桥梁安全耐久性和全寿命设计概况

桥梁安全耐久性和全寿命设计研究概况土木工程学院桥梁工程系赵人达博士教授博导1/8/20231引言

近年来，世界各国、特别是主要处于基础设施维护阶段的欧美等发达国家普遍发现，桥梁耐久性差、服务寿命短、全寿命经济性指标差等问题(与人们最初的设计和规划预期有很大差异)，已经严重影响了其正常服务功能的发挥，并且给养护、维修等后期运营管理工作带来难以承受的巨大经济和社会负担。1/8/20232引言

我国正处于桥梁等基础设施建设的高峰时期，大量的桥梁面临着如何保证其使用寿命及使用期间的安全、耐久及维护管理的经济性问题。许多服役桥梁也暴露出病害和缺陷，因此，关于桥梁安全耐久性和全寿命设计研究有十分重要的现实意义和深远的历史意义。1/8/20233引言

0.1关于耐久性的定义[1]

耐久性的定义直接关系到对耐久性研究范围及对象的界定，是需要首先明确的问题。由于耐久性的影响因素众多，加之人们对结构耐久性的认识多种多样，因此，很难给它一个公认准确的定义。在众多的定义中，以下几种说法较有代表性：1/8/20234引言

l)国内一般认为，结构耐久性是指结构在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力[金伟良等：《混凝土结构耐久性》，2002.09]。1/8/20235引言

2)国外对于耐久性的一个较好的定义是由Holland于1993年给出的，耐久性是指在正常维护条件下，经过一段时间，材料和结构的承载能力和使用性能没有大的变化的能力。亦即：耐久性是指构件和材料抵抗衰退和腐蚀的能力[M.J.Ryall，2002]。1/8/20236引言

3)我国建设部的《混凝土结构的耐久性及耐久性设计指南》中定义结构耐久性为：结构在规定期限内，在各种作用下维持其应用功能的能力。这里的作用主要指大气、化学侵蚀等导致材料性能退化的环境作用；功能则主要指与结构承载力极限状态有关的安全性(如足够的强度与稳定性)以及与结构使用极限状态有关的适用性(如有限的变形、裂缝宽度以及美观要求等)，即耐久性包括耐久的安全性与耐久的适用性。1/8/20237引言

4)欧洲Duracrete【2001】定义耐久性为：混凝土结构应以这样的方式设计、建造及运作(运营)，在可以预期的环境影响下，结构在一个明确的(或隐含的)时间段内，在不需要超出预期的维护和维修费用的情况下，能够保持其安全性、适用性及可接受的外观。1/8/20238引言

几种定义：侧重点不同，本质相近。有学者认为：既应该明确耐久性研究的主要对象，也应该明确耐久性与承载力及安全性的区别。原因在于：l)影响结构“安全、使用功能和外观”的因素很多，如果都将其看作耐久性的研究对象，将使得研究范围过于宽泛，缺乏可操作性；2)目前，不少研究和文献在一定程度上混淆了结构耐久性与承载力之间的区别，这两个概念、两种性能对于结构都至关重要，但耐久性主要表示结构保持其特定性能的能力，承载力是其中的一种性能。

1/8/20239引言表0.14种耐耐久性性定义义的比比较12/29/202210引言吴海军军认为为结构构耐久久性可可以从从两个个层次次界定定[1]：l)在在最普普遍的的意义义上，，为了了认识识其本本质，，结构构的耐耐久性性就是是指其其维持持初始始性能能(包包括安安全性性、适适用性性及美美观)的能能力；；2)从从专业业研究究及便便于量量化的的角度度，结结构的的耐久久性可可更具具体地地定义义为：：结构构在外外界环环境及及其他他因素素(设设计预预期的的正常常荷载载，对对于突突发性性灾害害事件件不应应多考考虑)共同同作用用下，，在同同样(或等等效)的建建设和和运营营维护护总成成本(寿命命周期期总成成本)下，，在设设计使使用寿寿命期期内，，保持持预期期的安安全性性、适适用性性的能能力。。即耐耐久性性的内内涵应应包括括耐久久的长长寿命命及经经济地地耐久久。12/29/202211引言该提法法的特特点：：l)耐久久性的的核心心是结结构的的寿命命问题题；2)避避免了了较模模糊的的因素素，例例如关关于正正常维维护条条件以以及正正常维维护费费用的的定义义；3)耐耐久性性的优优劣不不可避避免地地要涉涉及到到经济济性的的问题题，只只有以以考虑虑了建建设成成本、、维护护管理理成本本的桥桥梁全全寿命命经济济性最最优作作为控控制条条件才才可以以对耐耐久性性做出出全面面、公公正的的评价价。12/29/202212引言运用该该提法法可以以方便便地进进行耐耐久性性的比比较和和评价价，当当明确确了使使用条条件(外界界环境境及其其他因因素)和总总体成成本，，可以以通过过计算算其实实际使使用寿寿命来来评估估一个个具体体结构构的耐耐久性性能否否满足足使用用寿命命的要要求；；当明明确了了使用用条件件和使使用寿寿命后后，则则可以以通过过计算算总体体成本本来评评估不不同耐耐久性性设计计方案案的优优劣。。12/29/202213引言言此外外，，还还必必须须认认识识到到正正如如英英国国标标准准[BS7543，，1992]中指指出出的的那那样样：：“耐耐久久性性预预测测不不可可能能是是一一门门精精确确的的科科学学，，建建筑筑物物的的寿寿命命预预测测只只能能是是个个估估计计””。。