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(交通运输工程专业论文)北京地区钢筋混凝土桥梁耐久性研究.pdf.pdf 免费下载
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摘要 摘要、 对于道路而言桥梁是不可或缺的一部分,桥梁结构的安全性和耐久性更是道 路畅通的关键所在。 桥梁的耐久性问题在国外是近十几年提出的,美国1 9 8 4 年报道,仅就桥梁 而言,5 7 5 万座钢筋混凝土桥梁,一半以上出现钢筋腐蚀破坏,4 0 承载力不足 和必须修复与加固处理;英国由于混凝土腐蚀造成的修复费为每年5 5 亿英镑; 加拿大发生了范围较大的桥梁混凝土碱集料反应。结构耐久性问题越来越受到各 国政府的重视。 我国在长期以来的混凝土桥梁工程建设中,耐久性问题一直未能得到足够重 视,随着建设速度的加快、材料和施工方式的变化、交通量的增加、使用环境的 改变,混凝土结构的耐久性问题越来越多地暴露出来。 我国现行的桥梁结构设计、施工及养护规范关于结构耐久性的内容要求非常 少,施工过程也未对耐久性进行严格的量化控制,养护往往受资金控制不能根据 结构劣化程度进行及时的修补,因而从多方面影响了结构的耐久性。 桥梁结构的承载能力不仅取决于其强度及刚度是否满足使用要求,耐久性能 是影响桥梁使用的更为重要的因素。对桥梁结构耐久性能开展研究,既可对正在 使用的桥梁维护保养提出一些可行性方案,又能对今后桥梁的设计施工起到指导 作用。 通过大量文献的查阅以及对北京市已建桥梁施工、养护资料的收集发现,已 有的对于混凝土桥梁耐久性的研究较少,特别是第一手的检测资料更是缺乏。本 文就北京地区混凝土桥梁的耐久性问题进行研究,分析影响混凝土桥梁耐久性的 主要因素,进而从设计、旅工、养护等多个方面论证应采取的措施,提高混凝土 桥梁的使用寿命。 主要研究内容分为以下部分: 1 对北京市城区立交桥梁( 二、三环路) 按照建设年代进行普查,重点检查桥 梁主体结构存在问题及附属构造物的使用情况。 2 分析并选取不同建设年代建成的典型桥梁进行部分指标检测,内容包括: 混凝土强度、保护层厚度、裂缝、附属设施对结构腐蚀的影响等等。以确定桥梁 的基本状况,初步分析桥梁损坏原因。 3 根据北京地区桥梁使用环境,以及国内外混凝土结构耐久性研究的资料, 对破损较严重的桥梁进行专项研究,内容包括:混凝土碳化与钢筋锈蚀、氯化物 渗入与钢筋锈蚀、混凝土抗冻性能、混凝土碱集料反应等,分析得出影响城市桥 梁耐久性的主要因素; 4 针对影响城市桥梁耐久性的主要因素,结合我国桥梁建设的具体情况,提 出了现阶段可行的、提高城市桥梁耐久性的主要措施。 课题研究的主要成果可以归结为以下几点: 1 、本次研究对北京城市混凝土立交桥梁进行了比较全面的耐久性检查,从检 查结果上看,桥梁整体性能尚完好,基本能够满足使用要求。但是桥梁某些局部 发生了混凝土剥落、开裂以及钢筋锈蚀等腐蚀破坏现象,这些因素将直接影响桥 梁使用的耐久性。 北京工业大学工程硕士学位论文 2 、通过对北京城市立交混凝土桥梁的耐久性能检测可以发现,城市立交桥 受使用环境影响,特别是冬季泼洒除冰盐的影响,部分桥梁混凝土内的钢筋已 经锈蚀,造成了混凝土的开裂和剥落,由氯化物侵入而引起的钢筋锈蚀是影响 桥梁耐久性的一个主要因素。 3 、北京每年冬季寒冷,由于现行桥梁规范中,没有混凝土抗冻要求,桥梁 混凝土抗冻标号较低,再加上冬季除冰盐的使用,使得桥梁局部混凝土产生了 冻融破坏,建成二十年的桥梁出现了混凝土分层剥落、骨料外露的现象,建成 十年左右的桥梁也有不同程度的混凝土表面起毛,冻融循环破坏是影响桥梁耐 久性的另一主要因素。 4 、北京地区混凝土集料具有碱活性,早期建设的立交桥梁没有对混凝土碱 含量提出要求,有些立交混凝土的碱含量较高,具备碱集料反应的可能性,这 在以后的桥梁建设中应加以充分重视。 5 、提高桥梁的耐久性应首先从提高混凝土的品质入手,提高混凝土的抗渗 透性、抗冻性、限制含碱量等,在目前我国经济发展允许的条件下,还应采取 一些合理的混凝土防腐蚀措施,尽可能地延长桥梁的使用寿命。 6 、检测发现,不合理的构造设施也是造成桥梁损坏的重要原因。在今后的 桥梁设计中,应从耐久性角度考虑结构构造的设计。 7 、桥梁设计应从单一的强度设计逐渐过渡到强度和耐久并重的设计阶段, 首先确定桥梁结构的设计使用寿命,然后根据桥梁结构工作环境的情况确定耐 久性极限状态,按照混凝土结构破损的规律验算桥梁结构在设计使用寿命内抵 抗环境作用的能力是否大于环境对结构的作用。 8 、对于北京目前使用的城市立交桥梁,应增加维护的投入,特别对一些局 部已经损坏的桥梁,应立即采取补救措旖,防止其继续扩展。 桥梁耐久性研究是一个长期的课题,目前国外仍处于摸索阶段,尚无成熟 的经验可以借鉴;国内对混凝土耐久性的基础研究虽然内容不少,而且也很有 成绩,但还没有全面进入与使用寿命挂钩的量化研究阶段,因此对于桥梁耐久 性设计来说,还缺乏大量基础研究数据成果,这也是今后混凝土结构耐久性需 要解决的问题。 