浅谈新桥梁规范下的桥梁结构耐久性设计.pdf

2 0 1 3年 第 1 O 卷 第 1期 深圳土木与建筑 V O L 1 O N O 1 2 0 1 3 浅谈新桥梁规范下的桥梁结构耐久性设计 彭栋木陈宜言 深圳市市政设计研究院有限公司 摘要l 2 0 0 4年新颁布 的桥梁规范增加 了桥 梁耐久性设计的内容 本文主要 阐述 了桥 梁结构耐久性不足的 后果 原 因 结构耐久性设计的基本内容 以及耐久性监控监测设计 从而减少或避免桥梁耐久性破坏 的产 生 提高桥梁的使 用寿命 关键词l 耐久性 耐久性设计 环境类别 全寿命管理 F L QM 性能设计 P B D 1概述 2 0 0 4年新颁布 的桥梁规范 公路钢筋混凝土 及预应力混凝土桥涵设计规范 J T G D 6 2 2 0 0 4 在总则的 1 0 7条增加了公路桥涵结构应根据所 处的环境条件进行耐久性设计的内容 确立 了 I 类环境类 别 并明确规定 了结构混凝土在最大 水灰比 最小水泥用量 最低混凝土强度等级 最大氯离子含量和最大碱含量等方面的耐久性基 本要求 在总则的 1 0 4条更增加了设计基准期 为 1 0 0年的内容 另外 2 0 0 4年 5月出版的中国 土木工程学会标准 混凝土结构耐久性设计与施 工指南 C C E S 0 1 2 0 0 4 进一步提出了混凝土结构 及其构件的耐久性应根据 不同的设计年 限 相应 的极限状态 不 同的环境类别及其作用等级进行 设计的概念 明确提 出了环境作用下混凝土结构 耐久性设计与施工的基本原则与要求 相 比之下 我国 1 9 8 5年颁布的 公路钢筋混凝土及预应力混 凝土桥涵设计规范 和 1 9 8 9 年颁布 的 混凝土结 构设计规范 涉及结构耐久性设计的 内容不多 除了一些保证结构耐久性的构造措施的一般规定 条文之外 只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度这 一 因素加 以验算和控制 但是长期的实践证明 裂缝控制并不是结构耐久性设计的唯一内容 增 加耐久性设计是结构设计理念上的重大突破 是 工程结构科学的重大技术进步 对提高设计质量 具有重要的指导意义 本文主要阐述 桥梁结构耐久性不足 的后果 原 因 结构耐久性设计的基本 内容 以及耐久性 监控监测设计 2桥 梁结构耐 久性不足的后果 混凝土结构 的耐久性是指结构对气候作用 化学侵蚀 物理作用或任何其它破坏过程的抵抗 能力 长期 以来 工程界普遍认为混凝土是一种耐 久性 能良好的建筑材料 其实这一认识是局 限在 3 O年左右 的设计基准期 而不适用于 2 0 0 4年新 彭栋木 留英博士 高级工程师 E m a i l pe n g d m s z m e d i C O I1 c n 桥规的 1 0 0年设计基准期 在工程设计中忽视了 钢筋混凝土结构耐久性 问题 造成了钢筋混凝土 结构耐久性研究和设计的相对滞后 并为此付 出 了巨大的代价 轰动全国的虹桥倒塌事件 四川 宜宾市金沙港桥因吊杆断裂导致塌桥 的事故 给 人 民生命财产带来了巨大 的损失 其主要原因是 钢材的耐久性不足引起腐蚀 以下简单列举几个 类似的桥梁事故 辽宁田庄台大桥 P C 梁桥在 1 4 孔和 1 5孔之间的悬臂端突然断裂 挂梁落水 广 州海印桥使用 6年半后 边跨两侧 1 5号索突然断 落 9号索松弛 其主要原因是 P E管 内索上部普 遍 有水泥浆空缺段和 未凝 固段 导致平行钢丝有 不同程度锈蚀 苏州梅堰古镇 申湖线上的堰月桥 突然断裂 针对 