该观观点点至至少少在在当当前前阶阶段段仍仍然然是是符符合合实实际际的的。。但但是是，，考考虑虑到到现现阶阶段段在在结结构构设设计计中中所所强强调调的的只只是是结结构构在在荷荷载载作作用用下下的的承承载载能能力力，，它它基基本本上上不不考考虑虑材材料料性性能能在在长长期期使使用用过过程程中中的的劣劣化化(除除疲疲劳劳荷荷载载作作用用外外)，，不不直直接接考考虑虑因因耐耐久久性性不不足足导导致致的的性性能能失失效效的的可可能能；；所所以以，，关关于于耐耐久久性性及及使使用用寿寿命命的的计计算算尽尽管管是是近近似似的的估估算算，，但但对对于于设设计计者者、、业业主主或或使使用用者者来来说说仍仍然然有有其其必必要要性性。。12/29/202214各类桥梁梁面临的的耐久性性问题1各类桥梁梁面临的的耐久性性问题经过近几几十年的的快速发发展，我我国桥梁梁的数量量已十分分庞大。。其中，，有不少少桥梁暴暴露出病病害，更更有一些些桥梁在在远没有有达到预预期使用用寿命时时，就出出现耐久久性能严严重退化化的现象象，甚至至出现倒倒塌等毁毁灭性事事故。使使用寿命命及耐久久性能的的提高将将是21世纪桥桥梁技术术进步的的重要标标志。12/29/202215各类桥梁面临临的耐久性问问题1.1混凝土土桥梁的耐久久性问题混凝土桥梁(主要指梁式式桥)的使用用历经整个20世纪，但但大规模发展展应用开始于于第二次世界界大战之后。。而发现混凝凝土结构的耐耐久性问题则则在战后的六六、七十年代代，一些发达达国家的混凝凝土桥梁在使使用了约三、、四十年后，，纷纷进入老老化期，引发发对原有混凝凝土桥梁的评评估。人们始始料不及的是是：混凝土材料在在环境及使用用条件下，出出现了一系列列影响结构耐耐久性的物理理、化学变化化，如结构混混凝土的碳化化、保护层剥剥落、裂缝的的发展、钢筋筋锈蚀、渗透透冻融破坏等等等。12/29/202216各类桥梁面临临的耐久性问问题在各类桥梁中中，混凝土桥桥梁的数量占占绝对多数，，1989年年欧洲混凝土土桥梁占桥梁梁总数的70%，我国混混凝土桥梁占占90%以上上【周履，1998】。近年来，国国内外关于混混凝土桥梁病病害和破坏事事故的报道屡屡见不鲜。此此外，尽管在在各类桥梁中中预应力混凝凝土桥梁的缺缺陷率最低，，而使用寿命命的期望值最最高【周履，2000】。12/29/202217但自70年年代以来，，国内外都都发现一些些预应力混混凝土桥梁梁发生损伤伤的情况，，不但影响响桥梁结构构的正常使使用，还危危及使用者者和结构的的安全。混混凝土桥梁梁的病害由由于其数量量大，涉及及地域广，，对交通的的安全畅通通影响严重重，修复费费用巨大，，成为世界界各国共同同关注的问问题。美国国联邦公路路局(FHWA)所所支持的一一项研究项项目曾对美美国既有桥桥梁(共有有约470000座)的缺缺陷情况进进行了调查查，缺陷比比例近1/3。各类桥梁面面临的耐久久性问题12/29/202218各类类桥桥梁梁面面临临的的耐耐久久性性问问题题表1.1美美国国不不同同材材料料桥桥梁梁结结构构缺缺陷陷分分布布情情况况12/29/202219各类类桥桥梁梁面面临临的的耐耐久久性性问问题题我国交通部2003年年年底的统计数数字显示，全全国共有公路路桥梁310773座座，计12466143延米，，按《公路桥桥梁养护技术术规范》归类类为危险等级级的桥梁为10443座，计378439延米[14]。此外，根据据目前工程实实践反馈的信信息，我国桥桥梁耐久性差差的情况十分分严峻。桥梁梁耐久性不足足给后期的维维护和管理造造成了沉重的的负担。12/29/202220各类桥梁面临临的耐久性问问题美国联邦公路路署在1989年提交美美国国会的一一份报告《国国家公路和桥桥梁现状》中中提到：“现现积压有待修修补的混凝土土桥梁的维修修费用为1550亿美美元”【洪乃丰，2002】。美国土木工工程学会在2001年指指出，美国在在随后的5年年需要花费1.3万亿美美元来解决当当时基础设施施中存在的缺缺陷。就桥梁梁而言，29%的桥梁被被界定为具有有功能性缺陷陷，将需要在在随后的10年中每年耗耗费106亿亿美元来解决决这一问题[贡金鑫，1999]。12/29/202221各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题1）立立柱钢钢筋锈锈蚀、、保护护层剥剥落2））主梁梁端部部受到到雨水水等有有害物物质侵侵蚀图1.1混混凝凝土桥桥梁立立柱和和主梁梁耐久久性退退化的的典型型例子子12/29/202222各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题在世界界范围围内，，钢筋筋腐蚀蚀对混混凝土土桥梁梁的破破坏和和影响响最为为突出出，特特别是是沿海海、跨跨海桥桥，采采用除除冰盐盐的公公路桥桥、城城市立立交桥桥以及及处于于盐碱碱地区区的桥桥梁，，其腐腐蚀破破坏是是相当当严重重的，，甚至至在几几年、、十几几年内内就不不得不不修复复或重重建，，远远远达不不到预预期使使用年年限的的要求求，已已经成成为世世界瞩瞩目的的大问问题。。我国国基础础设施施的腐腐蚀破破坏以以沿海海地区区较为为明显显，有有些码码头桥桥梁使使用3~10年年就要要修复复。