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东北大学硕士学位论文 宏图大桥耐久性检测研究 摘要 随着交通运输事业的不断发展，桥梁建设力度不断增大，服役桥梁的耐久性 问题越来越引起人们的重视。桥梁结构的耐久性问题影响因素主要有混凝土碳化 及钢筋锈蚀，冻融循环，碱一集料反应等。桥梁耐久性问题评价的主要依据来源 于现场的实桥检测。对于服役状态下桥梁耐久性问题进行检测研究与分析，不仅 可以为桥梁的维修与加固提供依据，并且对桥梁耐久性问题的机理研究也具有一 定的意义。目前，国内外对于桥梁检测的主要方法是桥梁的荷载试验。 本文从桥梁耐久性问题的主要影响因素进行机理分析，并对宏图大桥现场检 测，对宏图大桥的使用性能作出评价，为其维修与加固设计提供依据。 本文的研究内容与主要结论如下； ( 1 ) 对宏图大桥进行外观检测、混凝土强度检测、混凝土密实性检测、碳 化测试、恒载挠度检测以及静载与动载试验。 ( 2 ) 检测结果表明宏图大桥主梁竖向裂缝和剪切裂缝开展较密。 ( 3 ) 通过回弹法测得混凝土强度推定值为2 5 2 m p a ，与设计强度基本相符。 ( 4 ) 混凝土碳化较深，超出钢筋保护层厚度，钢筋轻微锈蚀。 ( 5 ) 超声波法测得混凝土密实性较差，混凝土内部有缺陷。 ( 6 ) 在长期恒载及活载作用下，主梁变形过大，最大恒载挠度为9 4 5 m m ， 己远远超过计算值。 ( 7 ) 在试验荷载作用下，荷载挠度曲线、荷载应变曲线基本呈线性变化。 在4 6 7 4 k n 荷载作用下主梁最大挠度为11 7 6 r a m 。 ( 8 ) 桥梁动力特性及在动荷载作用下的强迫响应较差。 ( 9 ) 综合评定宏图大桥为三类桥。 ( 1 0 ) 建议对宏图大桥进行整治、加固。 关键词：耐久性；桥梁检测；恒载挠度；荷载试验 东北大学硕士学位论文 a b s 订a c t t h e h o n gt ub i gb r i d g ee n d u r i n gf u n c t i o ne x a m i n a t i o nr e s e a r c h a b s 仃a c t d e v e l o pc o n t i n u o u s l ya l o n g w i t ht h e t r a n s p o r t a t i o nb u s i n e s s ，t h eb r i d g e c o n s t r u c t i o ns t r e n g t he n l a r g e sc o n t i n u o u s l y , t h ee n d u r i n gf u n c t i o np r o b l e mt h a t8 t e b e i n gu s e db r i d g ec a u s e st h ep e o p l e sa t t e n t i o nm o r ea n dm o r e e n d u r i n gf u n c t i o no f t h eb r i d g es t r u c t u r ea f f e c t st h ef a c t o rt om a i n l yh a v et h ec o n c r e t ec a r b o n i z a t i o na n d r e i n f o r c i n gb a r sr u s te c l i p s e ，f r e e z i n gt om e l tc i r c u l a r l y , a l k a l ia g g r e g a t er e s p o n s ea n d s oo n t h em a i nb a s i st h a te n d u r i n gf u n c t i o np r o b l e mo fb r i d g ee v a l u a t i o nc o m e sf r o m t h es o l i db r i d g ee x a m i n a t i o no ft h es p o t f o rd u r a b l ef u n c t i o nt h a ta r eb e i n gu s e d b r i d g ew eg oo nc h e c k i n gm e a s u r i n ga n da n a l y s i s ，n o to n l yc a nm a i n t a i na n d r e i n f o r c et op r o v i d et h eb a s i sf o rt h eb r i d g e ，a n db u ta l s oh a v et h ec e r t a i nm e a n i n gt o t h eb r i d g em e c h a n i s mr e s e a r c ho fe n d u r i n gf u n c t i o np r o b l e m c u r r e n t l y , t h em a i n m e t h o do ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lb r i d g ee x a m i n a t i