关键词:耐久性混凝土桥梁 a b s t r a c t a b s t r a c t b r i d g e s a r e i n d i s p e n s a b l e t o r o a d s , d u r a b i l i t yo fb r i d g es t r u c t u r e sa r e a n dc o n s e q u e n t l yt h e s a f e t ya n d t h ek e y st os m o o t hr o a dt r a f f ic t h ei s s u eo fb r i d g ed u r a b i l i t yw a sr a i s e dn e a r l yt w od e c a d e sa g o a c c o r d i n gt oar e p o r ti nt h eu si n1 9 8 4 ,m o r et h a nh a l fo ft h e 5 7 5 ,0 0 0r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sw e r es u b j e c t e dt or e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n ,4 0 o ft h e mw e r es u f f e r i n gf r o ml a c ko fb e a r i n gc a p a c i t y a n da sar e s u l tw e r ei nn e e do fr e p a i ra n db e i n gs t r e n g t h e n e d i nt h e u k5 5 0 m i l l i o np o u n d si sa l l o c a t e de a c hy e a rf o rb r i d g er e h a b i l i t a t i o n d u et oc o n c r e t ec o r r o s i o n a n di nc a n a d aa l k a l i a g g r e g a t er e a c t i o ni n t h ec o n c r e t eo fb r i d g e so c c u r r e do na l a r g es c a l e h e n c em o r ea n d m o r e i m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt ot h es t r u c t u r a ld u r a b i l i t yo f b r i d g e sb ye v e r yg o v e r n m e n t h o w e v e rt h ei s s u eo ft h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t eb r i d g e sh a sl o n gb e e n i g n o r e di nc h i n a n o ww i t ht h ea c c e l e r a t e dc o n s t r u c t i o ns p e e d ,n e w m a t e r i a l sa n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d sa d o p t e d ,i n c r e a s e dt r a f f i cv o l u m e a sw e l la st h ec h a n g e da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ,t h e p r o b l e mo f d u r a b i l i t yo fc o n c r e t es t r u c t u r e sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h ec u r r e n tc h i n e s ec o d e sf o rt h e d e s i g n ,c o n s t r u c t i o na n d m a i n t e n a n c eo fb r i d g es t r u c t u r e sp r o v i d ev e r yf e wr e q u i r e m e n t so nt h e s t r u c t u r ed u r a b i l i t y a sar e s u l t s t r i c tq u a n t i t a t i v ec o n t r o lo nt h e d u r a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e sc a nn o tb ec a r r i e do u td u r i n gt h e c o n s t r u c t i o np e r i o d 。m o r e o v e rd u et ot h e1 i m i t e df u n d i n gt i m e l y m a i n t e n a n c eo nd e f e c t e ds t r u c t u r e si s i m p o s s i b l e t h e s ev a r i o u s f a c t o r sh a v ea f f e c t e dt h e d u r a b i l i t yo fb r i d g es t r u c t u r e s t h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h eb r i d g es t r u c t u r ea r en o tt h e o n l y f a c t o r sa f f e c t i n gt h es t r u c t u r e s b e a