而而北方方撒盐盐除冰冰的危危害也也己经经显露露出来来，如如北京京西直直门立立交桥桥，使使用19年年就因因严重重腐蚀蚀而报报废(己经经于1999年年另建建新桥桥)；；东直直门桥桥等数数座桥桥的““盐害害”也也很明明显和和严重重，不不得不不作修修复、、加固固处理理[王媛媛俐，，2001]。12/29/202223各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题1.2缆缆索承承重桥桥梁的的耐久久性问问题缆索(拉索索或吊吊杆)一般般布置置在梁梁体外外部，，且处处于高高应力力状态态，对对锈蚀蚀等外外界侵侵害比比较敏敏感，，主要要表现现在悬悬索桥桥钢索索的锈锈蚀和和斜拉拉桥拉拉索的的损坏坏。12/29/202224各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题大跨度度桥梁梁结构构中经经常使使用缆缆索承承重体体系来来跨越越江河河，主主要的的桥型型包括括各种种吊杆杆(系系杆)拱桥桥、斜斜拉桥桥和悬悬索桥桥等。。缆索索(拉拉索或或吊杆杆)一一般布布置在在梁体体外部部，且且处于于高应应力状状态，，对锈锈蚀等等外界界侵害害比较较敏感感；加加之当当时使使用的的缆索索防护护体系系不易易检查查，因因此，，缆索索和吊吊杆的的防护护与耐耐久性性极为为重要要，它它直接接关系系到桥桥梁的的使用用寿命命和使使用性性能，，是缆缆索承承重桥桥梁的的生命命线。。12/29/202225各类桥梁梁面临的的耐久性性问题自二战以以来，以以斜拉桥桥的复兴兴为标志志，世界界各地陆陆续修建建了大量量的大跨跨缆索承承重桥梁梁结构——悬索桥桥与斜拉拉桥。至至上世纪纪末，己己发现悬悬索桥在在使用十十年左右右后，钢钢索己出出现锈蚀蚀；斜拉拉桥的拉拉索损坏坏更严重重，国内内外不少少斜拉桥桥的拉索索甚至在在使用不不到十年年就损坏坏了。12/29/202226各类桥梁梁面临的的耐久性性问题例如，美美国在1903年建世世界上第第一座现现代化长长跨度悬悬索桥Williamsburg桥桥，由于于当时技技术原因因和造价价，没有有对钢丝丝进行镀镀锌处理理，而代代之以亚亚麻油和和石墨来来涂覆钢钢丝，建建成后仅仅7年就就发现钢钢丝锈蚀蚀断裂。。1922年将将缆索补补缠镀锌锌钢丝，，但是到到了1934年年，发现现主缆内内有水从从锚锭处处流出；；10年年后，从从塔顶向向缆索内内注入400加加仑的亚亚麻油，，1968年又又注入鱼鱼油和矿矿物酒清清。但是是所有这这些措施施都没有有能够阻阻止锈蚀蚀的发展展。1992年年，被迫迫进行为为期3年年的主缆缆维护工工作，耗耗资7300万万美元。。近年来来先后有有多座桥桥梁的拉拉索(或或吊杆)因为耐耐久性不不足而更更换（见见表1.2）[吴海军军，2003]。12/29/202227各类桥梁梁面临的的耐久性性问题表1.2部分分缆索承承重桥梁梁拉索或或吊杆更更换记录录12/29/202228各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题表1.2（（续））部部分缆缆索承承重桥桥梁拉拉索或或吊杆杆更换换记录录广西来来宾1980.11建成成,1981.09通车车12/29/202229各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题1.3拱拱桥的的耐久久性问问题拱桥在在我国国历史史久远远、源源远流流长，，一直直在我我国桥桥梁中中占有有非常常重要要的地地位。。我国国在上上世纪纪六七七十年年代修修建了了大量量的石石拱桥桥和混混凝土土拱桥桥，特特别是是众多多混凝凝土双双曲拱拱桥因因为严严重的的开裂裂问题题，而而不得得不加加固或或拆除除重建建。而而在上上世纪纪八九九十年年代修修建的的二十十余座座预应应力混混凝土土桁式式组合合拱桥桥，在在平均均使用用不到到15年的的时间间，因因为严严重的的病害害，已已经有有约1/4的桥桥梁被被炸掉掉或封封闭弃弃用，，另有有约1/4的桥桥梁被被严格格限载载，降降级使使用。。12/29/202230各类类桥桥梁梁面面临临的的耐耐久久性性问问题题1.4钢钢桥桥的的耐耐久久性性问问题题公路路钢钢桥桥运运营营期期间间的的损损伤伤形形式式主主要要有有：：钢钢材材腐腐蚀蚀与与劣劣化化、、活活载载引引发发的的破破损损、、疲疲劳劳和和失失稳稳等等。。钢钢桥桥大大国国日日本本对对1691座座钢钢桥桥重重建建与与改改建建原原因因的的调调查查结结果果表表明明：：道道路路线线形形改改变变、、道道路路等等级级的的提提高高、、河河道道改改修修和和交交通通量量增增加加桥桥宽宽太太窄窄等等桥桥梁梁使使用用功功能能性性问问题题占占总总数数的的约约60%，，这这从从一一个个侧侧面面反反映映了了影影响响桥桥梁梁使使用用寿寿命命的的因因素素的的多多样样性性。。12/29/202231各类桥桥梁面面临的的耐久久性问问题图1.2日日本本对69座座桥梁梁上部部结构构损伤伤形式式的调调查结结果12/29/202232各类桥梁梁面临的的耐久性性问题钢桥的腐腐蚀、劣劣化、疲疲劳损伤伤的影响响因素较较复杂，，主要因因素有：：1)材料料；2)结构构构造的的设计、、加工工工艺和施施工方法法；3)作用用荷载；；4)环境境；5)桥梁梁的运营营管理等等。