o ni st h el o t u so ft h eb r i d g e t oc a r r yt oe x p e r i m e n t t h et e x tc a r r i e so nt h em e c h a n i s ma n a l y s i sf r o mt h ei n f l u e n c em a i nf a c t o ro ft h e b r i d g ed u r a b l ef u n c t i o n , a n de x a m i n et ot h eh u n gt ub i gb r i d g eo nt h es p o t ，m a k e st h e a p p r a i s a lt ot h eh o n gt ub r i d g es t a t e ，t h i sc a nm a i n t a i na n dr e i n f o r c et op r o v i d et h e b a s i sf o ri t t h et e x t u a lr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w sw i t hm a i nc o n c l u s i o n ： o ) c a r r yo nt h ee x t e r n a la p p e a r a n c ee x a m i n a t i o n ，t oh o n gt ub i gb r i d g e ，t h e c o n c r e t es t r e n g t h ，t h ec o n c r e c td e n s i t ye x a m i n a t i o na n dt h ec a r b o n i z a t i o nt e s t ，t h ef i x e d l o t u sc a r r i e st ot r a n s f o r mt oe x a m i n ea n dh o l d ss t i l lt h el o t u st oe a r l yw i t hv a r i e t yt h e l o t u sc a r r ye x p e r i m e n t ( 2 ) c h e c k i n ga n dm e a s u r i n gr e s u l ti n d i c a t et h a tt h ev e r t i c a ld i r e c t i o no ft h em a i n b e a mk e e p st h ed i r e c t i o nc r a c ka n ds h e a r st os l i c et h ec r a c kt oo p e nt h ee x h i b f f i o n i n t e n s i v e l y ( 3 ) t h ec o n c r e t es t r e n g t hp r e d i c t so u t c o m et ob ew o r t hf o rt h e2 5 2 m p a ，b a s i c a l l y i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t a l l i e sw i t ht h ed e s i g ni n t e n s i t y ( 4 ) t h e c o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nc o m p a r e d e e p l y , o u t r u nt h er e i n f o r c i n gb a r p r o t e c t i o nl a y e rt h i c k n e s s ，t h er e i n f o r c i n gb a rb e c o m e sr u s t yt h ee c l i p s es l i g h t l y ( 5 ) t h eu l t r a s o n i cw a v em e t h o dt e s tc o n c r e t ed e n s i t ym i s s e s ，t h ec o n c r e t ei n n e r p a r tc o n t a i nb l e m i s h ( 6 ) a tl o n g - t e r mf i xt h el o t u st oc a t t ya n dc h a n g et h el o t u st oc a r r yt h ef u n c t i o n u n d e r , m a i nb e a md i s t o r t i o no v e r s i z e d t h em a i nb e a mi sb i g g e s tf i xt h el o t u sc a r r i e st o t r a n s f o r mf o rt h e9 4 5 m m ，a l r e a d yf a rb ew o r t hf a ra b o v et h ec a l c u l a t i o n ( 7 ) c a r r yt h ef u n c t i o ni nt h eo i lt r i a ll o t u su n d e r , t h el o t u sc a r r i e st ot r a n s f o r n lt h e c u r v e ，l o t u st oc a r r yt om e e ta ne m e r g e n c yt h ec u r v eb a s i cp r e s e n tt h el i n ev a r i e t y c a r r y i n gt h ef i m c t i o ni nt h e4 6 7 4 k nl o t u si st h eb i g g e s tt ot r a n s f o r mf o rt h e 1 1 7 6 m mn n d e rt h em a i nb e a m ( 8 ) t h eb r i d g em o t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n da tm o v et h el o t u st oc a r r yt h ef u n c t i o n u n d e ro ff o r c et or e s p o n dt ow o r s e ( 9 ) s y n t h e s i z et oa s s e s st h eh o n gt ub i gb r i d g ea st h r e eb r i d g e s ( 1 0 ) s u g g e s tt ot h eh o n gt ub i gb r i d g ew h o l ec u r e ，r e i n f o r c e k e yw o r d ：d u r a b l e ；t h eb r i d g ee x a m i n a t i o mf i xt h el o t u sc a r r i e st ot r a n s f o r m ： l o a d i n g 1 e s t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的利 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签笔：动邃 日期：似，2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 桥梁是我国交通基础设施中的重要组成部分。我国幅员辽阔，大小山脉纵横， 江河潮泊众多，随着国家经济建设的发展，桥梁作为人类杰出的建筑之一广泛分 布于公路、铁路交通线路中，服务于采矿工程矿山开采运输等各行各业。据统计， 截止到2 0 0 2 年，我国已建成永久性公路桥梁2 9 9 万余座，总长度达1 1 6 t 2 万延 米以上【1 1 。桥梁是公路的纽带与咽喉，直接左右公路的生命。因此，必须确保其 工程质量，使之始终处于良好的工作状态。 由于桥梁耐久性问题发生的重大事故有 2 1 ：( 1 ) 重庆彩虹桥因拱架钢管焊接 存在严重缺陷，在没有通过质量验收的情况下于1 9 9 9 年1 月4 日坍塌，造成4 0 多人死亡，1 0 多人受伤。原因在于拱架钢管焊接质量不合格，钢管混凝土抗压强 度不足，构造设计不合理，压力灌浆不密实，致使连接拱架与桥面板的钢绞线、 拉索、锚具、锚片严重锈蚀，个别锚头松弛脱落。( 2 ) 1 9 9 6 年1 2 月2 0 日，广东 韶关特大桥梁坍塌，造成3 2 人死亡，5 9 人受伤。( 3 ) 1 9 9 4 年1 0 月，韩国汉城 发生横跨汉江的圣水大桥中央断塌5 0 m ，造成3 2 人死亡，1 7 人重伤，造成桥梁 在行车高潮期间突然断裂的原因是桥梁长期超载运营。下部钢桁架螺栓及杆件疲 劳破坏所致。 我国在2 0 世纪6 0 7 0 年代修建的桥梁，设计荷载标准较低 3 1 ，而且大部分 仍在服役，已不适应交通量日益增长的需要，因此，旧危桥维修与加固任务十分 繁重。全部重建的思想既不现实，也不科学。实践证明采用适当的维修加固措施， 对恢复和提高旧桥的承载力及通行能力，延长桥梁的使用寿命，以满足现代化交 通运输的需要，是十分有意义而且可行的。 桥梁检测是评价桥梁是否需要维修与加固的主要依据。要检测已建成的桥梁 结构性能，评价桥梁实际状况，判定桥梁的实际承载能力，进一步探讨其内在规 律，深化发展桥梁设计理论，对桥梁进行荷载试验，仍是必要的方法和手段。 美国一位专家曾说过：“无论多么高新的分析技术都不能取代用于评估公路大桥 性能的现场测试”。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 本论文结合辽宁大通公路工程有限公司对宏图大桥的检测项目作为研究背 景，通过现场检测与试验，分析宏图大桥的耐久性问题以及承载能力现状，提出 对其维修加固的建议，确保桥梁的正常运营和安全使用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥梁结构损伤检测 既有桥梁的损伤检测问题在2 0 世纪5 0 年代就已经提出。2 0 世纪7 0 年代， 完成了有关桥梁检测、承载能力评估和桥梁养护等研究报告。1 9 8 0 年和1 9 8 2 年 分别在巴黎和华盛顿召开了关于旧桥问题的国际讨论会议。