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靖怀桥病害检测与评估 摘要 拱桥是桥梁工程中使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构类型，其外形美 观、造价低廉、不需要大型吊装设备，六七十年代我国建成了大量拱桥。由于 这些桥梁长时间运营，加之其当时设计荷载标准偏低，尤其是近年来随着经济 的高速发展，交通量不断增加，重型车和超载车辆不断增加，使得桥梁整体结 构技术状况有所下降，桥梁构件出项了一定程度的病害和功能退化现象，影响 了运营的安全性。如何判定这些老桥的技术状况等级，为老桥的加固改造或重 建提供重要的参考资料和决策依据是一项重要的桥梁研究课题。论文结合寿县 靖淮桥的现场检测，对混凝土桥梁的病害进行了重点探讨，并针对公路拱桥的 常见病害进行了分析；对桥梁的静载试验、动载试验的方法和实际应用进行了 探讨，介绍了回弹法和超声波两种检测方法的原理和特点；最后着重阐述了靖 淮桥的现场检测，并运用有限元法对其承载力进行了验算分析，判定其技术等 级，此类方法对于相同类别的老桥检测评估可以提供借鉴。 关键词：拱桥结构混凝土强度裂缝 承载力技术等级状况 c r i s e s t e s ta n da s s e s s m e n to fj i n g h u a ib r i d g e a b s t r a c t a r c hb r i d g ei sat y p i c a lb r i d g es t r u c t u r ew h i c hi sw i d e l yu s e da n dh a sal o n g h i s t o r yi nb r i d g ee n g i n e e r i n g a l o to fa r c hb r i d g e sw e r eb u i l ti n19 6 0 sa n d19 7 0 s d u et ot h eg r a c e f u ls h a p e ，l o wc o s ta n dn on e e do fs p e c i a lc r a n ee q u i p m e n t t h e s e b r i d g e sh a v eb e e nu s e df o rq u i t eal o n gt i m ew i t hl o wl o a d i n gc r i t e r i a s e ta tt h e t i m eo fd e s i g n f u r t h e r m o r e ；t h et r a f f i cv o l u m ei si n c r e a s i n gc o n s t a n t l yw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h u st h ec o n d i t i o n so f t h e s eb r i d g e sa r ed e c r e a s i n g ， c r i s e sa r i s ei nt h e i rs t r u c t u r ea n dt h e i rf u n c t i o n sa r ed e g r a d i n gw h i c he x e r ta n e g a t i v ee f f e c to ns a f e t y t h ew a y o fe v a l u a t i n gt h ec o n d i t i o n so ft h e s eb r i d g e sa n d t h ep r e s e n t i n go fr e f e r e n c ed a t af o rr e d e s i g n i n ga n dr e c o n s t r u c t i n gt h e s eo l d b r i d g e sw i l lb ea ni m p o r t a n tt o p i cf o rb r i d g ee n g i n e e r i n gr e s e a r c h t h eb r i d g eo f j i n gh u a ii ns h o u x i a nc o u n t yi ss e ta ne x a m p l e ；t h ec r i s e so f c o n c r e t eb r i d g e sa r e a n a l y z e da n dt h em e t h o d sa n di t sa p p l i c a t i o no fs t a t i cl o a d i n gt e s ta n dd y n a m i c l o a d i n gt e s ta r ed i s c u s s e d t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r so fb o u n d i n gm e t h o da n d t h eu l t r a s o n i cm e t h o da r ei n t r o d u c e d f i n a l l yt h ef i e l dt e s to fj i n gh u a ib r i d g ei s f u l l ye x