r i n gc a p a c i t y t h ed u r a b i l i t y o ft h es t r u c t u r em a yh a v ep l a y e da ne v e nm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h e b r i d g es e r v i c e t h er e s e a r c ho nt h ed u r a h i l i t yo fb r i d g es t r u c t u r e w l i io nt h eo n eh a n dp r o v i d eaf e a s i b l es c h e m ef o rb r i d g em a i n t e n a n c e a n do nt h eo t h e ra c ta sag u i d a n c ef o rf u t u r e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o fb r i d g e s t h es t u d yo fag r e a tn u m b e ro fr e f e r e n c e sa n dt h ec o l l e c t i o no f i n f o r m a t l o no nt h ec o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c eo fb u i i t u d b r i d g e s i n b e i j i n gh a v es h o w nt h a tv e r y1 i t t l es t u d yh a sb e e nc o n d u c t e do n t h es u b j e c to fc o n c r e t eb r i d g ed u r a b i l i t yw h i c hr e s u l t e di n s h o r t a g e o ff i r s t h a n di n s p e c t i o ni n f o r m a t i o ni n t h i sr e g a r d t h i sd a p e r d i s c u s s e st h ed u r a b i l i t yp r o b l e m s e x i s t i n gi nt h ec o n c r e t eb r i d g e si n b e i j i n g ,a n a l y s e st h ea f f e c t i n gf a c t o r sf o rc o n c r e t eb r i d g e d u r a b i 儿t ya n dp r o p o s e sm e a s u r e st ob et a k e ni n d e s i g n ,c o n s t r u c t i o n i i i 北京工业大学工程硬士学位论文 a n dm a i n t e n a n c es oa st oe n h a n c et h es e r v i c el i f eo ft h ec o n c r e t e b r i d y e s r h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t sa r ea sf o l l o w s : 1 t oc o n d u c tac e n s u sb y y e a ro fc o n s t r u c t i o nf o rt h ei n t e r c h a n g e s w i t h i nt h ec i t yp r o p e ro fb e i j i n g ( 2 “a n d3 “r i n g r c a d s ) ,f o c u s i n g c at h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nt h em a i ns t r u c t u r eo fb r i d g e sa sw e l1 a st h ee p e r a t i o no fn u x i l i a r ys t r u c t u r e s 2 t oa n a l y z ea n ds e l e c tt y p i c a lb ii d g e s c o m p l e t e di 1 2 d i f f e r e n ty e a r s f o r t h et e s t i n go fc e r t a i ni n d i t e e ,i n c l u d i n gs t r e n g t ho fc o n c r e t e , w i d t ho f p r o t e c t i o nc o a t ,c r a c k s ,i m p a c to fa u x i l i a r yf a c i l i t i e s o ns t r u c t u r a l e r o s i o n ,e t c s oa st oi d e n t i f yt h eh a s i cs i t u a t i o n o ft h eb r i d y e sa n dp r o v i d ep 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s