预应力混凝土桥梁的耐久性研究

1、 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 四川建筑 第 29卷 3期 2009. 06预应力混凝土桥梁的耐久性研究陈铭军 1, 刘小波2(1. 浙江中南建设集团有限公司 , 浙江杭州 310052; 2. 武汉融桥房地产开发有限公司 , 湖北武汉 430000 【 摘 要 】 展情况 , 对预应力桥梁结构耐久性受到构件混凝土开裂及钢筋锈蚀 、 应力损失 、 重复荷载引起的疲劳损伤等影响因素进行了分析 【 关键词 】 桥梁 ; 耐久性 ; 钢筋腐蚀 ; 预应

2、力损失【 中图分类号 】 U445. 7+3A 收稿日期 2008-08-01作者简介 陈铭军 (1978 , 男 , 工程师 。 发展 , , 先进的施工技术 结构失效 。 在大规模桥梁建设后 , 其耐久性问题将会越来越 突出 。 国内外统计资料表明 , 由于预应力混凝土结构耐久性 病害而导致的损失是巨大的 。 国内外的研究和实践也表明 , 结构耐久性对于桥梁的安全运营和成果起着决定性作用 。 目前国内的预应力桥梁设计对耐久性设计重视不够 , 这在一 定程度上导致了结构使用性能差 、 使用寿命短等不良后果 。 因此 , 为确保大型预应力桥梁结构的安全和正常运营 , 必须 对影响其耐久性的主要

3、因素进行研究 , 以便采取必要的对 策 , 提高预应力桥梁结构的耐久性和使用功能 。1 国内外预应力混凝土桥梁的发展及现状1955年 , 我国铁路部门研制成功第一座跨度 12m 的预应力混凝土铁路桥梁 ; 1956年建成 28孔 24m 跨的新沂河大 桥 , 从而开始了预应力混凝土技术在我国铁路上的应用 。经 过 40多年的努力 , 制造架设了跨度 32m 以下桥梁 30000多 座 , 更大跨径桥梁也不断涌现 。 其中最有代表性的是主跨为168m 的攀枝花金沙江铁路连续刚构桥和采用顶推法施工的跨度 80m 连续箱梁桥杭州钱塘江二桥 。此外 , 在南昆铁路 线上新建了一大批各类型的铁路桥梁 。

4、1957年 , 我国公路部门在北京周口店建造第一座预应力混凝土公路试验桥 , 为单跨 20m 简支 T 梁桥 ; 1959年在兰州 建成七里河黄河桥 , 为 7孔主跨为 37. 5m 悬臂梁桥 ; 后又建 成新城黄河桥 , 桥型为 5孔 33m 的 T 形简支梁和 3孔 66m 系杆拱桥 , 这些桥梁奠定了我国建造预应力混凝土桥的基 础 。 随着交通运输的蓬勃发展 , 公路上建造了大量预应力混 凝土桥 , 尤以大跨径桥梁居多数 , 例如主跨 400m 以上的斜 拉桥 7座 。 继连续刚构桥继主跨 250m 黄石大桥建成后 , 虎 门大桥达 270m 的主跨为世界之冠 , 这些桥型和其它桥型 ,

5、 无论在跨度上还是在施工方法上都已接近发达国家的先进 水平 。印度孟买 Thane 河上的第一座桥是后张预应力混凝土桥 。 由于该桥预应力筋在安装前就被大气中的盐份所污染 , 灌注的水泥浆体又用了含盐的河水 , 因而不到 10年 , 所有钢 筋 、 预应力筋及其套管都遭到了严重的腐蚀破坏 , 现在不得 不修建第二座桥 。 1953年英国南威尔斯跨 Man 河建造的一 座名为 Ynys -y -G was 的单跨后张预应力混凝土桥 , 1958年 倒塌了 。 事后调查表明 , 撒在桥面上的除冰盐沿各纵梁接缝 处渗入 , 使接缝处灌浆不饱满的纵向与横向后张预应力筋遭 受到严重腐蚀破坏 。 美国 1