p r e s s e da n dt h ef e mi sa d o p t e dt oa n a l y z ei t sl o a d i n gc a p a c i t ya n di t s t e c h n i c a lg r a d ei sa s s e s s e d t h ea b o v ee f f o r t sc a nb eu s e da sr e f e r e n c ei ns i m i l a r c a s e s k e y w o r d s ：a r c hb r i d g e ； s t r u c t u r ec o n c r e t e ； i n t e n s i t y ； c r a c k ；l o a d i n g c a p a c i t y ；t e c h n i c a lg r a d e 插图清单 圈2 1 钢筋混凝土粱结构裂缝8 黧3 一l 混凝强度与孔隙率的关系”一”1 4 罄3 一l 水泥石水获魄与我隙率簸关系鳇线l 唾 图3 3 回弹法原理示意”“”1 6 圈3 4 混凝土缺陷和损伤种类”一“一“1 8 嚣3 5 混凝主桥粱缺搂器因解橱示意圈1 9 图3 5 桥梁定期检查工作流程图2 4 图3 6 桥粱特殊检查的般程序 2 6 图毒一l 靖怀桥立面效果图3 4 鬻4 2 桥蕊铺装与伸缩缝病害”一”一”3 6 图4 3 桥面栏杆各；l i 枣病害”“3 7 圈4 4 两侧桥台各种病害一3 7 图毒一5 钢簸锈胀“一一”一”一一”一一”一37 图4 一s 拱片下缘裂缝”一一”一”3 9 图4 7 断裂腹杆_ 4 0 表格清单 表1 1 不同等级公路的桥梁分布情况4 表l 一2 不闽等级公路的桥梁分布情况唾 表3 一l 推荐的桥梁备部件权重及桥梁技术状况综合评定方法3 0 表3 2 桥梁部( 构) 件缺损状况评定标准3 l 表3 3 推荐的桥梁技术状况等级评定标准3 2 表3 4 各缀公路车辆赫载34 表3 5 桥梁承载能为评定标准3 唾 表3 6 通行能力适应评定标准3 5 表3 7 洪水渲澄能力适应评定标准”3 5 表3 8 擀粱承载能力评定标准3 5 表4 1 裂缝限值45 表4 2 测区混凝土推定值“4 6 表4 3 测量计算结采”? 47 表4 一瘁使用阶段拱黝主要控制截露蠹力验算结果情况5 3 表4 5 靖淮桥技术状况评定55 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。- i 我- - i - f - 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：岔抄签字日期：孵6 月印 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金胆王些太 当兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：垆好 够 弘徊 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名测 签字日期：扇万年6 月劢日 电话一谗形移驴；7 ； 邮编： 易绷 致谢 在此论文完成之际，我的硕士研究生生活也即将结束。在这里，首先要感 谢我的导师王建国教授。在这三年的学习、研究和生活期间，王老师自始至终 给予我莫大的关怀和帮助。在文献检索、资料收集、论文选题和论文撰写过程 中，王老师给予了悉心的指导，提出了许多宝贵的意见和建议。他严谨的治学 态度，理论联系实际的指导思想，兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使 我深受启迪，受益匪浅。在此谨向王老师致以最诚挚的敬意和深切的感激之情! 在我论文撰写过程中，感谢安徽省公路设计院同仁们的大力支持，为我提 供了大量的资料，在此向他们深表谢意! 感谢土木与水利工程学院的老师们对我的培养和教导! 感谢我的同窗好友和师兄师弟们，感谢他们这些年来对我的帮助和支持! 感谢我的妻子，感谢她这三年来对我生活和学习上的帮助和支持! 最后，我还要由衷地感谢答辩委员会的全体老师以及莅临答辩现场的各位 老师和同学，感谢大家在百忙之中抽出时间参加和指导我的毕业论文答辩工 作。 作者：雷进 2 0 0 8 年6 月 第一章绪论 1 1 我国公路拱桥的发展过程 在我国公路桥梁系列中，拱桥作为一种古老的桥型以其跨越能力大、承载 能力高、可用地方材料、造价经济、养护维修费用少、造型美观等特有的技术 优势而成为建筑历史最悠久、竞争力较强，并且常盛不衰、不断发展的桥梁形 式。特别是公路桥梁，据不完全统计，我国的公路桥中百分之七为拱桥。 我国公路拱桥的发展【l 】，可粗略地分为四个阶段。第一阶段是5 0 年代到 6 0 年代中绝大多数是中小石拱桥，当时也研究过片石混凝土拱桥等，但未能 推广。最大跨度拱桥是1 9 6 1 年建成的云南南盘江上的长虹桥( 单跨1 1 2 5 m 空 腹式石拱桥) 。第二阶段是6 0 年代中至7 0 年代，主导桥型是低配筋双曲拱桥。 由于双曲拱桥耗用钢材少，施工中能化整为零，需要起重设备少，易于当时搞 群众运动，因而得到飞速发展。当时也研究过中小跨径混凝土预制块拱、二铰 拱等少筋拱桥。最大跨度是1 9 6 8 年建成的河南嵩县前河大桥( 跨度1 5 0 m ，双 曲拱桥) 。第三阶段是7 0 年代末到8 0 年代，主导桥型是大中跨预制钢筋混凝 土箱( 肋) 型拱桥。