2 0 世纪9 0 年代以来， 既有桥梁的检测和状态评估问题越来越受到公路管理部门、研究者和工程师的重 视，除了大量的研究文献外，已经出版了若干关于桥梁检测方面的规程和规范 5 。 桥梁结构状态检测分为局部检测和整体检测两种。局部检测是对桥梁需要重 点了解的部位进行细查，目的是搞清结构局部的物理、力学和构造特性或实际状 态；整体检测则试图从全局上把握结构的实际状态。无论是局部检测还是整体检 测，从方法上看都可以分为表观检测和仪器检测两种。 1 2 1 1 表观检测方法 对桥梁进行检查，评定桥梁设计、施工及维修加固的质量与效果。调查桥梁 各部结构的营运情况，分析出缺陷的原因，可正确评价桥梁设计与施工的质量。 表观检测及分析已经有了一定的技术规律可循f 7 1 ，这部分存在的主要问题是检测 结果的管理和如何将表观破坏与结构的状态指标或能力联系起来。 1 2 1 2 局部检测方法 局部检测除了采用视察法外，主要是采用各种技术仪器，如x 射线、超声波、 显微镜、声学及光学仪器对局部结构进行有效检测。 1 2 1 3 静态检测方法【8 】 对桥梁进行静载试验，测量与桥梁结构性能有关的参数。与桥梁的工作性能 有关的主要参数有变形、挠度、应变、裂缝等。通过静载试验，可测出这些参数， 从而分析得出结构的强度、刚度及抗裂性能，据此判断桥梁的承载能力。桥梁静 载试验具体测定的内容是： 2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 静应变测量。测试结构的静态应变量，从而推算结构截面的应力分布、 杆件的实际内力与次应力、混凝土和钢筋共同作用情况等。 ( 2 ) 静位移测量。测量竖向静态位移量( 梁的挠度) 、水平静态位移量( 梁 活动端位移及墩顶位移等) 。由实测到的应变和位移可以推算出有关的内力值和 挠度值等。将它们与理论计算值进行对比，是判定桥梁结构工作状态的一个重要 指标。 1 2 1 4 动态检测方法 动力荷载试验的目的在于研究桥梁结构的动力性能，该性能是判断桥梁运营 状况和承载能力的重要标志之一。比如，动力系数是确定车轴荷载对桥梁动力作 用的重要技术参数，直接影响到桥梁设计的安全与经济性能。桥梁自振频率处于 某些范围时，可由外荷载( 包括行驶车辆、行人、地震、风载、海浪冲击等) 引 起共振的危险。这是以前动力检测的主要目的。但是近1 0 几年来，研究者试图 扩大动力检测方法的范围和功能，其主要设想如下： 结构损伤的发生必然导致结构参数( 刚度、阻尼和内部荷载) 的改变。如果 恰当地估计出这些变化，就能给结构损伤状态的评估提供一个量化的方法。利用 振动方法对桥梁进行结构损伤检测的基础是从桥梁振动模态的变化中能够估计 出桥梁结构参数的变化。桥梁振动模态通常可用常规的试验模态分析测试方法得 到。在桥梁的不同位置布置测点，通过结构损伤发生前后由这些测点记录的信息 可提取出桥梁振动模态特性参数的变化，以此来确定结构损伤发生的位置、大小 及结构损伤类型。目前比较得到认同的是结合系统识别、振动理论、振动测试技 术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法【9 l 。这种方法已经被广泛应 用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、荷载识别和动力学修改等问题中， 现在研究者试图将这种方法用于土木工程结构的状态检测。 1 2 _ 2 桥梁承载能力评估 桥梁承载能力评估是桥梁管理中的主要任务之一。建立有效、经济的桥梁承 载能力评估方法并使之规范化一直是公路管理部门和工程师所关注的中心问题。 我国交通部1 9 8 5 年颁布了公路旧桥承载能力鉴定方法【5 】，与此相关的还有大 跨径混凝土桥梁的试验方法 6 1 ，1 9 9 6 年由交通部公路局颁布了公路养护技术 规范j 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 公路旧桥承载能力鉴定方法首先要求对桥梁结构的表观损伤进行调查， 对这些损伤进行解释，并按有关的桥梁设计规范对鉴定桥梁进行验算。在静力荷 载试验方面，首先定义了一个静力荷载试验效率系数r 。： s r q2 高( 1 - 1 ) 式中s ；为试验荷载作用下，检测部位的变形或内力计算值；s 。为设计标准荷 载下，检测部位变形或内力计算值；为设计取用的冲击系数。规范规定仉值不 宣小于o 9 5 ，目的主要是不使试验荷载偏离设计荷载过大。 t a l y l 9 9 8 年建议了种桥梁承载能力的评估方法，定义了如下的比值r ： c 叩2 产，c 1 ，2 q c d o ( 1 - 2 ) 1 0 式中，c j 。为桥梁构件在设计荷载下的最大弯矩、剪力、轴力、变形等；c 。 为桥梁构件的恒载内力、变形等；c ，为基于各桥梁构件的真实截面特性以及设计 规范所给定的指标计算的各单元的承载能力。 前面提到的方法实际上是通过增量荷载法对桥梁结构的承载能力迸行鉴定 和检算。但混凝土桥梁结构中的应力或变形主要是由结构恒载引起的，因此若能 给出现有桥梁结构中既有应力等的估算方法则具有很大的实际意义。