12/29/202233各类桥梁梁面临的的耐久性性问题综上所述述，当我我们将精精力主要要放在高高速建设设新桥的的时候，，可能想想象不到到若干年年后我们们将不得得不为了了这些桥桥梁的维维修、加加固付出出难以想想象的沉沉重代价价。从桥桥梁整个个寿命周周期的综综合社会会效益和和经济效效益的角角度看，，以当前前的桥梁梁建设现现状，每每年新建建桥梁越越多，后后期因为为耐久性性不足导导致的维维护和加加固的负负担就越越重，总总体社会会和经济济效益就就越差。。这是必必须认真真研究解解决的问问题。12/29/202234桥梁结构常见见耐久性病害害现象2桥梁结构构常见耐久性性病害现象2.1桥面面铺装破坏在车辆(尤其其是超载、超超限车辆)的的长期作用下下，尚未达到到预期年限的的桥面板经常常出现凸凹不不平或网状开开裂等破坏现现象。桥面铺铺装的过早破破坏是世界范范围的难题，，特别是在气气候寒冷需要要采用除冰盐盐消除桥面积积雪的国家和和地区，因为为氯盐侵蚀和和冻融破坏的的共同作用，，桥面铺装寿寿命短、病害害严重的情况况非常普遍。。12/29/202235桥梁结构常见见耐久性病害害现象2桥梁结构构常见耐久性性病害现象2.1桥面面铺装破坏桥面铺装损坏坏的问题在我我国也非常严严重，不仅在在早期修建的的桥梁中大量量存在，而且且国内近期修修建的几座特特大型桥梁(如虎门大桥桥、厦门海沧沧大桥、江阴阴大桥等)在在运营几年后后就纷纷出现现桥面铺装损损坏的问题。。12/29/202236桥梁结结构常常见耐耐久性性病害害现象象2.2桥桥头跳跳车桥梁运运营一一段时时间后后，普普遍存存在台台后填填土下下沉的的现象象，使使桥头头跳车车成为为一种种常见见的病病害。。跳车车产生生的剧剧烈冲冲击和和振动动降低低了行行车的的舒适适性、、增加加了汽汽车的的故障障率，，车辆辆对桥桥台和和结构构产生生过大大的冲冲击力力，又又会使使跳车车现象象更加加严重重，并并影响响桥梁梁的耐耐久性性与使使用寿寿命。。12/29/202237桥梁结构常常见耐久性性病害现象象2.3混混凝土开裂裂在混凝土桥桥梁中，梁梁体开裂是是一种影响响耐久性的的较为普遍遍的现象。。混凝土裂裂缝按开裂裂部位可分分为：主梁梁顶、底板板开裂，腹腹板开裂，，齿板开裂裂，预应力力锚固区域域开裂等。。按成因可可分为结构构裂缝和非非结构裂缝缝。结构裂缝是是指混凝土土所受拉应应变超过极极限应变而而出现的开开裂现象，，它的宽度度可随着荷荷载的变化化而变化。。非结构裂缝缝一般是指指由于变形形受到约束束而出现的的开裂现象象。12/29/202238桥梁结构常常见耐久性性病害现象象混凝土结构构中非结构构裂缝产生生的主要原原因一般有有：l)构造造处理不当当造成的混混凝土裂缝缝；2)混凝凝土的干缩缩引起的裂裂缝；3)由于于碱—骨料料反应(AAR)引引起的裂缝缝；4)由于于外界温度度变化引起起的裂缝；；5)由于于钢筋锈蚀蚀引起的裂裂缝；6)由于于荷载作用用引起的裂裂缝；7)太阳阳辐射、混混凝土老化化、徐变及及疲劳作用用引起的裂裂缝。12/29/202239桥梁结构构常见耐耐久性病病害现象象由于其成成因不同同，对结结构的耐耐久性影影响也不不同。第第l)种种裂缝，，由于其其深度通通常较浅浅，对耐耐久性的的影响是是可以忽忽略的；；第3)种裂缝缝，在正正常结构构中是不不允许的的，属于于特殊问问题；第第5)种种裂缝的的出现往往往意味味着结构构混凝土土耐久性性失效；；第2)、4)、6)和7)类裂缝缝对结构构耐久性性的影响响一般容容易被忽忽视。混凝土裂裂缝对结结构耐久久性产生生影响主主要是因因为裂缝缝增大了了混凝土土的渗透透性，使使空气中中的有害害气体或或物质容容易渗入入混凝土土内，致致使钢筋筋钝化膜膜较早破破坏而产产生锈蚀蚀。12/29/202240桥梁结构常见见耐久性病害害现象2.4钢筋筋锈蚀受力钢筋的锈锈蚀将导致其其有效截面的的下降；锈蚀蚀后钢筋的体体积膨胀又会会导致混凝土土开裂或表面面混凝土成块块脱落，从而而削弱构件整整个截面的面面积；随着钢钢筋锈蚀程度度的增大，钢钢筋与混凝土土之间的粘结结力减小、共共同作用受到到损害，从而而引起构件承承载力下降。。混凝土开裂裂后又使原来来处于混凝土土保护层下的的钢筋暴露于于空气中，加加快了钢筋锈锈蚀的速度，，造成恶性循循环。引起钢钢筋锈蚀的两两个主要原因因是混凝土的的碳化及氯离离子的侵蚀。。12/29/202241桥梁结构常见见耐久性病害害现象(l)碳化[15]影响结构耐久久性的因素很很多，其中混混凝土碳化是是一个重要的的因素。通常常情况下，早早期混凝土具具有很高的碱碱性，其pH值一般大于于12.5，，在这样高的的碱性环境中中埋置的钢筋筋容易发生钝钝化作用，使使得钢筋表面面产生一层钝钝化膜，能够够阻止混凝土土中钢筋的锈锈蚀。但当有有二氧化碳和和水汽从混凝凝土表面通过过孔隙进入混混凝土内部时时，与混凝土土材料中的碱碱性物质中和和，会导致混混凝土的pH值降低。12/29/202242桥梁梁结结构构常常见见耐耐久久性性病病害害现现象象当混混凝凝土土完完全全碳碳化化后后，，就就出出现现pH9的的情情况况，，在在这这种种环环境境下下，，混混凝凝土土中中埋埋置置的的钢钢筋筋表表面面钝钝化化膜膜被被逐逐渐渐破破坏坏，，在在其其他他条条件件具具备备的的情情况况下下，，钢钢筋筋就就会会发发生生锈锈蚀蚀。。