采用无支架吊装架设法建成的最大跨度是四川宜宾马鸣溪大 桥( 1 9 7 9 年建成，跨度1 5 0 m ) ，采用支架法建成的最大跨度是四川攀枝花市宝 鼎大桥( 1 9 8 2 年建成，跨度1 7 0 m ) 。在这个时期，国外钢筋混凝土拱桥的最大 跨度已达3 9 0 m ( 南斯拉夫克尔克i 桥k r ki ，1 9 8 0 年建成) 。第四阶段以1 9 9 0 年建成的四川宜宾南门金沙江大桥 2 】为标志。该桥系中承式劲性骨架混凝土肋 拱桥，跨度2 4 0 m 。居当时中承式拱桥世界第一。宜宾桥采用劲性骨架成拱， 悬挂模板，现浇拱肋混凝土，大大减轻了吊装架设重量，保证了成拱安全度浇 注过程中，采用水箱加载调整应力和变形，大大节省了钢材，应用现代电算技 术和电测手段进行旅工仿真计算和施工监控，使拱桥施工决策走向了科学化。 所取得的设计施工经验和科研成果，极大地推动了我国超大化拱桥技术进步。 在随后的几年中我国几十座跨度1 0 0 m 以上的拱桥相继建成。1 9 9 6 年建成的 广西邕宁邕江大桥跨度选3 1 2 m ，把中承式劲性骨架混凝土拱桥世界记录提高 了7 2 m 。该桥采用千斤项斜拉扣挂悬拼架设法悬拼劲性骨拱桁架、浇注拱肋混 凝土、调整施工应力和变形，比水箱法更安全稳妥。四川万县长江大桥也是劲 性骨架混凝土拱桥，该桥跨度4 2 0 m ，把上承式拱桥的世界记录由南斯拉夫k r k i 大桥的3 9 0 m 提高了3 0 m 。在此期间，1 9 9 5 年贵州省建成了跨度3 3 0 m 的江 界河大桥，居预应力桁架拱桥世界第一。1 9 9 5 年广东省建成了跨度2 0 0 m 的南 海三山西中承式钢管混凝土拱桥、居钢管混凝土拱桥世界第一。1 9 9 1 年湖南风 凰县建成跨度1 2 0 m 的鸟巢河大桥，居石拱桥世界第一。这些跨度记录和取得 的设计施工经验及科研成果说明，目前我国拱桥建设水平已经跃居世界先进行 列。 1 2 公路桥梁破坏的两种主要形式及机理 据国内外统计资料显示【3 】，钢筋锈蚀和冻融破坏是桥梁的两种最主要破坏 形式，在寒冷地区使用除冰盐时更加严重。 1 2 。1 钢筋锈蚀的机理大量的工程实践表明，钢筋的锈蚀【3 】是影响钢筋混凝 土结构耐久性的主要因素。处于干燥环境下，混凝土碳化速度缓慢，具有良好 保护层的钢筋混凝土结构一般不会发生钢筋锈蚀；而处于潮湿的或有侵蚀介质 ( 例如氯离子) 的环境中，混凝土将加速碳化，钢筋钝化膜逐渐破坏。钢筋腐 蚀伴随有体积膨胀，使混凝土表面出现顺筋裂缝( 爆裂) ，造成钢筋与混凝土 之间粘着力的破坏，钢筋截面面积减小，构件承载力降低，变形和裂缝增大等 一系列不良后果，并伴随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构 的完全破坏。 ( 1 ) 混凝土碳化引起钢筋的腐蚀 混凝土碳化【4 】 5 1 的实质是混凝土的中性化，当有二氧化碳和水气侵入混凝 土内部，与混凝土中的碱性物质中和，导致混凝土的p h 值降低，造成全部或 部分钢筋表面钝化膜的破坏。由于钢材材质和表面的非均匀性，在钢筋表面的 不同部位总会出现较大的电位差，形成阳极和阴极。因此，在潮湿环境下，由 于氧气和水的参与，钢筋就可以发生电化学反应： 在阳极的反应为 f e e 2 + + 2 e ( 1 2 1 ) 在阴极的反应为 2 h 2 0 + 0 2 + 2 e 一一4 ( o h ) 一( 1 2 - 2 ) 阳极、阴极生成的铁离子和氢氧根离子结合生成氢氧化铁： f e 2 + + 2 ( o h ) 一一f e ( o h ) 2 4 f e ( o h ) 2 + 0 2 + 2 h 2 0 - - - 4 f e ( o h ) 3( 1 2 - 3 ) 在氧气和水的共同作用下，发生上述电化学反应，使钢筋表面的铁不断失 去电子而溶于水，钢筋逐渐被腐蚀，反应生成的氢氧化铁( f e ( o h ) 2 ) 进一步氧化 形成铁锈f e ( o h ) 3 3 h 2 0 ，铁锈体积膨胀，将引起混凝土开裂。 ( 2 ) 氯离子侵入引起的钢筋腐蚀 氯离子是极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土，到达钢筋表面，并吸附于 局部钝化膜处时，可使该处的p h 值迅速降低，破坏钢筋表面的钝化膜，引起 钢筋腐蚀。 氯离子c 1 一和氢氧根离子o h 一争夺腐蚀产生的f e ”，形成绿锈 f e c l 2 4 h 2 0 ，绿锈从钢筋的阳极向含氧量较高的混凝土孔隙迁移，分解为 2 f e ( o h ) 2 ( 褐锈) 。褐锈沉积于阳极周围，同时放出氢离子h 十和氯离子c l 一，它们 又回到阳极区，使阳极区附近的孔隙液局部酸化，氯离子c 1 一再带出更多的 f e ”。氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀反应中也不消耗，但腐蚀的中间产 物对腐蚀反应起催化作用，反应式为 f e 2 + + 2 c 1 一+ 4 h 2 0 f e c l 2 4 h 2 0 ( 1 2 4 ) f e c l 2 4 h 2 0 - - f e ( o h ) 2l + 2 c 1 一+ h + + 2 h 2 0 ( 1 2 5 ) 如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度的氯离子，则氯离子所引起氯腐蚀 可能是均匀腐蚀。但是由于混凝土局部缺陷常造成钢筋局部表面氯离子浓度增 加，引起钢筋局部腐蚀。