6、992年报道 , 因撒除冰盐引起钢 筋腐蚀破坏而限载通车的公路桥 (其中大多数为预应力桥 就占 1/4(即 52万余座中的 13万余座 , 其中已不能通车的 占 1%(约 5000座 。仅这些桥的维修费就高达 900亿美 元 , 如果加上车库 、 公路 、 房屋等因钢筋腐蚀而需要的修补 费 , 则高达 2580亿美元 , 几乎占美国债务的 6%。与普通混凝土结构相比 , 国内外对预应力混凝土结构耐 久性的研究很少 , 尚需做大量的工作 。但其耐久性失效有如 下特点 :(1 由于预应力筋断面小且长期处于高应力状态 , 锈 坑腐蚀 、 应力腐蚀及氢脆腐蚀现象特别突出 , 预应力筋自开 始腐蚀至失效

7、历时很短 , 破坏形式表现为无任何先兆的脆性 破坏 ; (2 预应力技术在工程中的成功应用 , 需要经过多道工 艺来保证 , 如波纹管的制作 、 埋置 , 管道的灌浆 , 预应力筋的 锚固及锚具的防腐处理等 , 任何一个环节的疏忽或质量的缺 陷都有可能影响结构的耐久性 。 因此 , 预应力混凝土结构的 耐久性比普通混凝土结构有更多 、 更高的要求 。虽然预应力混凝土结构有较强的抵御环境侵蚀的能力 , 但由于以前对耐久性问题重视不够 , 在世界范围内出现了一 系列的预应力混凝土结构耐久性失效事故 , 其原因有 :(1 现 有预应力结构对耐久性问题考虑不足及使用年限的增加 ; (2 以往的统计报告

8、没有反映除冰盐的效应 ; (3 没有考虑 车辆超载和疲劳荷载的联合作用影响 ; (4 没有考虑恶劣环 境对预应力筋腐蚀破坏的混凝土碳化进程加速及酸雨的侵701 工 程 结 构 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 四川建筑 第 29卷 3期 2009. 06蚀等 。2 使用过程中结构构件力学性能的衰变在使用过程中 , 预应力桥梁受到环境等自然因素的影响 而逐渐老化 , 承受汽车重载 、 风 、 地震 、 疲劳 、 超载 、 人为因素 作用 , 使桥梁结构

9、材料及构件的力学性能不断退化 , 从而导 致结构各部分不同程度损伤和劣化 。 2. 1 环境因素引起混凝土损伤及开裂混凝土在大气中的碳化会降低混凝土碱度 , 破坏预应力 筋表面的钝化膜 , 使混凝土失去对预应力筋的保护作用 , 还 会加剧混凝土的收缩 , 导致混凝土的开裂和结构的破坏 。因 此 , 混凝土碳化与预应力混凝土结构的耐久性密切相关 。一 般认为 , 当混凝土碳化到预应力筋表面时锈蚀开始 , 混凝土 碳化到预应力筋表面的时间 t c (年 可表示为 :t c =c 2/k 2c1 式中 :c ; k c , 产生很大 的膨胀压力 , 这种裂缝出现后 , 会加 剧混凝土的破坏 、 水

10、、 二氧化碳等的侵入 , 使混凝土 碳化和预应力筋锈蚀速度加快 , 铁锈的体积远大于原体积 , 又会使裂缝扩大 ; 在寒冷地区 , 混凝土出现裂缝后 , 会使冻融 破坏加剧 , 造成预应力钢筋混凝土工程的综合性破坏 。混凝 土性能的劣化逐步失去了对预应力筋的保护能力 , 其强度随 时间也有所变化 , 强度标准差随时间的增大而增大 。 2. 2 预应力筋锈蚀使受力截面积减小我国西部地区 , 因工业污染形成的“ 酸雨 ” 普遍存在 , 加 剧了预应力筋的锈蚀 ; 在东部沿海地区 , 海洋中的氯离子以 海水 、 海雾等形式渗入混凝土中 , 影响混凝土结构的使用性 能和寿命 ; 在严寒地区 , 冬季为

11、保证公路交通畅通 , 向结构表 面撒盐和盐水以化雪融冰 , 也使氯离子侵入混凝土内部 , 破 坏预应力筋表面的钝化膜而使钢筋锈蚀 。预应力筋的锈蚀 不但使其截面积有所损失 , 材料的性能也会发生衰退 , 从而 影响预应力混凝土构件的承载能力 , 因此预应力筋锈蚀是预 应力钢筋混凝土结构耐久性降低的最主要因素 。应从理论 角度出发 , 建立预应力筋锈蚀率模型 , 再通过实测数据不断 进行修正 。钢筋的主应力 应变曲线屈服平台缩短 , 伸长率降低 。 当截面锈蚀率在 60%以内时 , 屈服强度标准值为 :f sk =f yk (0. 986-1. 1992s (2 式中 :f sk 为屈服强度的标

