 桥梁定期检查难以判明损坏原因、程度及整座桥的技术状况时； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 桥梁技术状况为四类者。 上述前两种情况检查项目见表3 一l ；而后两种情况检查项目及内容有： a ) 结构验算，水文验算；b ) 静动载试验；c ) 用精密仪器对病害进行现场调查 和实验室分析。 表3 - 1 上述前两种情况检查项目 3 2 基于桥梁普检的桥梁承载力预测方法 2 3 】 3 2 1 基于普检结果的检算系数z l 的确定 检算系数z t 是根据桥梁技术状态评定结果加以确定的。桥梁结构技术状况是桥梁 可靠性评定的重要内容，也是分析既有桥梁承载力的基础。通过桥梁外观质量以及材 质状况检测，可以了解桥梁现有状态以及与设计期望之间的差异；通过细化检测的项 目和检测要点，桥梁损伤的原因和程度进行调查分析，结合专家经验，应用模糊评判 理论，建立一套以检算系数z 为量化目标的桥梁结构技术状态评价方法，并基于桥梁 结构的现存技术状况与承载力之间的关系，对既有桥梁的承载力作出合理预测。 3 2 1 1 构件技术状况各普检等级划分及评定 反映桥梁结构构件技术状态的主要影响因素有三个方面： ( 1 ) 表观缺损评定 它直接反映构件的表观缺陷、损伤及病害的程度。参照公路桥梁养护技术规范 【2 4 】制定的桥梁结构构件技术状况评定标准，详见表3 - 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表3 - 2 混凝土及配筋混凝土上部结构表观缺损状况评定标准 ( 2 ) 砼强度评定 目前对砼强度检测最主要的方法是回弹法、超声一回弹综合法和取芯法。这些方 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 法测得的砼推定强度和实际极限抗压强度有一定的误差。在此，我们研究发现通过推 定强度的均匀性和总体的强度水平两方面来评价更合理。 。根据每一承重构件或其主要受力部位的实测强度推定值和测区平均换算强度值， 按下式计算其推定强度匀质系数，和平均强度匀质系数蚝肿，并按表3 3 对其强度 状态作出评定。 推定强度匀质系数 = 鲁 1 ) 式中：r 承重构件或其主要受力部位砼的实测强度推定值； r 承重构件砼极限抗压强度值； 平均强度匀质系数 k = 争 ( 3 - 2 ) 式中：如承重构件或其主要受力部位测区平均换算强度值。 表3 - 3 承重构件实测强度状况评定标准 ( 3 ) 固有模态参数评定 它能反映构件内在损伤状况及整体性等指标。根据日本铁道技术研究院n i s h i m u r a 实测了将近1 0 0 0 个桥墩的第一阶振型的基本频率，并且定义一个状态指标s ，该值系 桥梁墩台目前测得的第一阶振型的自振频率与其新建初测得的第一阶振型自振频率 的比值，此状态指标s 用以下公式表示： c 一厂一目前量测得的第二阶振型自振频率 ，oo 、 泸万一丽吾褫藩丽撩习孺丽 q 吖 并根据状态指标s 的范围，对桥梁的安全状态做出判断，其判断依据如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 0 8 5 s l可视为安全的 0 7 0 弋s 0 8 5 需要定期检测桥墩是否倾斜或冲刷 0 s 2 0 0 0 0很慢 2 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 慢 31 0 0 0 0 - - - 1 5 0 0 0 一般 45 0 0 0 1 0 0 0 0 快 ，5 5 0 0 0 很快 注：砼湿度对量测值有明显影响，量测时构件应为自然状态，否则不能使用此评判标准。 ( 5 ) 砼中氯离子含量 氯离子含量是诱发钢筋锈蚀的重要成分之，影响极大。目前世界上比较公认 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 的是c 厂含量达到水泥质量的0 4 ，即能引起钢筋的锈蚀。氯离子对钢筋的锈蚀作用 主要表现为：破坏钢筋表面钝化膜、形成腐蚀电池、去极化作用和导电作用。氯离子 对钢筋锈蚀影响主要视含水量和阴极性化所需氧的含量而定。推荐的评判标准见表 3 9 。 表3 - 9 氯离子含量对钢筋锈蚀影响程度的评定标准 ( 6 ) 砼碳化深度 配筋砼结构物中，正常情况下砼呈碱性，钢筋是处于砼的碱性保护之中的，此时 钢筋表面会形成一层钝化膜。暴露在空气中的砼会因大气中c d 等酸性物质的侵蚀发 生碳化，使砼的碱性减弱，当发展到一定程度，钢筋就会失去砼的碱性保护造成钢筋 脱钝( 钝化膜破坏) ，易诱发钢筋锈蚀。因此砼碳化深度是判断钢筋锈蚀可能性的重 要依据，推荐的评判标准见表3 - 1 0 。 表3 - 1 0 砼碳化深度对钢筋锈蚀影响的评判标准 注：车构件全部实测比值均小于1 ；料构件全部实测比值均大于1 。 ( 7 ) 钢筋保护层厚度 、 砼对钢筋的保护作用包括两个方面，一是砼的高碱性使钢筋表面形成钝化膜；二 是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水分等渗入的阻止作用。后一种作用主要取决于砼 的密实度及保护层厚度。出于耐久性角度的考虑，很多国家规范都规定了钢筋砼的最 小保护层厚度。按下式计算确定测量部位砼保护层厚度特征值见。( 精确至0 1 m m ) ： d 。， d 。= 上l k ，2 ( 3 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 式中：乜，结构或构件测量部位测点砼保护层厚度，精确至0 i m m ； n 测点数； k 合格判定系数值，按表3 - 1 1 取用。 表3 - 1 1 合格判定系数值k 根据测量部位实测保护层厚度特征值见。与其设计值的比值，砼保护层厚度对 结构钢筋耐久性影响按表3 - 1 2 评判。 表3 一1 2 砼保护层厚度对结构钢筋耐久性影响评判标准 3 2 2 2 承载力恶化状况影响因素权重调查 经过专家调查、判断矩阵的确定和权向量计算，最终确定了承载力恶化状况评价 指标权重值如表3 - 1 3 。 表3 13承载力恶化状况评价指标权重值 3 2 2 3 恶化状况综合评定方法 根据其混凝土的碳化、氯离子对结构的侵蚀、混凝土的抗渗和抗冻性、混凝土碱 骨料反应、钢筋锈蚀和混凝土强度劣化等的检测评定结果，采用考虑各检测指标影响 权重的综合加权评估法。即根据每项检测指标的评定结果，应用综合加权评估的方法 计算确定构件的恶化