氯离子c 1 一对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使 这些部位露出了铁基体，与钝化膜尚完好的区域形成电位差，大面积钝化膜区 域作为大阴极，铁基体作为小阳极形成腐蚀电池。腐蚀电池作用的结果是在钢 筋表面产生腐蚀坑。腐蚀坑的存在和进一步发展，加大了钢筋电位差，使腐蚀 加速。此外，腐蚀坑相当于一个缺口，在钢筋受拉时，将引起应力分布不均匀， 造成应力集中，可能导致钢筋的早期断裂，这种现象称为钢筋的应力腐蚀。应 力腐蚀是化学腐蚀和应力复合作用的结果。应力腐蚀主要与腐蚀介质、钢筋的 应力水平和钢筋的材质情况有关，钢筋的强度和应力值对应力腐蚀有重要影 响。钢筋的强度越高，其变形性能越差，越容易发生应力腐蚀；钢筋应力越高， 应力腐蚀的敏感性越大。因此，应力腐蚀对高强预应力钢筋的危害是很大的。 1 2 2 混凝土冻融破坏机理潮湿或饱和的混凝土处于寒冷环境中受到冻害的 作用，引起混凝土开裂和剥落，严重威胁混凝土的耐久性。在冻融循环的反复 作用下，即使质量非常好的混凝土也会发生破坏。混凝土的早期受冻使混凝土 表面爆裂，强度损失严重，对结构的危害很大。北方寒冷地区公路撒盐除冰， 由于盐类化合物与冻融循环共同作用引起的盐冻破坏使一种最严重的冻融破 坏，混凝土的破坏程度和速度比普通冻融破坏大好几倍。 混凝土的冻坏机理研究始于2 0 世纪3 0 年代，有静水压假说、渗透压假说 等，但由于混凝土结构冻害的复杂性，至今尚无公认的混凝土冻害的机理理论。 目前的研究中，一般认为水泥砂浆体中的孔隙水结冰膨胀，是引起混凝土冻害 破坏的根本原因。水结冰时产生9 的体积膨胀，如果混凝土的孔隙中完全充 满水，这么大的膨胀足以使混凝土开裂破坏。从理论上讲，当混凝土的水饱和 度小于9 1 时，混凝土就不会受冻破坏。混凝土受冻时，粗孔中的水先结冰， 在水结冰膨胀力的推动下，孔中未结冰的水将向周围迁移，形成静水压力，这 是冻融破坏的动力，当静水压力超过混凝土的抗拉强度时，就会造成混凝土的 破坏。混凝土的饱和度越高，结冰的速度就越快，混凝土的静水压力和破坏力 就越大。实际上，由于水的分布不均匀，以及静水压力作用下未结冰水并不能 自由、快速地向周围迁移，混凝土的临界饱和度远小于9 1 ，一般不会发生冻 融破坏。但冻和融反复进行，使混凝土因承受疲劳作用而不断加重破坏。所以， 混凝土抗冻性还和冻融循环次数有关。 盐溶液与冻融的协同作用比单纯的冻融严重得多，研究资料表明【6 j ：当混 凝土浸水时，主要靠毛细管孔张力吸水；当混凝土中含有盐溶液时，除毛细张 力外，还存在盐溶液差产生的渗透压，因此在毛细张力和渗透压共同作用下， 吸水率和吸水速率都是大大增加，使混凝土内部的饱和度也明显提高。此外， 孔中盐溶液在干湿和冷热循环作用下，盐会过饱和而结晶，产生结晶压。盐冻 破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果，因此盐冻破坏要比 单纯的冻融破坏严重的多。 1 3 我国公路桥梁安全状况 据全国公路普查资料7 1 ，截至2 0 0 4 年末，我国公路共有桥梁3 2 1 6 1 2 座， 总长1 3 3 7 6 4 1 5 延米，互通式立交桥2 3 3 8 座，总长4 4 4 9 8 0 延米。不同等级公 路上的桥梁分布情况示于表1 1 和表1 2 。 不同等级公路上的桥梁分布情况( 按跨径分) 表1 1 公路特大桥大桥中桥小桥 类别 座数长度座数长度座数长度座数长度 ( 延米) ( 延米)( 延米)( 延米) 国道 3 6 26 5 5 0 4 96 9 3 11 7 1 5 2 9 71 5 5 6 59 1 3 7 1 93 7 2 3 56 7 1 1 4 2 国道主2 5 94 8 5 1 1 13 7 2 49 6 9 5 1 18 1 2 84 7 6 7 7 31 6 1 0 3 2 8 9 1 8 6 干线 省道 2 6 84 3 4 5 7 46 4 0 71 5 1 1 2 9 31 5 9 4 69 0 7 3 9 24 5 6 4 08 2 0 5 3 2 县道 6 7 7 3 3 4 64 4 8 68 1 9 8 8 71 7 4 7 29 4 1 8 4 3 6 7 6 5 91 1 9 8 5 9 乡道 1 38 2 6 22 5 7 33 6 4 9 8 21 6 3 1 48 1 7 5 2 67 7 5 4 91 3 2 0 5 3 8 专用公 7 4 3 4 92 7 54 5 1 9 01 1 3 66 0 0 9 4 5 7 2 29 2 8 0 5 路 总计7 1 71 1 7 5 5 8 02 0 6 7 24 4 5 6 6 4 96 6 4 3 23 6 4 0 5 7 42 3 3 8 0 54 1 0 3 6 1 2 不同等级公路上的桥梁分布情况( 按使用年限分) 表1 2 公路 永久性桥梁半永久性桥梁临时性桥梁 危桥 类别座数长度座数长度 座数 长度座数长度 ( 延米)( 延米)( 延米)( 延米) 国道5 9 9 7 83 9 5 2 3 9 78 42 3 9 03 l4 2 09 2 05 4 1 8 5 国道主干 2 8 1 22 2 2 0 4 2 721 5 4 5 2 2 0 1 5 4 线 省道 6 8 0 4 23 6 6 7 9 6 31 1 04 3 3 61 0 91 4 9 31 6 5 38 3 4 2 1 县道8 8 7 6 1 3 0 1 0 4 4 03 9 21 1 2 9 65 3 l 1 1 9 3 6 4 2 4 31 5 5 2 3 3 乡道 9 4 8 3 62 4 7 4 0 6 81 1 6 5 2 7 7 2 8 4 4 89 5 1 25 7 5 51 6 1 7 3 8 专用公路6 3 2 2 1 8 8 4 0 01 7 23 2 2 56 4 51 0 7 8 37 3 21 4 3 1 0 总计 3 1 7 9 3 9l3 2 9 3 2 6 81 9 2 3 4 9 0 0 5 1 7 6 43 4 1 4 41 3 0 3 34 6 8 8 8 7 从表1 1 可以看出，总长1 3 3 7 6 4 1 5 延米的公路桥梁，其中5 7 9 为中、 小跨径桥梁，它们中间5 5 2 分布载技术标准低、通行能力差的县、乡级公路 上，设计荷载偏低。