钢钢筋筋锈锈蚀蚀又又将将导导致致混混凝凝土土保保护护层层开开裂裂、、钢钢筋筋与与混混凝凝土土之之间间粘粘结结力力破破坏坏、、钢钢筋筋受受力力截截面面减减少少、、结结构构耐耐久久性性能能降降低低等等一一系系列列不不良良后后果果。。12/29/202243桥梁梁结结构构常常见见耐耐久久性性病病害害现现象象混凝凝土土的的碳碳化化机机理理：：混凝凝土土的的基基本本组组成成成成分分是是水水泥泥、、水水、、砂砂和和石石子子，，其其中中的的水水泥泥与与水水发发生生水水化化反反应应，，生生成成的的水水化化物物自自身身具具有有强强度度(称称为为水水泥泥石石)，，同同时时将将散散粒粒状状的的砂砂和和石石子子粘粘结结起起来来，，成成为为一一个个坚坚硬硬的的整整体体。。在在混混凝凝土土的的硬硬化化过过程程中中，，约约占占水水泥泥用用量量的的三三分分之之一一将将生生成成氢氢氧氧化化钙钙[Ca(OH)2]，，此此氢氢氧氧化化钙钙在在硬硬化化水水泥泥浆浆体体中中结结晶晶，，或或者者在在其其空空隙隙中中以以饱饱和和水水溶溶液液的的形形式式存存在在。。因因为为氢氢氧氧化化钙钙的的饱饱和和水水溶溶液液是是pH值值为为12.6的的碱碱性性物物质质，，所所以以新新鲜鲜的的混混凝凝土土呈呈碱碱性性。。12/29/202244桥梁结构构常见耐耐久性病病害现象象然而，大大气中的的二氧化化碳却时时刻在向向混凝土土的内部部扩散，，与混凝凝土中的的氢氧化化钙发生生作用，，生成碳碳酸盐物物质，从从而使水水泥石原原有的强强碱性降降低，pH值下下降到8.5左左右，这这种现象象就称为为混凝土土的碳化化（中性性化）。。这是混混凝土中中性化最最常见的的一种形形式。12/29/202245桥梁结构常见见耐久性病害害现象混凝土碳化的的主要化学反反应式为：CO2+H2O→H2CO3Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O12/29/202246桥梁结构常见见耐久性病害害现象影响混凝土碳碳化的因素：混凝土的碳化化是伴随着CO2气体向混凝土土内部扩散，，溶解于混凝凝土孔隙内的的水中，再与与各水化产物物发生碳化反反应这样一个个复杂的物理理化学过程。。研究表明，，混凝土的碳碳化速度取决决于CO2气体的扩散散速度及CO2与混凝土成成分的反应应性。而CO2气体的扩散散速度又受受混凝土本本身的组织织密实性、、CO2气体的浓度度、环境湿湿度、试件件的含水率率等因素的的影响。12/29/202247桥梁结构常常见耐久性性病害现象象所以碳化反反应受混凝凝土内孔溶溶液的组成成、水化产产物的形态态等因素的的影响。这这些影响因因素可归结结为与混凝凝土自身相相关的内部部因素和与与环境相关关的外界因因素。对于于服役结构构物来说，，由于其内内部因素已已经确定，，因此影响响其碳化速速度的主要要因素是外外部因素，，如CO2的浓度、环环境温度和和湿度。12/29/202248桥梁结构常见见耐久性病害害现象快速碳化试验验表明，CO2的浓度越高，，且压力越大大，碳化深度度越大，因为为高浓度，高高压力的CO2气体能较快地地向混凝土内内部扩散，使使碳化反应迅迅速进行。因因此，在城市市交通繁忙路路段处的结构构物或CO2浓度较高的工工业厂房往往往碳化现象较较严重。另外，碳化较较易发生在潮潮湿的环境中中，尤其是干干湿交替的环环境，因此南南方的建筑物物容易产生碳碳化现象，且且随着温度的的升高，混凝凝土的碳化加加速。12/29/202249桥梁结构常见见耐久性病害害现象(2)氯离子子的侵入混凝土中的高高碱性溶液对对钢筋起保护护作用，而氯氯离子会通过过扩散和毛细细作用进入混混凝土内，当当溶入混凝土土中的氯盐含含量达到混凝凝土重量的0.1%~0.2%时，，钢筋开始锈锈蚀；当氯盐盐含量超过1%后，钢筋筋的锈蚀面积积将急速增加加。12/29/202250桥梁梁结结构构常常见见耐耐久久性性病病害害现现象象氯离离子子导导致致钢钢筋筋腐腐蚀蚀需需要要有有以以下下条条件件：：l)钢钢筋筋表表面面钝钝化化膜膜被被破破坏坏；；2)有有充充足足的的氧氧的的供供应应；；3)有有适适宜宜的的湿湿度度。。大量量的的工工程程实实践践表表明明：：干干燥燥环环境境下下的的钢钢筋筋不不易易腐腐蚀蚀，，潮潮湿湿或或干干湿湿交交替替环环境境下下腐腐蚀蚀发发展展较较快快，，而而长长期期处处于于海海水水下下的的结结构构，，虽虽然然氯氯离离子子浓浓度度很很大大，，但但由由于于缺缺氧氧也也不不易易腐腐蚀蚀。。12/29/202251桥梁结构构常见耐耐久性病病害现象象2.5桥桥梁附附属设施施的病害害包括伸缩缩缝和支支座等的的病害。。(l)伸伸缩缝伸缩缝设设置在梁梁端相对对薄弱的的部位，，受桥面面温度变变化的影影响和车车辆荷载载的作用用频繁地地伸缩变变形，极极易损坏坏。伸缩缩缝损坏坏后，不不仅影响响行车的的舒适性性，而且且可能造造成水的的下渗，，进而导导致桥梁梁主体结结构和支支座的腐腐蚀及老老化。