国内频发的桥梁事故 同济大学教授 桥梁工程 的资深院士范立础在第二届公路科技创 新高层论坛上强调 桥梁结构安全受诸多因素影 响 要有效保证耐久性和安全性 必须建好四个 系统 一是质量系统 包括规划 设计 施工 运用 美观五个方面 二是管理系统 要进行有 效的诊断评估 建立健康监测系统 三是维修系 统 四是加固与修复系统 一 般来说 桥梁结构耐久性不足 的后果主要 体现在 以下几个方面 i 混凝土方面 开裂 渗漏 侵蚀 碳化 破碎 酥裂 磨损 溶蚀 碱一 骨料反应 冻融循 环破坏等 2 钢筋 钢束方面 锈蚀 脆化 疲劳 应力损失等 3 粘接方面 钢筋与混凝土之间粘结锚固 作用的削弱 锚具的失效 注浆不密实等 3 桥 梁结构耐久性 不足的原 因 国内外大量调查分析发现 引起混凝土结构 耐久性不足的原因存在于环境影响 结构设计 施工及维护等各个环节 1 环境影响 桥梁的施工及使用环境总是与设计的环境有 一 些差别 因此环境的影响是非常重要的 混凝 土的抗拉强度大约是其抗压 强度的 1 0 由于早 41 2 0 1 3 年 第 1 0 卷 第 1 期 深圳土木与建筑 期的水化热影响 干缩应变反应强烈 加上环境 温度 湿度 日晒雨淋 冲击荷载的影响 混凝 土结构很容易产生裂缝 开裂后 由于水分子 氯离子的侵入 导致钢筋面层的钝化 从而使钢 筋腐蚀 破坏 了钢筋表面与混凝土之 间的化学胶 结力 其直接后果是钢筋与混凝土不能很好的协 同工作 混凝土构件的强度和刚度逐渐削弱 最 终导致结构的耐久性破坏 2 设计理论和结构构造体系欠完善 虽然在许多国家的设计规范中 如英国标准 B S 5 4 0 0 都 明确规定钢筋混凝土结构 的耐久性要 求 但是 这一宗 旨并没有充分地体现在具体的 设计条文中 导致在工程设计中普遍存在重视结 构强度设计而轻视甚至忽视结构耐久性设计 重 视承载能力极限状态而不重视正常使用极 限状态 重视结构的建造而不重视结构的维护等现象 许 多设计人员不太从结构体系 结构构造 结构材 料 结构维护 以及从设计 施工到使用全过程等 方面去加强和保证结构的耐久性和安全性 有的 结构整体性和延性不足 冗余性小 有 的计算图 式和受力路线不明确 造成局部受力过大 有的 混凝土强度等级过低 保护层厚度过小 钢筋直 径过细 构件截面过薄 这些都削弱了结构耐久 性 虽然可能满足 了设计规范 的强度要求 仅用 了几年就因为结构耐久性出了问题 影 响结构安 全 另外在前些年 有些学者和设计人员倡导桥 梁结构混凝土构件 的优化和轻型化 常常 以过密 的钢筋配置细小的结构断面 过密 的钢筋导致钢 筋间的骨料和胶结材料不多 且粗 细骨料分布 不均匀 振捣施工非常困难 难以保证钢筋混凝 土构件的密实度和强度 容易形成蜂窝麻面 甚 至狗洞 另外 断面小 钢筋密导致不 易保证保 护层厚度 的最低要求 造成混凝土构件表面抗碳 化年限不足 以致钢筋锈蚀 影响了结构的耐久 性和安全性 3 施工和管理水平欠规范 如前所述 国内外若干座桥梁的突然破坏与 倒塌事故 已使工程界对桥梁耐久性 安全性 问 题倍加关注 施工过程中的施工和管理水平欠规 范 如野蛮施工和管理不 当等 是造成桥梁结构 耐久性不足的重要原因 其主要表现在以下几个 方面 施工质量没有达到规范和设计要求 典型 的问题包括原材料质量低劣和施工工艺不合格等 混凝土配合比的计量不准 变异性较大 个别桥梁存在诸如偷工减料 以次充好等 严重的管理问题 混凝土保护层厚度的控制不严 有些直接 导致露筋 42 钢筋未作防锈处理 其间距疏密不一 