由于交通量的与日俱增，车辆载重不断提高，加之缺乏维 修，大多数桥梁处于带病超负荷工作状态。从表1 2 可以看出，我国公路共 有危桥1 3 3 0 3 座总长度为4 6 8 8 7 延米，其中6 2 7 分布县乡级公路上。此外， 尚由1 9 2 3 座总长为4 9 9 0 5 延米的半永久性桥梁和1 7 6 4 座3 0 7 7 2 延米的临时性 桥梁需要改造。据测算，若将目前的1 3 3 0 0 3 座( 4 6 8 8 8 7 延米) 的危桥全部改 造需要投入资金1 1 2 亿元。 1 4 本文研究的目的和意义 拱桥作为我国公路桥梁工程中使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构类型， 由于其外形美观、造价低廉、不需要大型吊装设备，六七十年代我国建成了大 量拱桥。由于这些桥梁长时间运营，加之其当时设计荷载标准偏低，尤其是近 年来随着经济的高速发展，交通量不断增加，重型车和超载车辆不断增加，使 得桥梁整体结构技术状况有所下降，桥梁构件出项了一定程度的病害和功能退 化现象，影响了运营的安全性。 而从目前我国基本建设投资来看，大量的资金用于新建的高等级公路，用 于国、省道，特别是县乡道路的技术改造资金相当有限。因此，如何评估判定 这些老桥的技术状况等级，为老桥的加固改造或重建提供重要的参考资料和决 策依据是是其首要任务，也是我国今后桥梁领域研究的一项重要课题 希望通过本文的研究，对公路混凝土拱桥的病害检测分析提供指导，并为 今后此类老桥的检测评估可以提供借鉴参考。 1 5 本文研究的主要内容 本文结合寿县靖淮桥病害检测与评估项目，对以下内容进行了研究； 1 混凝土拱桥的常见病害。从裂缝角度对桥梁的影响进行分析，并结合 混凝土拱桥的常见病害对其原因进行分析； 2 公路桥梁的检测技术与方法。包括混凝土强度现场检测与桥梁结构试 验技术，介绍了回弹法和超声波及其使用原理： 3 通过对寿县靖淮桥病害的现场检测，运用有限元法对其承载力进行了分析验 算，对其技术状况做出了评定。 第二章公路混凝土拱桥的病害分析 2 1 混凝土结构的耐久性 混凝土结构的耐久性【8 11 9 1 是指结构对气候作用作用、化学侵蚀、物理作用 或任何其它破坏过程的抵抗能力。在役桥梁结构随着使用时间的延续，受结构 使用条件及环境侵蚀等因素的影响，加之设计和施工的不当，当发生材料老化 和结构损伤，这是一个不可逆的过程，这种损伤的累积将导致结构性能劣化， 承载力下降和耐久性降低。 国内外的统计资料表明，由于混凝土结构的耐久性病害而导致的经济损失 是巨大的，并且问题会越来越严重。据调查，美国1 9 7 5 年由于钢筋腐蚀引起 的损失达7 0 0 亿美元，1 9 8 5 年则达1 6 8 0 亿美元，目前整个混凝土工程的价值 约6 万亿美元，而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿美元。 英国英格兰岛中部环形快车道上1 l 座混凝土高架桥，当初建造费用为2 8 0 0 万 英镑，到1 9 8 9 年因维修耗资4 5 0 0 万英镑，是当初造价的1 6 倍，估计以后1 5 年还要耗资1 2 亿英镑，累计接近当初造价的6 倍，这反映了混凝土结构耐久 性造成的损失大大超过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律 形象地描述 了混凝土结构耐久性设计的重要性【l0 1 ，即设计阶段对钢筋防护节省1 美元，那 么意味着：发现钢筋腐蚀时采取措施将追加维修费5 美元；混凝土表面出现顺 筋裂缝时采取措施将追加维修费2 5 美元；严重破坏时采取措施将追加维修费 1 2 5 美元。 我国混凝土结构耐久性【8 】问题也十分严重。相对于房屋建筑而言，处于露 天环境下的桥梁结构耐久性与病害状况则更为严重。在役的混凝土桥梁出现钢 筋腐蚀、混凝土开裂的现象十分普遍。结构劣化的主要原因是混凝土的密实性 太差，钢筋的保护层太薄，北方地区混凝土抗冻性能差。近年来使用除冰盐融 化道路积雪，更使北方地区公路桥梁中的钢筋迅速腐蚀。公路车辆超载也是促 使桥梁提前老化和破坏的重要原因之一。 影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂，主要取决于以下四方面因素： 混凝土材料的自身特性。 混凝土结构的设计和施工质量。 混凝土结构所处的环境。 混凝土结构的使用条件与防护措施。 混凝土材料的自身特性和混凝土结构的设计与施工质量是决定混凝土结 构耐久性的内因。混凝土是由水泥、水、粗细集料和某些外加剂，经搅拌、浇 注、振捣和养护硬化等过程而形成的人工复合材料。混凝土的材料组成，如水 7 灰比、水泥品种和用量、集料的种类与级配等都直接影响混凝土结构的耐久性。 