12/29/202252桥梁结结构常常见耐耐久性性病害害现象象(2)支座座活动支支座应应能保保证上上部主主梁结结构的的自由由变形形(转转动或或移动动等)。当当有异异物填填充，，或钢钢板支支座锈锈蚀、、螺母母松动动或螺螺栓脱脱落及及橡胶胶支座座出现现老化化时，，上部部主梁梁结构构可能能会丧丧失自自由伸伸缩的的能力力，导导致应应力重重新分分布，，可能能引起起开裂裂等病病害。。12/29/202253引起桥桥梁结结构耐耐久性性病害害的因因素及及分析析3引起桥桥梁结结构耐耐久性性病害害的因因素及及分析析3.1设设计方方面的的因素素[1]很多桥桥梁病病害与与施工工质量量低劣劣有关关，但但在承承认施施工存存在问问题的的同时时，也也不可可否认认，在在桥梁梁设计计中还还有许许多可可以改改进的的地方方。许许多设设计人人员往往往只只满足足于规规范对对结构构强度度计算算上的的安全全度需需要，，而忽忽视从从结构构体系系、结结构构构造、、材料料、结结构维维护以以及从从设计计、施施工到到使用用全过过程中中经常常出现现的人人为错错误等等方面面去加加强和和保证证结构构的安安全性性、耐耐久性性。设设计方方面的的问题题从大大的方方面可可以简简单地地归纳纳为：：12/29/202254引起桥梁结结构耐久性性病害的因因素及分析析(l)设计计标准低我国公路桥桥梁荷载标标准是经过过多次修改改逐步提高高的，随着着交通事业业的发展，，既有桥梁梁的荷载标标准不能满满足当前汽汽车荷载标标准的要求求，由此可可能导致桥桥梁耐久性性加速劣化化，这种情情况在世界界各国都普普遍存在。。此外，长长期以来，，由于经济济及社会条条件的限制制，我国规规范在桥梁梁性能及构构造细节设设计方面的的要求一直直较低，也也在客观上上影响了桥桥梁的耐久久性。12/29/202255引起起桥桥梁梁结结构构耐耐久久性性病病害害的的因因素素及及分分析析(2)结结构构与与构构造造细细节节不不合合理理在国国内内桥桥梁梁总总体体设设计计方方案案的的比比选选过过程程中中，，一一般般由由地地质质条条件件、、施施工工方方法法、、经经济济指指标标等等因因素素来来决决定定方方案案的的取取舍舍，，而而很很少少从从耐耐久久性性的的角角度度来来进进行行分分析析和和评评价价。。例如如采采用用预预应应力力结结构构或或钢钢筋筋混混凝凝土土结结构构，，简简支支或或连连续续，，T型型梁梁或或箱箱梁梁以以及及跨跨径径比比例例、、断断面面尺尺寸寸的的拟拟定定等等众众多多结结构构与与构构造造问问题题，，不不但但影影响响经经济济性性，，对对桥桥梁梁的的耐耐久久性性能能也也有有很很大大影影响响；；评评价价指指标标的的缺缺失失，，可可能能导导致致中中选选方方案案的的结结构构耐耐久久性性能能不不足足，，为为运运营营后后桥桥梁梁出出现现病病害害埋埋下下了了病病根根。。有有的的结结构构整整体体性性和和延延性性不不足足，，冗冗余余性性小小；；有有的的计计算算图图式式和和受受力力路路径径不不明明确确，，造造成成局局部部受受力力过过大大；；有有的的混混凝凝土土强强度度等等级级过过低低、、保保护护层层厚厚度度过过小小、、钢钢筋筋直直径径过过细细、、构构件件截截面面过过薄薄；；这这些些都都会会削削弱弱结结构构耐耐久久性性，，增增加加桥桥梁梁的的病病害害。。12/29/202256引起桥梁结构构耐久性病害害的因素及分分析吴海军总结的的混凝土桥梁梁耐久性设计计原则与构造造措施[10]：1)力线平滑滑、应力均匀匀流畅的原则则；2)结构应保保证整体性、、连续性和冗冗余性；3)结构应具具有可检性、、可修性和可可替换性；4)结构应具具有良好的防防水能力；5)结构设计计应保证可施施工性。12/29/202257引起桥桥梁结结构耐耐久性性病害害的因因素及及分析析(3)计算算的因因素l)在在桥梁梁设计计和计计算过过程中中，未未充分分考虑虑混凝凝土徐徐变、、收缩缩及温温度应应力等等非荷荷载因因素的的影响响；2)在在进行行结构构有限限元分分析时时，过过度强强调局局部性性单元元划分分的精精细化化，对对结构构边界界约束束、衔衔接条条件和和传力力路径径等全全局性性问题题认识识不够够；3)就就施工工方法法、施施工顺顺序和和施工工荷载载对结结构成成桥性性能的的影响响重视视不够够；4)在在构件件的特特殊部部位，，如构构件的的角隅隅处、、预应应力钢钢筋的的锚固固处，，在局局部应应力传传递与与分布布的影影响下下，会会出现现应力力突变变，由由于计计算手手段和和理论论的局局限，，往往往出现现构造造配筋筋布置置不足足或不不当的的问题题。12/29/202258引起起桥桥梁梁结结构构耐耐久久性性病病害害的的因因素素及及分分析析3.2施施工工和和管管理理的的因因素素[1](l)施施工工质质量量低低大量量的的桥桥梁梁在在远远没没有有达达到到预预期期使使用用寿寿命命时时，，出出现现了了影影响响正正常常使使用用的的病病害害与与劣劣化化。。特特别别是是一一些些桥桥梁梁在在只只使使用用了了几几年年、、甚甚至至刚刚建建成成不不久久就就出出现现严严重重的的耐耐久久性性不不足足的的问问题题，，这这与与施施工工质质量量低低下下有有重重要要关关系系，，典典型型的的问问题题有有钢钢筋筋保保护护层层不不足足及及目目前前广广泛泛存存在在于于施施工工现现场场的的严严重重的的构构件件开开裂裂问问题题。。