t r u c t u r e a c c o r d i n g t ot h ec o n c r e t e s t r u c t u r e d a m a g er u l e s , c a l c u l a t i o ns h a l lb ec a r r i e do u tt od e c i d ew h e t h e rt h er e s i s t a n c e o ft h e b r i d g e s t r u c t u r et oi t se n v i r o n m e n t i m p a c t w it h i n t h e d e s i g nl i f eo fh r i d g es t r u c t u r ei ss t r o n g e rt h a nt h ei m p a c to ft h e e n v i r o n m e n to nt h es t r u c t u r e 8 i n p u ti nt h em a i n t e n a n c eo fu r b a ni n t e r c h a n g eb r i d g e si nb e i j i n g s h a l lh ae t r e a g t h e n e d i m m e d i a t er e p a i rm e a s u r e ss h a l lh et a k e nt o p a r t i a l l yd a m a g e db r i d g e s ,s on st op r e v e n tt h ed a m a g e sf r o m w o r s e a i n g t h es t u d yo fb r i d g e d n r a b i l i t ys h o u l db eal o n g t e r ms u b j e c t t h i ss t u d ya b r o a di ss t i l li nt h eb e g i n n i n gs t a g ea n dn o m a t u r e d e x p e r i e n c et of o l l o w t h o u g hag r e a td e a lo ff r u i t f u lb a s i cs t u d i e s v 北京工业大学工程硕士学位论文 h a v eb e e nc o n d u c t e di nc o n c r e t ed u r a b i l i t yi nc h i n a b u tq t l a l l t i l i e d s t u d yw i t hr e g a r dt ot h es e r v i c e1 i f eu fb r i d g ei sy e tt ob ec a r r i e d o u t t h el a c ko fv o l u m eo fb a s i cr e s e a r c hd a t af o rd n r a b i l i t yd e s i g n o fb r i d g e st e m a i n st ob ea d d r e s s e di nt h ef u t u r e 。 k e yw o r d s c o n c r e t eb r i d g e s :d u r a b j l i t y ;e h l o r jd e ;f r e e z et h a w i n g v i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工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 表示了谢意。 签名日期:汐扩,笋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送 交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名;丛墨整导师签名:4 兰趣垒日期:圣翌丝:丝、 第1 章绪论 第l 章绪论 对于道路而言桥梁是不可或缺的一部分,特别是对于高速度、高容量的城 市快速路和高速公路,桥梁结构的安全性和耐久性更是道路畅通的关键所在。 论文就北京地区混凝土桥梁的耐久性问题进行研究,分析影响混凝土桥梁耐久 性的主要因素,进而从设计、施工、养护等多个方面采取措施,提高混凝土桥 梁的使用寿命。 1 1 问题的提出及研究的意义 1 9 7 4 年北京建成了国内首座大型的城市立交一一复兴门立交,以后的近三 十年是北京乃至全国基本建设的高峰时期,在此期间,北京完成了二环、三 环、四环、五环路的建设,建成了京津塘、首都机场路、京石、八达岭、京 沈、京开等高速公路,目前北京城区立交数目已达到二百余座,每座立交中桥 梁的数目不等,个别立交的桥梁多达二十余座。最早建成的城市立交桥梁距今 已有二十多年,由于多种原因,早期建成的部分桥梁结构已经出现了不同形式 的腐蚀和损坏。 在今后的若干年中,北京还将完成六环、京承等高速公路的建设,加速进 行城市铁路及轨道交通线网的实施,并建设若干大型交通枢纽,以满足北京做 为国际型大都市的交通需求,保证2 0 0 8 年奥运会的圆满举行。在高速度的基本 建设过程中,混凝土这一经济的建筑材料,充分发挥了作用,在北京已建成的 桥梁中,9 0 以上的结构均是混凝土结构,如何保证混凝土结构的耐久性,是 我们在集中大规模建设过程中必须给予特别重视的问题,分析这些桥梁的使用 和损坏状况,找出桥梁损坏在设计、旖工、养护等方面的原因,提出保证桥梁 耐久性的对策措施,对提高城市桥梁建设水平有非常重要的指导意义。 