杨勇等人【6 】 曾利用应力释放法估算既有桥梁结构中的混凝土应力，其主要步骤如下： ( 1 ) 根据结构内力分析，确定出控制断面，作为测点布置断面； ( 2 ) 在控制断面上选择若干测点，为了能反映结构的整体效应，测点要避 开预应力锚固点、支座等产生局部应力的位置； ( 3 ) 用专用保护层厚度检测仪测出测点处混凝土保护层厚度，进行局部位 置调整，避开钢筋； ( 4 ) 在测点处沿欲测应力方向贴应变片； ( 5 ) 用混凝土保护层取样机，将包含应变片的混凝土表层取出，以释放其 内应力； ( 6 ) 用应变仪测出混凝士取样前后的应变变化值，根据结构试验及结构理 论计算获得混凝土弹性模量，从而计算出混凝土应力。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在得到混凝土的实际应力状态后，即可与其它量( 包括经过实际修正后的设 计量) 一起对桥梁结构的实际力学状态进行评估。从杨勇等人的试验和实桥的测 量和计算结果来看，应力释放法用于估算桥梁中混凝土的应力是可行的。实际上 应力释放法更适合钢结构既有应力测量【”1 ，但应力释放法会给原结构造成一定的 损伤。 1 2 3 既有桥梁结构状态评估 桥梁结构的状态评估是根据检测数据对桥梁的实际状态进行评定，以决定在 其技术上或表观上是否需要维修。 目前，一般是将桥梁的工作状态分成若干等级，对某一级别的破坏特征给出 定性和定量的描述，针对不同级别建议不同的养护和处理措旖。我国公路养护 技术规范【7 】将桥梁技术状况评定等级分为一类、二类、三类、四类4 个等级。 各类桥梁的养护措施是：一类桥梁进行正常保养；二类桥梁需进行小修；三类桥 梁需进行中修；四类桥梁需进行大修或改善。公路养护技术规范推荐的桥梁 状态综合评定方法见表1 1 ( a ) 、表1 1 ( b ) 。表1 2 ( a ) 、1 2 ( b ) 为美国联 邦公路管理局( f h w ) 关于美国公路桥梁结构缺陷分级的定义和评估定级方 法。可见，中美两国桥梁结构状态评估的方法基本相同，但在分级的数目和具体 细则上有些差别。 表1 1 ( a ) 桥梁各部件权重及综合评定方法 t a b l e l 1 ( a ) t h ew e i g h to f b r i d g ev a r i o u sp a r t sa n dt h es y n t h e s i se v a l u a t em e t h o d 查! ! 查兰堡主堂竺丝主 苎二主! ! 竺 1 1伸缩缝 3 8 8 d ，6 0 二类 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 人行道 栏杆、护栏 照明、标志 排水设施 调治构造物 其他 6 0 d 。 4 0 三类 4 0 d 四类 d ，2 6 0 的桥梁，并不排除其中有评定标度 是3 的部什，仍有维修的需要。 表1 1 ( b ) 桥梁技术状态评定标准 t a b l e l 1 ( b ) t h ee v a l u a t i n gs t a n d a r d s f o r t h eb r i d g e t e c h n o l o g yc o n d i t i o n 6 一 表1 2 ( a ) 美国桥梁评估状态级别 t a b l e l 2 ( a ) a m e r i c a nr a n kf o rt h eb r i d g ea p p r a i s a lc o n d i t i o n 9 、优越状态 8 、甚好状态未发现阗题 7 、良好状态些小问题 6 、满意状态结构杆件显示某些次要缺陷 5 、尚好状态所有主要结构构件完好但可能有次要截面损失( 如坏化、剥落或冲刷) 4 、不良状态截面损失扩大 3 、严重状态截面的损失已经严重影响到结构的主要部件，可能有局部破坏，钢构件 中可能有疲劳裂缝，混凝土构件可能有剪切裂缝 2 、临界状态主要构件坏化扩大，存在着钢构件中的疲劳裂缝，混凝土构件的剪切裂 缝，冲刷已淘空下部结构的支承，除非密切监视，否则可能必须封闭桥梁，直到采取纠正 措施 1 、急迫的破坏状态在关键结构部件上有重大破坏或截面损失，或者明显的垂直或水 平位移，影响结构的稳定，须封闭交通，但经修整可恢复轻型交通服务 0 、破坏状态不能使用，无法修复 表1 2 ( b ) 美国桥梁评估定级 t a b l e l 2 ( b ) t h ea m e r i c a nb r i d g ea p p r a i s e dg r a d e s 9 、较目前所希望的数据优越 8 、与目前所希望的数据相同 一7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 7 、较目前的最低标准为好 6 、与目前的最低标准相同 5 、与保持现状的屉低容忍限度的状态略好 4 、与保持现状的最低容忍相符 3 、基本上不能容忍，要求优先采取纠正措施 2 、基本上不能容忍，要求优先更换 1 、定格规则中，不用本值 0 、桥梁关闭 表1 1 和表1 2 所表达的评估方法的基础是常规的表观检测结果。但是表观 检测结果并不总能满足桥梁状态评估的需要。因此公路养护技术规范还规定 在以下4 种情况下应对桥梁结构进行特殊检查： ( 1 ) 桥梁遭受洪水、流水、漂流物、船舶撞击、滑坡、地震、风灾和超重 车辆通过之后，实施应急检查。 ( 2 ) 定期检查中难以判明损坏原因及程度的桥梁。 ( 3 ) 需要提高载重等级的桥梁( 在决定加固改善方案以前) 。 ( 4 ) 桥梁技术状况为四类者。 1 3 本论文的研究内容及目的 1 3 1 研究内容 1 、对桥梁耐久性的主要影响因素进行分析，包括混凝土碳化，钢筋锈蚀 冻融循环以及碱一集料反应等。 