12、准值 ; f yk 为现行预应力筋强度标准值 ; s 为锈蚀面积与原面积的比值 。预应力筋锈蚀会影响其与混凝土之间的粘结力 。对损 伤严重的构件需计入由于钢筋锈蚀而引起的两者之间 共同 工作能力下降而导致的抗力降低 。 其协同工作系数 :k s =1-0. 3/(d (3 式中 :k s 为协同工作系数 , 当出现锈涨但混凝土保护层尚未脱落时 , 可以用锈涨裂缝宽度来代替 , 宽度小于 2mm 时 , 可取为 1; 为钢筋截面的裸露周长 (mm ; d 为钢筋直径 (mm 。 2. 3 混凝土徐变 、 预应力损失及其对内力的影响混凝土长期受预应力作用使其徐变逐渐增加 。 经测定 , 预应力桥梁

13、运营 67年后 , 桥面跨中标高均有不同程度相 对下挠 , 长期应变受混凝土受载龄期的影响很大 。在大跨度 梁预应力施加中 , 实际情况难以与设计十分吻合 , 长时间受 力加上徐变收缩的影响 , 预应力损失仍是可观的 。 2. 4 构件的疲劳损伤 由于桥梁所采用的材料实际上存在许多微小的缺陷 , 而 它所承受的车辆荷载和风荷载都是随机动荷载 , 会在结构内 产生循环变化的应力 。 在循环荷载作用下 , 这些微缺陷会逐 渐发展 、 合并 , 形成损伤 , 。 如果 宏观裂纹得不到有效控制 , 、 结构的脆性断 裂 。腐蚀环境下钢筋的 能的影响严重得多 , 这种锈蚀不仅削弱了钢筋的有效面积 , 更

14、严重的是钢筋锈蚀的不均匀性将导致钢筋应力的集中 。 这就需要知道不同环境和不同混凝土材料特性下钢筋疲劳 性能随时间变化的实验和实测数据 。疲劳损伤不仅指对整 个结构而言 , 事实上预应力桥梁结构常常由于某些关键部位 的局部疲劳失效而导致整个结构的失效 。例如斜拉桥拉索 锚固端的疲劳损害 。由于索塔受不对称力的反复作用使索 塔处于弯曲疲劳受力状态 , 故对索塔锚固区疲劳损伤的检测 和剩余寿命的预测是非常重要的 。3 影响桥梁耐久性的主要环节影响预应力桥梁结构耐久性的主要环节包括 :设计 、 施工 、 运营阶段对超载的管理及维护等因素 。 这与结构设计理 论水平 、 施工工艺及质量管理水平和运营阶

15、段管理 、 养护水 平密切相关 。 如国内外已经有多座桥梁因为拉索的耐久性 出现问题而不得不提前换索 。很多类似问题与没有进行合 理的耐久性设计有关 。 3. 1 设计中缺乏耐久性设计思想 结构设计人员一般只重视取用规范规定的安全系数或 可靠性指标来保证结构的安全性 , 这往往只满足于规范对结 构强度计算上的安全度需要 , 而忽视从结构体系 、 结构构造 、 结构材料 、 结构维护 、 结构耐久性方面的考虑 , 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 ; 有的混凝土强度及级配不合理 、 保护层 太薄 、 含筋率不足 、 构件截面过薄 。

16、 这些都削弱了结构耐久 性 。 不少桥梁虽然满足了设计规范的强度要求 , 但对上述问 题考虑不足 , 以致仅用几年耐久性就出问题 。 因此 , 桥梁设 计时要从构造 、 材料等角度 采取措施 , 充分考虑不同的环 境 、 使用条件及不同的设计对象对结构体系提出不同的布局 和构造等方面的要求 。 设计规范的更新难以满足新技术 、 新 材料快速发展的需要 , 故而合理可靠的结构设计除了满足规 范的要求外 , 还要求设计人员具有对结构细部受力特性的正 确认识 、 丰富的经验和准确的判断 。 3. 2 施工工艺和质量管理水平不高801 工程 结 构 © 1994-2009 China Aca