混凝土的缺陷( 例如裂缝、气泡、孔穴等) 都会造成水分和侵蚀性物质渗入混 凝土内部，与混凝土发生物理化学作用，影响混凝土结构的耐久性。 混凝土结构所处的环境条件和防护措施是影响混凝土结构耐久性的外 因。外界环境因素对混凝土结构的破坏是环境因素对混凝土结构物理化学作用 的结果。环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有： 混凝土碳化。 氯离子侵蚀。 碱集料反应。 冻融循环破坏。 钢筋腐蚀。 值得注意的是，几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另 一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏，都与侵蚀作用引起的混凝 土膨胀、并最终导致混凝土结构开裂有关，而且当混凝土结构开裂后，侵蚀速 度将大大加快，混凝土结构的耐久性将进一步恶化。在影响混凝土结构耐久性 的诸多因素中，钢筋腐蚀的危害最大。钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯盐的侵蚀 以及水分、氧气的存在等条件是分不开的。 2 2 混凝土的裂缝分析 实践表明【1 1 】【1 2 】，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土 中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，对混凝土结构损伤 的诊断，首先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，可归纳为两大类【l3 】： 第一类：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。 第二类：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自应力，当自应力 达到混凝土抗拉强度极限值时，就会引起混凝土裂缝。裂缝一旦出现，变形得 到释放，自应力也就消失了。 两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同。调查资料表明，在两类裂缝 中以变形引起的裂缝占主导的约占8 0 ，以荷载引起的裂缝占主导的约占 2 0 ，有时两类裂缝融在一起。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定、裂缝修 补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的 效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。 2 2 1 结构性裂缝( 受力裂缝) 众所周知 1 4 】，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为t u = 0 0 0 0 1 0 0 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os = t ue s = ( 0 0 0 0 1 。0 0 0 0 1 5 ) x 2 1 0 5 = ( 2 0 3 0 ) m p a 。事实上，在使用阶段钢筋的应 力远大于此值，所以说在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，在正常使用条件下，裂缝 宽度小于o 3 m m 时，钢筋不致生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。 新修订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 ) ( 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 i 类环境0 2 m m i i i 类及类环境0 1 5 m m 桥规j t gd 6 2 ) ) 规定的桥梁结构使用环境类别划分标准是： i 类环境一一系指温暖或寒冷地区的大气环境；与无侵蚀性的水或土 接触的环境。 i i 类环境一一系指严寒地区的大气环境；使用除冰盐环境；滨海环 境。 i i i 类环境一一系指海水环境。 i v 类环境一一系指受侵蚀性物质影响的环境。 结构性裂缝可根据构件的受力特征判断。图2 一l 所示为钢筋混凝土简支 梁的典型结构性裂缝分布示意图。 图2 1 钢筋混凝土梁结构裂缝 另外，像钢筋混凝土墩柱受压构件由于纵向压力过大引起的纵向裂缝，预 应力锚固区由于局部应力过大引起劈裂裂缝等都属于结构性裂缝。 有些结构性裂缝( 受力裂缝) 是由设计错误和施工方法不当所造成的。例 如：钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、构件刚度不足、次内力考 虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。 在超静定结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内力变化，可能导致结构 出现裂缝。