2 、对宏图大桥进行现场表观检测。 3 、对宏图大桥进行碳化深度及钢筋锈蚀检测。 4 、对宏图大挢进行混凝土强度及混凝土密实性检测。 5 、对宏图大桥进行恒载挠度测量以及结构尺寸复核。 6 、对宏图大桥进行静载试验。 7 、对宏图大桥进行动载试验。 8 、评价宏图大桥使用现状，提出维修加固建议。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 研究目的 通过对宏图大桥进行表观检测以及荷载试验，评价宏图大桥的承载能力和使用 状况，为其维修加固提供依据和建议，保证桥梁的安全运营，延长桥梁的使用寿 命。 9 一 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 2 1 钢筋混凝土桥梁病害的主要形式 2 1 。1 裂缝 裂缝是钢筋混凝土桥梁中最普遍、最常见的病害之一，不产生裂缝的桥梁几 乎没有，而且裂缝往往是多种因素联合作用的结果【1 2 】。裂缝对钢筋混凝土桥梁的 危害程度不一，严重的裂缝( 如贯通裂缝、网裂等) 将会严重危及桥梁的安全运 营。另外，裂缝往往也会引起其它病害的发生与发展，如钢筋锈蚀、冻融破坏等， 这些病害与裂缝形成恶性循环，会对桥梁的耐久性产生很大的危害【1 3 。裂缝种类 如下【1 4 一1 5 1 ： ( 1 ) 超载裂缝：由于交通运输的发展以及设计、施工等方面的原因，大部 分钢筋混凝土桥梁处于超载运行状态，使结构上的作用超过了其抗力，出现了此 类裂缝，包括局压裂缝、弯曲裂缝、剪切裂缝。 ( 2 ) 不均匀沉降引起的裂缝。 ( 3 ) 网裂：混凝土出现不规则裂缝。 ( 4 ) 钢筋锈蚀引起的裂缝。 ( 5 ) 碱一集料反应裂缝。 2 1 2 混凝土碳化及钢筋锈蚀 混凝土碳化及钢筋锈蚀现象在钢筋混凝土桥梁中比较普遍，也比较严重。调 查表明，当碳化深度接近或超过混凝土的保护层厚度时，混凝土结构内的钢筋多 已锈蚀。凡是裂缝较多、混凝土质量较差的桥梁，其钢筋锈蚀程度也就必然严重， 产生的顺筋裂缝也特别多。 2 1 3 剥蚀 剥蚀是从混凝土的外观破坏形态着眼，对混凝土桥梁结构表面混凝土发生蜂 窝麻面、露石、酥松起皮和剥落等病害的统称。根据不同的机理可分为冻融剥蚀、 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 冲磨和空蚀、水质侵蚀、风化剥蚀等。 2 1 4 结构构造的破坏 在钢筋混凝土桥梁中，由于结构的关键部位构造不合理、施工中存在问题或 年代久远等而引起的结构构造老化、失稳、变形过大等，已在一定程度上影响了 桥梁的安全运行。 2 1 5 地基不均匀沉降引起的破坏 由于地基不均匀沉降引起的破坏对结构的影响也比较大，如翼墙和锥坡的下 沉、滑动、开裂，毛石墩台的贯通缝等。 2 1 6 人为破坏 人为因素也是导致结构功能丧失的一个重要因素，有时造成的破坏是非常严 重的以至于结构的某项或几项功能完全丧失，主要有撞击、人为拆除等。 2 2 钢筋混凝土桥梁病害的机理分析 2 2 1 裂缝 当混凝土中拉应力大于其抗拉强度或拉应变大于其极限拉应变时，混凝土会 产生裂缝。混凝土产生裂缝的主要原因见表2 1 。 表2 1 混凝产生裂缝的主要原因 t a b l e l 2 t h e m a i nr e a s o n f o r t h ec o n c r e t ec r a c ka p p e a r a n c e 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 2 2 1 1 超载裂缝 ( 1 ) 局压裂缝：当设计的混凝土抗压强度不够或超载使用时，在承压应力 大的部位，由于出现局部拉应力常常导致产生局压裂缝，甚至会局部压碎。其特 征是，在局压区出现大体与压力方向平行的多条短裂缝。临近破坏前，裂缝加密、 混凝土压酥，或发生一条集中开展的主裂缝、混凝土劈裂。 ( 2 ) 弯曲裂缝：当受拉区拉应力超过混凝土抗拉强度时往往出现弯曲裂缝。 特征是，弯矩最大截面附近从受拉区边缘开始出现横向裂缝，逐渐向中和轴发展： 用螺纹筋时，裂缝闻可见短向次裂缝。临近破坏时，横向裂缝向受压区延伸，受 压区出现短而密的纵向裂缝，受压区混凝土和箍筋纵向外鼓i 梁商较大的t 形或 i 形梁中，次裂缝可发展成与主裂缝相交的枝状裂缝。 ( 3 ) 受剪裂缝：其特征分两种情况，当箍筋适当时，沿梁端中下部发生约 4 5 。、方向相互平行的斜裂缝；临近破坏时，斜裂缝发展至梁顶部，同时沿梁下 主筋发生斜裂缝。当箍筋太密时，沿梁端腹部发生大于4 5 。方向的短而密的斜裂 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 缝；临近破坏时，斜裂缝处混凝土酥裂。 2 2 1 2 不均匀沉降引起的裂缝 这类裂缝宽度较大，往往在节点处易产生，常见于双柱或多柱框架式墩台。 特征是，框架梁两端发生裂缝的方向相反( 一端自上而下，另一端自下而上) ， 下沉柱上的梁柱接头处可能发生水平裂缝。 2 2 1 3 网裂 当混凝土出现纵横相交的不规则裂缝时，称为网裂或龟裂。主要有以下情况： ( 1 ) 混凝土搅拌、运输时间过长：混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸 发，引起混凝土浇注时坍落度过低，使混凝土出现不规则的网状裂缝。 ( 2 ) 初期养护不当：混凝土初期养护时，由于浇水不足或不及时或遇大风 天气施工，混凝土表面急骤干燥，出现塑性收缩状态，会在混凝土表面产生不规 则裂缝，一般深度较浅。 ( 3 ) 骨料中含土过多：骨料中含土过多会使混凝土随着干燥而产生不规则 网状裂缝，并使混凝土的强度降低。 2 2 1 4 钢筋锈蚀引起的裂缝 混凝土中钢筋发生锈蚀后，其锈蚀产物( 氢氧化铁) 的体积比原来膨胀2 叫 倍 1 “，从而对周围混凝土产生膨胀应力。当膨胀应力大于混凝土抗拉强度时，就 会产生裂缝，这种裂缝称为钢锈裂缝。钢锈裂缝般都为沿钢筋长度方向发展的 顺筋裂缝。 2 2 1 5 碱一集料反应裂缝 混凝土碱一集料反应是指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破 坏性膨胀反应，是影响混凝土耐久性最主要的因素之一。该反应不同于其他混凝 土病害，其开裂破坏是整体性的，并且目前还没有有效的修补方法。由于碱一集 料反应造成的混凝土开裂破坏难以被阻止，因而称为混凝土的“癌症”。 碱一集料反应是混凝土组成中的水泥、外加剂、掺合料或拌合水中的可溶性 碱，和混凝土孔隙及混凝土集料中能与碱反应的活性成分在硬化混凝土中逐渐发 生的一种化学反应。引起碱集料反应的三个条件为1 7 1 ：一是混凝士中掺入了一定 数量的碱性物质，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境；二是集料中有一定数量 的碱活性集料( 如含s i 0 2 的集料) ；三是潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所 需要的水分。在干燥条件下碱一集料反应难以发生，所以混凝土的渗透性对碱一 东北大学硕士学位论文第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 集料反应有很大的影响。 掘凝土碱一集料反应分为三种；碱一硅反应，碱一碳酸盐反应和碱一硅酸盐 反应。其中碱一硅反应最为常见。碱一集料反应产生的碱一硅酸盐等凝胶遇水膨 胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。碱一集料反应 主要方程式如下【1 8 】： 地d + s i 0 2h 2 0 。n a z o 研q + 凰d ( 2 1 ) 碱一硅酸盐凝胶吸水膨胀的体积约增大3 4 倍，膨胀应力约为3 0 4 0 m p a ， 这种膨胀应力取决于集料中活性氧化硅的最不利含量。碱一集料反应通常进行得 很慢，所以由碱一集料反应引起的破坏往往经过若干年后才会出现。 碱一集料反应裂缝不同于常见的混凝土干缩裂缝和荷载引起的超载裂缝，这 种裂缝的形貌及分布与钢筋限制有关，其破坏特征为：当钢筋限制力很小时，表 面混凝土产生杂乱无章的网状裂缝，并在裂缝中伴有白色浸出物，或者在集料颗 粒周围出现反应环；当钢筋限制力强时则出现顺筋裂缝。混凝土结构一旦发生碱 一集料反应出现裂缝后，会加速混凝土的其他破坏。空气、水、二氧化碳等侵入， 会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原 来的体积，又会使裂缝扩大。若在寒冷地区，混凝土出现裂缝后又会使冻融破坏 加速，这样就造成了混凝土工程的综合性破坏。 为了尽量防止碱一集料反应的发生，可以采取的措施有： ( 1 ) 控制水泥中碱的含量和用量，使用低碱水泥。 ( 2 ) 使用火山灰水泥或粉煤灰水泥，可以降低孔隙中的p h 值。 ( 3 ) 提高混凝土的密实度，防止水的渗入。 2 2 2 混凝碳化及钢筋锈蚀 混凝土碳化及钢筋锈蚀现象在桥梁中比较普遍、也比较严重。调查表明，当 碳化深度接近或超过混凝土的保护层厚度时，混凝士内的钢筋多已锈蚀。凡是裂 缝多、混凝土质量差的桥梁，其钢筋锈蚀程度t g g , 然严重，产生的顺荔裂缝也特 别多。由于混凝土保护层碳化或氯离子侵蚀引发的钢筋锈蚀，其潜伏期长，病发 初期没有任何征兆，及至发现顺荔裂缝、混凝土保护层崩落等病害特征时，钢筋 锈蚀已经处于加速期或破坏期f 1 9 l 。 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 空气、土壤和地下水中的酸性物质( c 0 2 、h c l 、s 0 2 、c l 2 ) 深入混凝土表 面，与混凝土中的碱性物质发生反应的过程称为中性化 2 0 】。 混凝土的碳化是中性化最常见的一种形式，它是空气中二氧化碳与水泥石中 的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种复 杂的物理化学过程。在普通大气中，密实混凝土2 0 r a m 厚的钢筋保护层，完全 碳化一般需要几十年，但对不密实的混凝土可能在几年之间完成2 ”。碳化会降低 混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混 凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响。同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这 些都可能导致混凝士的裂缝和结构的破坏。