这这些些施施工工上上的的缺缺陷陷虽虽然然短短期期不不会会对对桥桥梁梁的的正正常常使使用用产产生生明明显显的的影影响响，，但但却却会会对对结结构构的的长长期期耐耐久久性性产产生生非非常常不不利利的的危危害害。。12/29/202259引起桥梁结构构耐久性病害害的因素及分分析主要问题有：：l)材料质量量控制的问题题；2)预应力力材料防护护问题；3)压浆不不及时或操操作不合理理；4)张拉力力不足，张张拉程序不不合理；5)锚头防防护不够；；6)施工缝缝处理不当当等。12/29/202260引起桥梁结结构耐久性性病害的因因素及分析析(2)管理理制度欠完完善l)只注重重建设初期期的成本，，而忽视桥桥梁从规划划、建设到到运营、破破坏整个寿寿命周期的的总体成本本。国内桥桥梁工程招招投标中经经常是报价价越低，得得分越高，，中标的希希望越大。。2)对工期期的不合理理要求。3)工程移移交方式不不够合理。。12/29/202261引起起桥桥梁梁结结构构耐耐久久性性病病害害的的因因素素及及分分析析3.3使使用用的的因因素素(l)汽汽车车超超载载运运行行[1]汽车车超超载载主主要要有有三三种种情情况况：：其其一一是是早早期期修修建建的的老老桥桥超超龄龄负负载载运运营营；；其其二二是是桥桥梁梁通通行行的的车车流流量量超超过过原原设设计计预预期期；；其其三三是是车车辆辆违违规规超超载载。。前前两两种种产产生生的的原原因因主主要要是是设设计计荷荷载载的的变变化化和和交交通通量量的的增增加加所所导导致致；；后后者者是是车车辆辆使使用用者者违违法法超超载载营营运运，，后后两两种种超超载载现现象象在在我我国国公公路路交交通通运运输输中中较较为为普普遍遍。。12/29/202262引起起桥桥梁梁结结构构耐耐久久性性病病害害的的因因素素及及分分析析一方方面面，，桥桥梁梁的的超超载载使使用用可可能能引引发发疲疲劳劳问问题题。。超超载载会会使使桥桥梁梁疲疲劳劳应应力力幅幅度度加加大大、、损损伤伤加加剧剧，，甚甚至至会会出出现现一一些些由由超超载载引引发发的的结结构构破破坏坏事事故故。。另另一一方方面面，，由由于于超超载载造造成成的的桥桥梁梁内内部部损损伤伤不不能能恢恢复复，，将将使使桥桥梁梁在在此此后后正正常常荷荷载载下下的的工工作作状状态态发发生生变变化化，，从从而而可可能能危危害害桥桥梁梁的的安安全全性性和和耐耐久久性性。。12/29/202263引起桥梁结结构耐久性性病害的因因素及分析析例如，预应应力混凝土土桥梁一直直被认为具具有足够的的耐久性，，但在汽车车超载作用用下，可能能发生开裂裂；裂缝即即使在荷载载卸除后能能够闭合，，但由于结结构内部已已经受到损损伤，构件件的开裂弯弯矩降低、、刚度下降降；于是在在正常使用用荷载作用用下，本来来不该开裂裂的结构产产生裂缝或或本来较小小的裂缝成成为超出规规范允许的的裂缝或产产生较大的的变形[吴海军，，2002]。这些都会会对结构长长期的使用用性能和耐耐久性产生生不利的影影响。因此此，除了交交管部门要要加强管理理外，也需需要对超载载带来的后后果进行研研究、分析析。12/29/202264引起桥梁结结构耐久性性病害的因因素及分析析(2)其他他因素其他对桥梁梁造成的危危害的因素素包括风雨雨侵袭及自自然环境作作用、受到到意外强烈烈冲击、温温度的变化化导致的内内力及应力力重分布、、地震、洪洪水等自然然灾害等；；又如桥上上车辆拥堵堵使得拥堵堵车辆荷载载效应大于于设计车辆辆活载效应应，从而影影响桥梁的的安全性和和耐久性[2]；北方城市市桥梁除冰冰盐对桥梁梁耐久性产产生不利影影响[3]。桥梁的耐久久性病害和和原因并不不完全是一一一对应的的，往往一一个因素是是诱发病害害的主要起起因，其他他因素则加加速或促进进病害的发发展。12/29/202265提高结构构耐久性性的措施施4提高高结构耐耐久性的的措施[4]4.1提提高设设计质量量设计规范范明确规规定进行行耐久性性设计。。贯彻全全寿命设设计思想想。4.2建建立桥桥梁工程程耐久性性评估体体系桥梁工程程使用年年限较长长，耐久久性的好好坏难以以在短期期内鉴定定，并且且难以以以单一的的、精确确的指标标鉴定。。12/29/202266提高结构构耐久性性的措施施4.3建建立桥桥梁资料料库并将将桥梁的的监测与与维护制制度化要确保结结构的正正常使用用，及时时发现安安全隐患患，必须须建立定定期监测测的制度度，及时时发现问问题，以以便及时时维修与与加固。。4.4进进一步步加强提提高耐久久性方面面的技术术研究并并积极借借鉴国外外的经验验和成果果一方面是是材料的的研究，，另一一方面是是关于设设计理念念的研究究。[4]4.5从从材料料方面提提高[12]控制材料料品质、、使用高高性能材材料、不不锈钢材材料、防防护涂层层材料、、环氧树树脂包裹裹材料等等。12/29/202267耐久性设计方方法5耐久性设计方方法总体说来桥梁梁结构耐久性性设计分为耐耐久性材料设设计、耐久性性计算和验算算、结构外观观和构造措施施三个部分：：1、耐久性材材料设计就是是基于材料耐耐久性退化机机理，对桥梁梁建设中采用用的材料提出出质量和施工工要求，比如如高强混凝土土、防渗混凝凝土、混凝土土外加剂、防防锈钢筋的设设计和混合料料的品质要求求等。