粗 细骨料分布不均匀 混凝土振捣不密实 施工现场的严重的构件开裂 问题 主要原 因包括 水泥选用 混凝土配合 比 振捣 养护 不当及预应力施加不合理等 拆摸时间控制不好或支模 拆模方法不对 引起早期裂缝 另外 目前在市政行业 广东省的施工队伍 基本由包工头控制 水平普遍较低 加上低价中 标 施工质量难以控制 这也是造成桥梁结构耐 久性不足的一大原因 4 桥梁维护方面缺乏全面统筹的系统管理 桥梁维护方面缺乏全面统筹的系统管理 未能 有效地对桥梁的全寿命过程进行管理 桥梁维修 大多要到 出了事故或不得不维修时才进行 错过 维修的最佳时机 其维修效果也不佳 这跟人得 病要早治是同一道理 应把整个地区的桥梁作为 一 个系统工程来研究 在财力一定的前提下 统 筹考虑 合理安排桥梁维修 4桥 梁结构耐久性设计 4 1总体设计 2 0 0 4年新颁布的桥梁规范 J T G D 6 2 2 0 0 4 增加了设计基准期为 1 0 0年 的内容 这应该作为 桥梁结构耐久性设计的 目标 以下以深圳湾公路 大桥的方案设计为例来具体阐述结构耐久性设计 深圳湾公路大桥是连接深圳和香港两地城市 道路及公路路网的重要一环 其重要性 已经不言 而誉 根据香港规范规定 深圳湾公路大桥的设 计寿命为 1 2 0 年 高于国内的设计基准期 1 0 0 年 这就要求大桥具有更高的承载能力及耐久的能力 根据结构安全可靠性理论 结构的可靠度是随着 时间的变化而变化 的 可靠性要求应 当贯穿于桥 梁结构的全寿命过程 因为各阶段的结构可靠度 是不一样 的 要维持结构在各个阶段 包括规划 设计 施工和使用维护等环节 具有相 同的可靠 度 加之本大桥的重要性都使得进行结构全过程 寿命分析 管理成为必不可少 的环节 全寿命管 理的 目的在于合理地 安全地 经济地维持桥梁 结构在各个阶段具有差不多的可靠度 而不像一 般情形下 桥梁结构 的起始可靠度高 而末期可 靠度低 以可靠性理论 为基础 的全寿命 管理 F u l l L if e Q u a n t it a t iv e M a n a g e m e n t 简称 为 F L Q M 是指在结构的寿命期间 全过程地跟踪结构上 的 荷载或其他作用 如温度 支座沉降等 随时间 变化的情况 同时考虑材料性能参数也是以时间 为变量的随机函数 根据相关可靠性理论计算出 结构在各个阶段的可靠度指标 从而判断出结构 是否安全 耐久 这个管理过程 对于桥梁结构 的质量保证 效果费用分析 科学管理提供 了统 一 的准则 2 0 1 3年 第 1 0 卷 第 1 期 深圳土木与建筑 V OL 1 0N O 1 2 0 1 3 桥梁结构的总体设计 应主要考虑 以下几点 1 在桥梁方案拟定中 为获得 比国内更高 的可靠度系数 应用香港规范对结构承载力进行 结构可靠性设计 同时为保证大桥 的耐久性 采 用 易于保证施工质量 的方案 采用高标号高性能 耐久性混凝土 加大钢筋保护层 对钢筋及体外 预应力钢束采取环氧涂层防腐处理 2 结构可靠度 耐久性是时间的函数 这 是 由于荷载是时间的函数 材料性能也是如此 例如 使用期分别为 3 0 5 0 1 0 0 1 2 0年的桥梁 结构 若要保证到使用期末都具有相 同的可靠概 率 则所选择的截面尺寸或所用的材料强度必然 是使用期长者大于使用期短者 同时 要求采用 变异系数较小的高性能钢材和高性能混凝土 以 提高相应的可靠度指标和耐久性 3 桥梁病害分析 H a z a r d S t u d y 是全寿 命管理中的一个必要环节 