基础不均匀沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属于结构性裂缝 ( 受力裂缝) 范畴，裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均匀沉降情况及大小 9 等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉降停止 或采用加固地基方法消除后，才能进行上部结构的裂缝处理。 2 2 2 非结构性裂缝 混凝土的非结构性裂缝根提其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、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多种因素影响。 2 2 2 1 收缩裂缝 在混凝土凝固过程中，混凝土中多余水分蒸发，体积缩小称为干缩。同时， 水泥和水发生水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，体积缩小，称为 凝缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的8 0 9 0 。收缩量随时间增长而不 断加大，初期收缩较快，尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩 变形约为3 2 4 1 0 。 混凝土成形后，表面水分蒸发，这种水分蒸发总是由表及里逐步发展。 截面上温度不等，内外干缩量不一样，当混凝土表面收缩变形受到混凝土内部 约束或其他约束限制时，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，表面水分蒸发过 快，产生较大的拉应力，混凝土早期强度低，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0 0 5 0 2 m m 之间。 大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。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。 2 2 2 2 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，当此拉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： ( 1 ) 截面均匀温差裂缝 一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温 差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形， 当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。例如：连 续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩 缝，或堆积于支座处的杂物没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急 剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝， l o 严重者还可能造成墩台的破坏。 应该指出，从实质上讲截面均匀温差对结构的作用引起的裂缝也是属于结 构性裂缝( 受力裂缝) 的范畴。 ( 2 ) 截面上、下温差裂缝 以桥梁结构中大量采用的箱形梁为便，当外界温度骤然变化时，会造成箱 内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差 是一致的，沿横向也没有温差。将三维热传问题简化为沿梁的竖向温度梯度来 处理，一般假设梁的截面高度方向温差呈线性变化。 在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲 变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结 构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时， 混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。 ( 3 ) 截面内外温差裂缝 水泥在水化过程中产生一定的水化热，其大部分热量是在水泥浇注后3 d 以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升， 而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用 蒸气养生时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温， 也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温差作用下，结构将产生弯曲 变形，且符合平截面假设，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生温度 自应力。对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是 相当大的，尤其是混凝土早期强度比较低时，很容易造成混凝土裂缝。 混凝土温度裂缝有以下特剧1 5 j ： 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。 