12/29/202268耐久久性性设设计计方方法法2、、耐耐久久性性设设计计和和验验算算就就是是在在现现行行规规范范的的设设计计计计算算和和验验算算中中考考虑虑耐耐久久性性影影响响系系数数ηη，，ηη表表征征结结构构抗抗力力随随时时间间衰衰减减变变化化的的规规律律，，是是时时间间的的函函数数。。利利用用它它在在桥桥梁梁设设计计基基准准期期内内预预测测结结构构承承载载能能力力的的变变化化规规律律，，进进而而对对桥桥梁梁整整个个寿寿命命期期的的““健健康康状状况况””做做到到适适时时控控制制。。12/29/202269耐久性性设计计方法法计算公公式例例子12/29/202270耐久性性设计计方法法计算公公式例例子12/29/202271耐久性设计计方法3、桥梁外外观和构造造措施是指指桥梁设计计要注意桥桥梁结构与与自然地理理环境条件件相和谐、、结构内部部避免出现现不利于桥桥梁耐久性性的构造。。外观包括：：对于各种种地形条件件桥梁跨径径的布置和和结构形式式的选择，，人的生产产生活与桥桥梁的相互互影响，以以及远期各各种环境条条件的变化化与桥梁的的相互影响响等等；构造措施包包括：桥梁梁结构构造造应避免计计算出现不不利于耐久久的内力、、变形，在在荷载作用用下传力路路径简洁明明确、均匀匀平滑，杜杜绝应力应应变集中和和突变、局局部集中裂裂缝等。[11]12/29/202272耐久性设计计方法12/29/202273耐久性设设计方法法5.1全全面的耐耐久性设设计方法法[1]5.1.1基基于使用用寿命及及材料性性能退化化的耐久久性设计计方法基于使用用寿命及及材料性性能退化化的理论论计算方方法是目目前唯一一能够实实现的定定量的耐耐久性设设计方法法，通过过调整保保护层厚厚度、钢钢筋数量量、混凝凝土强度度等耐久久性设计计参数可可以使桥桥梁结构构的耐久久性寿命命满足设设计要求求。对于于混凝土土桥梁可可以采用用的耐久久性措施施包括：：采用耐耐久性能能优良的的原材料料，如水水泥、砂砂及碎石石；采用用抗腐蚀蚀和抗锈锈蚀性能能良好的的钢材，，如采用用不锈钢钢筋、环环氧涂层层钢筋或或采用FRP筋筋等新型型复合材材料；优优化混凝凝土的配配合比，，减小水水灰比、、减少孔孔隙率，，提高混混凝土的的密实性性，增强强混凝土土抵抗外外界有害害物质侵侵蚀的能能力。12/29/202274耐久性设设计方法法5.1.2基基于桥梁梁结构构构造与细细节的耐耐久性设设计方法法除了满足足基于使使用寿命命的设计计计算和和规范建建议的措措施外，，在结构构构造上上需要满满足：结结构体系系设计应应简洁、、结构型型式应统统一谐调调，结构构应具有有良好的的整体性性、强健健性和冗冗余性，，结构力力线的传传递要均均匀，应应充分做做好结构构的防水水问题，，构造细细节应充充分考虑虑到后期期检查、、维护和和更换的的需要。。这是保保证寿命命期良好好耐久性性的必要要前提，，也是桥桥梁全寿寿命经济济性的可可靠保证证。12/29/202275耐久性设计方方法具体地，在设设计阶段可从从下面几个方方面具体衡量量桥梁构造的的耐久性能的的优劣：l)在荷载作作用下，结构构应传力明确确、传力路径径较短；2)力线平滑滑、应力均匀匀流畅；3)结构的整整体性、连续续性和冗余性性；4)结构应具具有可检性、、可修性和可可替换性；5)结构应具具有良好的防防水能力；6)结构设计计应保证可施施工性，从而而易于保证施施工质量。12/29/202276耐久久性性设设计计方方法法5.1.3确保保耐耐久久性性的的施施工工质质量量控控制制要要求求施工工是是实实现现设设计计目目标标的的关关键键步步骤骤，，良良好好的的施施工工质质量量是是保保证证桥桥梁梁结结构构耐耐久久性性的的关关键键因因素素。。以以耐耐久久性性能能为为目目标标的的施施工工质质量量要要求求肯肯定定不不同同于于目目前前以以承承载载能能力力为为目目标标的的控控制制要要求求，，因因此此，，确确定定施施工工质质量量控控制制标标准准也也是是耐耐久久性性设设计计的的重重要要环环节节。。12/29/202277耐久久性性设设计计方方法法5.1.4基于于耐耐久久性性及及经经济济性性的的桥桥梁梁维维护护、、管管理理策策略略结构构的的维维修修、、加加固固时时机机和和方方案案不不但但影影响响桥桥梁梁的的耐耐久久性性和和安安全全性性，，还还将将直直接接影影响响全全寿寿命命的的经经济济性性，，因因此此维维修修决决策策将将不不能能简简单单地地依依靠靠经经验验来来确确定定，，必必须须根根据据各各种种方方案案的的不不同同效效果果（（性性能能与与耐耐久久性性））、、经经济济性性（（加加固固的的直直接接成成本本与与交交通通扰扰动动等等的的间间接接成成本本之之和和））来来进进行行优优化化，，从从中中选选择择最最优优的的时时机机和和方方案案。。因因此此，，基基于于耐耐久久性性和和经经济济性性的的桥桥梁梁维维护护、、管管理理策策略略与与方方案案也也是是需需要要在在耐耐久久性性设设计计阶阶段段考考虑虑和和明明确确的的重重要要内内容容。。12/29/202278耐久性设设计方法法桥梁维护护、管理理对结构构性能影影响的图图示12/29/202279耐久性设设计方法法5.1.5基于全寿寿命成本本分析耐耐久性设设计评估估与优化化基于全寿寿命成本