人为因素也是一个必 须考虑的因素 例如 一个工人不小心丢了一颗 烟 头 很可能这个小病害引起一场大火 导致桥 梁结构的破坏 病害分析之后 在全寿命管理中 尽量消除桥梁病害 以达到提高结构耐久性的可 能 所设计 的结构在设计基准期 内 应经济合理 地满足下列功能要求 在偶然事件发生时及发生 后 能保持必要的结构稳定性和耐久性 4 运 用 可 靠 性 修 正 理 论 B a y e s ia n U p d a t in g T h e o r y 通过现场数据 如标准车辆 下的位移 应变 应力等 的测定 修正 推断 出当前阶段 的可靠度指标 对于判断结构是否达 到使用寿命 具有重要的意义 一般 我们认为 可靠性指标 R e l ia b i1 it y I n d e x 为 3的结构是 可靠 的 基于本桥梁的重要性 按可靠性指标为 4进行设计 实际结构可能达到 5 6左右 分析 可靠性修正后 的结果 如可靠性指标降为 3 5及 以下 则需要进行维护 否则可 以继续使用 不 用维护 这样就为是否需要维护提供 了一个定量 的指标 避免了不必要的维修经费 相应的经费 可 以投入到桥梁系统 中更有需要 的维修 中 从而 在一定的维修经费下 保证整个系统的正常运转 5 重视对疲劳损伤 破坏 的研究 桥梁结 构及构件承受的动荷载很大 而且加载次数频繁 容易产生疲劳损伤乃至破坏 组成桥梁构件 的各 种材料 如钢筋 混凝土等 并非是均匀和连续 的 实际上存在许多微观 的裂缝 在循环动荷载 作用下 这些微裂缝会逐渐发展 以至于形成宏 观裂纹 如果宏观裂纹不得到有效控制 极有可 能会 引起结构的脆性断裂 由于本工程 的设计基 准期为 1 2 0年 比较长 结构设计必须验算其疲 劳性能指标 事实上 国内外调查结果表 明 有 些桥梁破坏是在较低荷载 低温下突然脆性断裂 的 C h a r p y冲击试验结果说明大多数钢材在正常 5 对重要性结构 如果业主对造价不是控 使用温度下是脆性的 因此本工程必须选用韧性 较好 变异系数较小 如产 白同一钢厂 同一批 成品 同样存储条件等 的高性能钢材 6 大 量 工程 数据 统 计 结果 表 明 了美 国 V ir g in ia环氧涂层的功效 预应力混凝土桩箍筋 的环氧涂层在 V ir g in ia海洋环境下 大约 8年左 右 期望值为 8年 变异系数为 0 1 2 从钢筋 上脱落 而桥面钢筋的环氧涂层大约 1 5年左右 期望值 从钢筋上脱落 本工程应尽量采用类 似 V ir g in ia环氧涂层的能提高结构耐久性的高 性能材料 7 充分重视桥梁 的超载问题 桥梁超载现象在我 国公路运输中较为普遍 桥梁设计应充分重视这一点 超载会使桥梁疲劳 应力幅度加大 损伤加剧 甚至会出现一些超载 引发的结构破坏事故 另一方面 由于超载造成 的桥梁 内部损伤不能恢复 导致构件的开裂弯距 降低 刚度下降 将使得桥梁在正常使用荷载下 的应力及变形状态发生变化 从而可能危害桥梁 的安全性和耐久性 8 欧盟国家 如丹麦 德 国等 目前提倡 对结构物进行性能设计 即 P B D P e r f o r m a n c e B a s e d D e s ig n 内容包括 结 构 的变形 裂缝 振动 美观 耐久性能 疲劳 性等 P B D研究主要是为了使结构在运营过程 中 除了保证最低 的安全性要求外 尚应有 良好的使 用性能 包括寿命和耐久性 抗腐蚀性 耐疲劳 性 美观等 P B D综合考虑 分析 了以耐久性为 核心的结构使用性能指标 国内工程设计行业应 