裂缝宽度大小不一，一般在o 5 r a m 以下，且沿结构全长没有多大变化。 预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成材料【l 3 j 中掺入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降 温速度。 2 2 3 钢筋锈胀裂缝( 顺筋裂缝) 钢筋混凝土结构的裂缝与钢筋腐蚀是相互作用的。裂缝的存在会增加混凝 土的渗透性，使钢筋的腐蚀加重；另一方面钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀， 使混凝土保护层沿钢筋方向出现裂缝，严重者混凝土保护层会完全脱落。 2 3 裂缝对混凝土耐久性的影响 不论何种原因产生的裂缝 1 6 】，都会对混凝土结构的耐久性造成影响。钢 筋混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用。钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯离 子侵蚀以及水分、氧气的存在条件是分不开的，而提供这种条件的通道一个是 毛细孔道，另一个是裂缝，其中裂缝对钢筋腐蚀的影响更大。混凝土开裂后， 钢筋的腐蚀速度将大大加快。钢筋腐蚀后，生成的腐蚀物体积膨胀，产生顺筋 裂缝，由于裂缝的进一步扩展提供了使侵蚀破坏作用逐步升级、混凝土耐久性 不断下降的渠道，形成导致混凝土结构耐久性进一步退化的恶性循环。 混凝土结构的表面，即水泥基复合材料与外界环境的接触区域，是混凝土 结构耐久性的第一道防线。由于裂缝的存在，混凝土表层甚至基体内部可能藏 纳或通过的水分增加。裂缝越深，水分的穿透距离越长，各种侵蚀性化学成分 都会借助于水的搬运作用深入到混凝土基体内部。混凝土表层的微细裂缝一旦 灌入水分，也会由于表面张力的作用而将水分保留在其中，混凝土受冻时，水 即结冰，体积膨胀，使得原有的裂缝进一步扩张，待温度回升后，结冰融化， 扩张后的裂缝可以容纳更多的水。如此反复循环，将导致混凝土的损伤破坏， 耐久性降低。因此，控制混凝土表面裂缝对提高混凝土结构的耐久性是十分重 要的。 2 4 混凝土拱桥常见病害及原因分析 混凝土拱桥在长期的运营过程中，由于环境因素、材料、荷载加重等原因， 会产生各种各样的病害，除表现混凝土病害的一些特征外，其常见的病害表现 有三类。 2 4 1 拱顶下沉，拱轴线变形，桥面积水 产生拱顶下沉的主要原因是桥台的水平位移。根据结构力学原理，拱脚发 生水平位移时，拱轴各截面的下沉量为该截面的推力影响线坐标值。由于拱项 推力影响线坐标最大，因 式中：一一桥台水平位移量； 6 一一x 截面的拱轴下沉量； qx 一一x 截面的推力影响线坐标值。 拱桥产生桥台水平位移的主要原因是桥台抗水平推力不足和稳定性差。如 软土地基的不均匀沉陷和桥台拱座的水平位移。在桥台拱座水平位移后，使桥 跨相应增大，拱座向后倾斜、转动；拱轴线变形较大，跨中部位下挠，造成桥 面积水；长期的桥面排水不良，会导致桥面破坏，侧墙外倾乃至拱上建筑倒塌， 严重者危及交通安全。 应该指出 1 7 】，在拱桥的调查中，发现一些软土地基上的拱桥桥台出现了 一定的水平位移并引起了结构的开裂，但这些桥梁大部分仍能正常运营；研究 1 2 发现，当桥台水平位移到一定程度时，拱脚的上缘一般会开裂，特别是拱脚上 缘未设锚人拱座钢筋的双曲拱桥，主拱圈的支撑条件由原来的无铰拱改变为介 于无铰、两铰之间的状态，桥台水平位移在无铰拱中引起的附加内力比两铰拱 大的多，因而支撑条件的改变在相当程度上减少了桥台水平位移引起的附加内 力；其次，拱脚截面开裂，其刚度削弱，导致主拱圈的刚度发生变化，引起了 主拱圈的内力重分布，使拱脚截面的弯距大大减小，而轴力有所增加。因而， 应根据实际情况，对因桥台位移引起的结构变化做恰当的分析。 此外，少数拱桥拱顶下沉是由原设计通行能力不足引起的，如1 9 6 7 年前 后修建的双曲拱桥，按照汽1 5 ( 不计加重车) 载重标准设计，拱肋之间横向用套 管联结，在拱肋和拱波之间也不设抗剪构造，因而较低的设计载重和较差的整 体性，便初期修建的双曲拱桥，经多年通车，损坏率较高。 拱顶下沉的其他原因还有：未设预拱度或预拱度留的不够，混凝土质量差， 徐变系数大等。通常矢跨比小，下沉量大，且拱顶下沉量较显著时，常伴随产 生拱圈开裂。 2 4 2 主拱圈开裂 主拱圈出现的裂缝大致分为两类：一类是恒载、活载或结构位移引起的结 构受力裂缝，另一类是由于混凝土干缩引起的塑性收缩裂缝或是由于温度应力 引起的温度裂缝。后者的主要特征是宽度较小，长度短。此类裂缝一般仅出现 在结构受力的薄弱环节，不会对结构的实际安全造成显著影响。但在长期荷载 反复作用下，特别是超载车辆的大量增加，致使结构实际处于超负荷运营状态， 会加重第一类裂缝的发展。结构裂缝是结构缺陷的集中体现。主拱圈的裂缝主 要有以下几种类型： ( 1 ) 主拱与拱上建筑结合面的环缝 该种裂缝是指主拱与拱上建筑交界处沿桥跨方向的裂缝。 ( 2 ) 主拱自身裂缝 拱顶径向缝。一般分布在l 3 8 l 5 8 的区段内，少数也有的分布范围较 大，延伸致l 4 l 3 4 ( l 为拱桥跨径) 范围内。在拱肋侧面上，裂缝由于拱肋下 边缘至上延伸，裂缝宽度一般为0 1 m m ，严重的可达0 5 m m 以上，裂缝延伸 长度约为0 2 0 3 m 左右。 拱脚截面拱背径向缝。在拱肋侧面上，裂缝由拱肋上缘向下延伸。 2 4 3 拱