17、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 四川建筑 第 29卷 3期 2009. 06大量的在役桥梁在远没有达到预期使用寿命 , 就出现了 影响正常使用的病害劣化 , 有的甚至刚建成不久就出现严重 的耐久性不足问题 。 国内外多座桥梁的突然破坏与垮塌 , 已 使工程界对预应力桥梁耐久性问题倍加关注 。这些与预应 力桥梁施工质量不高有重要关系 , 典型问题有混凝土保护层 不足及构件开裂等 。造成这些事故的主要原因包括施工控 制不严 、 混凝土配合比不当及振捣不密实 、 缺乏养护 、 预应力 施加不合理等 。 这

18、些施工上所造成的内部缺陷虽然短期不 会对桥梁的正常使用产生明显的影响 , 但却会对结构的长期 耐久性产生非常 严重的危害 。因此 , 在桥梁建设中应严格 控制原材料质量和施工过程质量 。 3. 3 运营中缺乏科学管理及超载现象严重运营中桥梁超载是目前普遍存在的现象 。 产生的主要 原因是车辆载重的加大和交通量的增加及管理不严 会使桥梁疲劳应力幅度加大 、 损伤加剧 , 伤不能恢复 , 将使桥梁 , , 由于 、 刚度 下降 ; 下 , 本来不该开裂的结构产生裂缝或原较小的裂缝成为超出 规范允许的裂缝或产生较大的变形 , 甚至会出现一些超载引 发的结构破坏事故 。 因此需要对超载带来的后果进行分

19、析 , 并采取必要的处理措施 。4针对主要环节采取的对策及建议(1 加强预应力桥梁耐久性研究 。 预应力桥梁结构耐久性的研究 , 主要包括结构在使用过程中使用性能受到弱化的原因和其发生的机理 、 规律分析 , 寻求新的结构设计理念和 方法 。 除从材料和统计分析的角度进行外 , 如何从结构和设 计的角度使设计和施工人员易于操作 , 改善桥梁耐久性 , 努 力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展 。要立足国 内现状 、 吸收国外成果 。 例如欧洲国家非常重视对结构物进 行性能设计 P BD (Perf or mance Based Design , 是以耐久性为 核心的结构使用性能指标的综合考

20、虑 , 这一点是可借鉴的 。(2 建立耐久性设计思想 。预应力桥梁的线形不平顺 、接头跳车 、 结构开裂和过大的变形 , 使桥梁结构的耐久性变 差 。 这些问题的产生固然与施工质量较低有关 , 作为工程设 计人员也应建立耐久性设计思想 , 充分考虑到现阶段的施 工 、 管理水平和材料工艺水平 , 采用适当的设计方法来保证 桥梁使用性能 , 特别是要注意结构体系和材料选择的合理性 及结构细节处理与目前的施工工艺水平和质量管理水平的 协调性 。(3 不断提高施工管理水平和施工质量 。在施工时 , 要 做到工艺先进可行 、 工序严格控制 。 对于梁段新旧混凝土结 合面的凿毛 、 模板接缝 、 ; 对

21、锚具下 ; 、 操 , 要求 , 、 振捣 、 预应力 。4。 要解决桥梁耐久性问 , , 要充分考虑超载对于 预应力桥梁结构耐久性的影响 , 加强对车辆超载的管理 ; 定 期对桥梁进行检查 。 对桥面混凝土开裂较为严重 、 泄水管周 围浸水现象应引起桥梁养护者高度关注 , 重视对服役期桥梁 结构评估 , 及时进行必要的维修和加固 。只有这样 , 才能从 根本上提高桥梁使用性能和寿命 。参 考 文 献1 王钧利 , 马春燕 . 预应力混凝土箱梁桥裂缝分析与对策 J .工程力学 , 2002(增刊 .2 贺栓海 . 桥梁结构理论与计算方法 M.北京 :人民交通出版社 , 2003.3 刘荣桂 , 陆春华 , 雷丽恒 , 等 . 现代预应力结构耐久性模型研究J .工业建筑 , 2004, 34(4 :69-72.4 何世钦 , 贡金鑫 . 负载钢筋混凝土梁钢筋锈蚀及性能试验研究J .东南大学学报 (自然