所以说，混凝土碳化与混凝土结构的 耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝士结构可靠度的重要指标。 2 2 2 1 混凝土碳化机理 混凝土的碳化是介质与混凝土相互作用的一种很广泛的形式，最典型的例子 是大气中的二氧化碳气体对混凝土的作用吲。大气中的c 0 2 与水泥水化物中的 c a ( o h ) 2 发生化学反应： c 0 2 + h 2 0 _ h 2 c 0 3 ( 2 2 ) c a ( o h ) 2 + 吼c 0 3 斗c a c 0 3 + 2 h 2 0 ( 2 - 3 ) x c a o y s i 0 2 z h 2 d + n 2 旦型斗鼢c d 3 + y s i 0 2 胛h 2 0 + z h 2 0 ( 2 4 ) 严格地讲，碳化反应不限于水泥水化物中的氢氧化钙，在其他一些水泥水化 物或未水化物中也会发生其他类型的碳化反应，但是氢氧化钙的碳化影响最大。 由于混凝土碳化的结果，混凝土的凝胶孔隙和部分毛细管可能被碳化产物碳 酸钙等堵塞，混凝土的密实性和强度会因此会有所提高。但是，由于碳化降低了 混凝士孔隙中液体的p h 值( 碳化后p h 值约为8 - 1 0 ) ，一旦碳化达到钢筋表 面，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而产生锈蚀 2 4 - 2 5 。 2 2 2 2 混凝土碳的过程 ( 1 ) 化学反应过程 混凝土碳化的化学反应式见式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 。混凝土的化学反应过 程进行得快慢，反应速度主要取决于二氧化碳的浓度和混凝土可碳化物质的含 量，其中混凝土中可碳化物质的含量又受到水泥品种、水泥用量及水化程度等因 素的影响。 ( 2 ) 二氧化碳等在混凝土中的扩散 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 二氧化碳或其它酸性物质可通过混凝土孔隙向混凝土内部扩散。这个过程的 速度取决于扩散物质的浓度和混凝土的孔隙结构。混凝土的孔隙结构主要受混凝 土水灰比和水泥水化程度的影响。 ( 3 ) 氢氧化钙的扩散 氢氧化钙可在孔隙表面的湿度薄膜内扩散，其速度取决于混凝士的含水率和 氢氧化钙浓度的梯度。 在上述三个过程中，二氧化碳在混凝土中的扩散速度最慢，它决定了混凝土 碳化过程的速度。 上述三个过程均与混凝土的含水量及其周围介质的相对湿度有关。这是因为 二氧化碳与氧氧化钙反应所释放的水必定要向外扩散，以保持混凝土内部与大气 之间的湿度平衡。如果这一扩散速度过慢，混凝土内部的水蒸气压力升高而达到 饱和，于是二氧化碳向混凝土内的扩散实际上即行终止。当介质相对湿度接近 1 0 0 时，混凝土中的微孔隙被水蒸气的冷凝水所充满，反应附加水的向外扩散 和二氧化碳向内扩散的速度就大幅度降低，碳化过程实际上就不能进行，在空气 的相对湿度为5 0 6 0 时，混凝土的碳化速度最快。这是因为此时混凝土的孔 隙尚未被水充满，二氧化碳可以向混凝土内扩散，而混凝土孔隙中的湿度薄膜不 仅为氢氧化钙向外扩散提供了必备的条件，而且使得化学反应进行得较快。 在空气相对湿度为2 5 时，虽然二氧化碳相混凝土内扩散的速度较快，但是 由于混凝土中的水分不足，氢氧化钙的扩散就无法进行，化学反应的速度极慢， 混凝土的碳化实际上停止，因此在空气相对湿度不是很小时( 2 5 ) ，混凝土 处于干燥状态，其碳化就不是以二氧化碳的扩散来制约，而是以氢氧化钙的扩散 及化学反应来制约的。 混凝土的碳化深度d ( n u n ) 与碳化速度系数k 及碳化时间t ( 年) 的平方根 的乘积成正比，即d = k ( t ) 1 2 。 混凝土的碳化速度系数与采用的水泥品种、水泥用量、水灰比、振捣情况、 养护方法、外加剂、掺和料等多种因素有关。 一般来说，水泥用量越大，水泥标号越高，碳化速度系数越小。而矿渣水泥、 火山灰水泥、粉煤灰水泥混凝士的碳化速度系数要比硅酸盐水泥混凝土的大。 2 2 2 3 混凝土碳化的防治 东北大学硕士学位论文 第二章钢筋混凝土桥梁耐久性影响因素 对于混凝土的碳化破坏，主要应在旌工环节进行控制，可以采取如下措施。 ( 1 ) 在施工中应根据结构所处的地理位置、周围环境，选择合适的水泥品 种。对于水位变化区以及干湿交替作用的部位或较严寒的地区选用抗硫酸盐普通 水泥，冲刷部位宜选用高强度水泥。 ( 2 ) 分析骨料的性质。如抗酸性骨料与水、水泥的作用对混凝土的碳化有 一定的延缓作用。 ( 3 ) 要选好配合比，适量的外加剂，高质量的原材料，科学的搅拌和运输， 及时的养护等各项严格的工艺手段，以减少渗流水量和其它有害物的侵蚀，确保 混凝土的密实性。 ( 4 ) 若结构地处环境恶劣的地区，宜采取环氧基液涂层保护效果较好，对 结构地下部分在其周围设置保护层，用各种溶注液浸注混凝土，如采用溶化的沥 青涂抹。 2 2 2 4 钢筋锈蚀机理 直接暴露于水和氧气环境中不受保护的钢筋会发生锈蚀。锈蚀过程是电化学 腐蚀过程口6 1 ，是由铁与电介质溶液接触形成大量的微腐蚀电池所引起的。当电介 质溶液的p h 值小于4 时，腐蚀表现为酸蚀，即为氢的去极化反应，腐蚀速度很 快：当p h 值为4 - - - 1 0 时，腐蚀表现为锈蚀，锈蚀速度受氧的去极化反应控制，腐 蚀速度明显降低；当p h 值大于l o 时，钢筋表面开始生成一层溶解度很小的氧化 保护膜( 钝化膜)