该借鉴 吸收这些先进的设计理念 充分考虑营 运期问结构性能随时间的劣化 不要只考虑建造 成本 而忽视营运期的维护成本 4 2结构设计 具体涉及到桥梁结构设计中的耐久性设计 可从以下几个方面着手 1 正确认识和 掌握 结构本质和结构构造措 施对构件耐久性 的影响 2 优 先 选 用 高 性 能 钢 材 H P S H ig h P e r f o r m a n c e S t e e 1 高屈服强度 高水平 的断裂韧性 焊接性能好 耐腐蚀 3 优 先 高 性 能 混 凝 土 H P C H ig h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e 耐 磨 的 H P C可 以 使桥面有更好 的耐久性 一般来说 H P C能减少 结构的尺寸 增加结构的使用寿命和耐久性 对 重要的水中下部结构 如桩基 承 台 墩柱及帽 梁 建议用高性能混凝土取代普通混凝土 以满 足 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 铁建 设 2 0 0 5 1 5 7号 的相应技术指标的要求 4 对耐久性要求较高的结构物 选用结构 重要性系数上限值 1 1 制得很严 的话 地面以上的混凝土构件外表面建 43 2 0 1 3 年 第 1 O 卷 第 1 期 深圳土木与建筑 议作 混凝土涂装防护 混凝土表面防腐涂层执 行交通部 j T j 2 7 5 2 0 0 0 标准 6 在广东地区 设计要满足结构混凝土耐 久性的基本要求 即按新桥规 J T G D 6 2 2 0 0 4第二 类环境 滨海环境 选用 7 最小混凝土保护层厚度 按新桥规 J T 6 D 6 2 2 0 0 4表 9 1 1中第二类环境选用 例如 主 梁和墩柱主筋 4 0 ra m 箍筋 2 5 ra m 桩基可用净保护 层 5 0 m m 或 7 0 m m 对深圳湾公路大桥 由于位处 海洋环境中 可以加大一些混凝土保护层 甚至 在构件外包一层素混凝土 以防止构件的腐蚀和 破 坏 8 考虑超载 问题 考虑到过境的大型货柜 车比较多 桥梁设计荷载可 以适当放大 如 1 5 x 公路一I 级或 2 x汽一 超 2 O 等 9 配合比设计 不仅要考虑混凝土强度的 要求 还要考虑混凝土的耐久性 1 0 选择适当的结构断面 配置适当间距的 钢筋 可使混凝土粗 细骨料分布均匀 容易振 捣 保证混凝土的密度和强度 1 1 如地下水对混凝土有腐蚀性 应对桩基 混凝土采取以下措施 采 用普通 硅 酸盐水 泥 标 号不 低于 4 2 5号 水泥含量不小于 3 7 0千克 立方米 C 3 A 含量不大于 8 水灰比不大于 0 4 5 5桥梁耐久性监控监测设计 桥梁耐久性监控监测设计对桥梁的安全 耐久的使用具有重要的意义 从过去的静态设 计逐步过渡到研究建造 使用和维修等过程的 动态设计 而随着现代化的传感技术 测试技 术 计算机技术 现代网络通讯通信技术 的发 展 对桥梁工程的耐久性监控监测也逐步成为 可能和现 实 桥梁耐久性 自动化监控监测系统 是针对 桥梁的振动位移 速度 加速度 应力 应变 频率 振型 阻尼 裂缝 强度 刚度等技术 参数进行采集 处理 所采集的数据经过处理 后 计算出位移 振动幅度 裂缝 应力等桥 梁耐久性数据 既可以为桥梁的在线分析提供 决策依据 也可以提交给有关的桥梁结构耐久 性软件做进一步的分析处理 从而及时掌握桥 梁的即时结构状态 全面 了解桥梁的运营条件 及质量退化状况 为桥梁 的