桥梁的耐久性问题在国外是近十几年提出的,美国1 9 8 4 年报道,仅就桥梁 而言,5 7 5 万座钢筋混凝土桥,一半以上出现钢筋腐蚀破坏,4 0 承载力不足 和必须修复与加固处理。当年的修复费为5 4 亿美元;根据美国联邦公路管理署 1 9 9 7 年统计“”,美国共有桥梁5 9 万6 千余座,目前3 1 的桥梁低于标准, 其中1 7 被划分为“有结构缺陷”将被关闭、限制于轻载交通或需要立即修 复;另外1 4 划分为“功能过时”即桥面构造、净空高度或承载能力不符合当 前标准要求。也有2 万4 千座混凝土桥梁( 超过1 0 ) 属于结构或功能不良, 结构不良主要是混凝土劣化而造成早期损坏。英国由于混凝土腐蚀造成的修复 费为每年5 5 亿英镑。;加拿大发生了范围较大的桥梁混凝土碱集料反应。因 此发达国家在近十几年内新建的大型桥梁中,明确提出了使用年限要求,如北 北京工业大学工程硕士学位论文 i i i 欧的一些跨海大桥设计寿命为7 0 1 2 0 年,香港的青马大桥,设计寿命1 2 0 年,结构的耐久性问题越来越受到各国政府的重视。 我国在长期以来的混凝土桥梁工程建设中,耐久性问题一直未能得到足够 重视,在人们的普遍认识当中,混凝土是非常耐久的建筑材料。在工程师看 来,耐久性好,养护费用低廉,是混凝土结构的重要优点之一,而早期建设的 一些混凝土桥梁也确实验证了这一观点,五、六十年代修建的桥梁,其损坏的 主要原因是车辆荷载的提高使其承载能力不足而遭受破坏,并不是结构材料自 身的劣化或环境及人为因素造成的腐蚀。但是随着工程建设规模和速度的提 高,对混凝土强度的要求越来越高,要求混凝土达到设计强度的时间越来越 短,这使得人们对如何使混凝土高强、早强的研究加强了,而忽视了同时造成 的混凝土耐久性能的降低;此外,随着人们对出行需求的增加和出行速度要求 的提高,城市道路和桥梁在冬季对除冰盐的使用越来越广泛了,这一措施虽然 保证了在恶劣气候条件下的行车要求,但是对工程结构的耐久是非常不利的。 这些因素使得混凝土结构的耐久性问题越来越多地暴露出来“1 。 二零零零年一月十日国务院颁布了建设工程质量管理条例( 中华人民 共和国国务院令第2 7 9 号) ,其中第二十一条明确指出:“设计文件应当符合 国家规定的设计深度要求,注明工程合理使用年限”o ,从而将我国结构的耐 久性能要求提到了一个新高度。为达到结构耐久的最终目标,必须从混凝土结 构的设计、施工、使用、养护各个环节考虑耐久性的影响因素,并对关键环节 有严格的量化指标控制。我国现行的桥梁结构设计、施工及养护规范关于结构 耐久性的内容要求非常少,施工过程也未对耐久性进行严格的量化控制,养护 往往受资金控制不能根据结构劣化程度进行及时的修补,因而从多方面影响了 结构的耐久性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外混凝土结构耐久性研究概况 1 9 世纪2 0 年代波特兰水泥问世,混凝土材料以其广泛的适用性和低廉的造 价而成为土木建筑工程中不可缺少的材料,其用量越来越大。1 9 世纪2 0 3 0 年代用素混凝土修建了海岸防波堤、码头、灯塔等沿海或海上构筑物,由于这 些构筑物长期经受外部介质的强烈作用,其使用期往往不能像人们预料那样 长,因此混凝土结构的耐久性问题逐渐引起了人们的重视。1 9 世纪4 0 年代, 法国卓越的工程师、研究家维卡对海水环境中水硬性石灰及用石灰和火山灰制 成的砂浆性能进行了研究,并得出结论:海水中的镁盐与氢氧化钙和含水硅酸 盐发生反应,生成氢氧化镁和硫酸钙;硫酸钙继续与水泥石中的其它成份相互 作用,造成水泥石的腐蚀破坏旧。 2 第1 章绪论 1 8 8 0 1 8 9 0 年第一批钢筋混凝土结构问世,并首先应用于工业建筑物,随 之而来的钢筋混凝土结构腐蚀条件下的安全使用和耐久性( 主要是钢筋锈蚀) 问题也就摆在了人们的面前。2 0 世纪初,格尤恩、拉巴利德和克莱罗门等人对 工业建筑中使用的混凝土和钢筋混凝土进行了基本研究和经验总结( 6 ) 。 1 9 3 4 1 9 6 4 年间,卡皮斯和戈拉夫对混凝土在海水中的耐久性进行了试验 研究,并提供了许多有关混凝土结构在自然条件下使用情况的可靠数据,以及 有关水泥种类、混凝土配合比和某些生产因素对混凝土结构抗腐蚀性影响方面 的见解。从本世纪6 0 年代开始,混凝土结构的耐久性问题已成为国际学术机构 或国际学术会议讨论的重要课题之一。 近1 0 年人们对混凝土结构耐久性的研究已进入了一个崭新的阶段:1 9 8 7 年 日本土木工程师协会混凝土结构委员会提出了一个混凝土结构耐久性的实用设 计方法,1 9 8 9 年欧洲混凝土结构委员会发表了“耐久性混凝土结构设计指 南”。1 9 8 7 年国际桥梁与结构工程协会在巴黎举行的“混凝土结构的未来”讨 论会上,把耐久性放在一个非常突出的位置;1 9 9 2 年欧洲混凝土委员会颁布了 耐久性混凝土结构设计指南( d u r a b l ec o n c r e t es t r u c t u r e sd e s i g n g u i d e ) ”。 1 2 2 我国其它行业耐久性研究概况 我国对混凝土结构耐久性的研究起步于6 0 年代初期南京水利科学研究院的 钢筋锈蚀研究。对混凝土结构碳化和钢筋腐蚀等耐久性问题的研究始于6 0 年代 中期。我国水工和港口工程科技工作者在6 0 7 0 年代开始研究混凝土的抗冻性 能,中国水科院1 9 9 1 年1 2
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