桥梁病害诊断

1、桥梁结构病害分析讲授教师：章韵讲授教师：章韵 提高桥梁改造加固设计质量，是确保提高桥梁改造加固设计质量，是确保加固工程质量的前提和基础。桥梁改造加加固工程质量的前提和基础。桥梁改造加固设计是比新建桥梁设计复杂得多的系统固设计是比新建桥梁设计复杂得多的系统工程。我国目前的状况是工程。我国目前的状况是“有实力的大设有实力的大设计院无暇顾及，不愿意干，技术力量较差计院无暇顾及，不愿意干，技术力量较差的小型设计单位又干不了的小型设计单位又干不了”，桥梁改造加，桥梁改造加固设计基本上由科研单位、高等院校和各固设计基本上由科研单位、高等院校和各类专业公司来承担。类专业公司来承担。从技术角度分析，目前我国桥

2、梁改造加从技术角度分析，目前我国桥梁改造加固设计存在的主要问题是：固设计存在的主要问题是： （1 1）基层养护管理和设计部门，桥梁病害）基层养护管理和设计部门，桥梁病害诊断技术力量薄弱，桥梁检测手段落后。桥诊断技术力量薄弱，桥梁检测手段落后。桥梁病害诊断是进行桥梁加固设计的前提和基梁病害诊断是进行桥梁加固设计的前提和基础，只有诊断清楚，才能对症下药。桥梁检础，只有诊断清楚，才能对症下药。桥梁检测是桥梁病害诊断与分析的重要手段，检测测是桥梁病害诊断与分析的重要手段，检测应重在分析，并应与桥梁加固设计相结合。应重在分析，并应与桥梁加固设计相结合。 （2 2）考虑结构损伤影响的承载力评估方法）考虑结

3、构损伤影响的承载力评估方法还不够完善。还不够完善。 （3 3）桥梁改造加固总体设计方案的设计思）桥梁改造加固总体设计方案的设计思路不够开阔，应用技术单一，设计深度不够。路不够开阔，应用技术单一，设计深度不够。 （4 4）个别桥梁加固设计生搬硬套国外或）个别桥梁加固设计生搬硬套国外或国内其他行业的设计方法，忽略了桥梁带国内其他行业的设计方法，忽略了桥梁带载加固分阶段受力的特点。有些加固设计载加固分阶段受力的特点。有些加固设计只做宏观的定性分析，缺少科学地定量分只做宏观的定性分析，缺少科学地定量分析计算，设计带有很大的随意性。析计算，设计带有很大的随意性。 针对我国目前桥梁改造加固加固市场的针对我

4、国目前桥梁改造加固加固市场的混乱局面，加强桥梁养护、管理及设计与混乱局面，加强桥梁养护、管理及设计与施工技术队伍建设是整顿桥梁加固市场的施工技术队伍建设是整顿桥梁加固市场的重要内容之一。重要内容之一。 第一章 桥梁病害诊断 第二章 混凝土结构承载能力及耐久性评估 第三章 桥梁改造加固方案设计 第四章 桥梁加固薄弱受弯构件设计计算讲授提纲讲授提纲 第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-1 1-1 环境因素引起的混凝土结构环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏损伤或破坏1-2 1-2 混凝土结构的裂缝分析混凝土结构的裂缝分析基本内容基本内容 混凝土结构的病害表现形式多种多混凝土结构的病害表现形式多

5、种多样，引起病害的原因错综复杂，从引起样，引起病害的原因错综复杂，从引起病害的原因来分析，可以将其划分为两病害的原因来分析，可以将其划分为两大类：大类： 第一类为由第一类为由环境作用环境作用引起的混凝土引起的混凝土结构损伤与破坏。由于混凝土的缺陷结构损伤与破坏。由于混凝土的缺陷（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），（例如裂隙、孔道、汽泡、孔穴等），环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部，与混凝土中某些成份发生化凝土内部，与混凝土中某些成份发生化学、物理反应，引起混凝土损伤，影响学、物理反应，引起混凝土损伤，影响结构的受力性能和耐久性。结构的受力性能和耐久性。

6、第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断 表层病害表层病害：蜂窝、麻面、露筋、空洞、层：蜂窝、麻面、露筋、空洞、层隙、磨损、表面腐蚀、老化、剥落、表面隙、磨损、表面腐蚀、老化、剥落、表面裂缝、掉角、模板走样、接缝不平、构件裂缝、掉角、模板走样、接缝不平、构件变形变形 第二类为由第二类为由荷载作用或设计、施工不荷载作用或设计、施工不当当造成的混凝土结构损伤。例如，由于超造成的混凝土结构损伤。例如，由于超载作用引起的裂缝，动力冲击作用引起疲载作用引起的裂缝，动力冲击作用引起疲劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结劳破坏。构造措施和施工方法不当引起结构裂缝等。构裂缝等。1-1 环境因素引起的混凝土环境因

7、素引起的混凝土结构损伤或破坏结构损伤或破坏1 1、混凝土的碳化、混凝土的碳化 混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了起到了“钝化钝化”保护作用。保护作用。碳化的实质碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介低，钝化膜破坏，在水

8、分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏损伤或破坏2 2、氯离子的侵蚀、氯离子的侵蚀 氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道氯离子的主要来源，北方寒冷地区冬季道路路 、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀

9、，对结构的危害是多方面的，于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，但最终表现为钢筋的锈蚀。但最终表现为钢筋的锈蚀。1-1 环境因素引起的混凝土环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏结构损伤或破坏3 3、碱、碱骨料反应骨料反应 碱碱骨料反应骨料反应一般指水泥中的碱和一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱骨料中的活性硅发生反应，生成碱硅硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。混凝土开裂。 碱碱骨料反应引起的混凝土结构破骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱后果更为严重。碱骨料反应一旦

10、发生，骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的反应是混凝土结构的“癌症癌症”。 第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏结构损伤或破坏碱碱骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要要区别区别是：是：碱碱骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝的两个边缘出现不平状态（错台）；是碱的两个边缘出现不平状态（错台）；是碱骨料反应裂缝的特有现象；骨料反应裂缝的特有现象；碱

11、碱骨料反应与环境湿度有关，在同一工骨料反应与环境湿度有关，在同一工程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安然无恙，是碱然无恙，是碱骨料反应裂缝区别与其他骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一。原因裂缝的外观特征差别之一。第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏损伤或破坏 从裂缝出现的时间来判断，碱从裂缝出现的时间来判断，碱骨料反骨料反应裂缝出现的时间较晚，多在施工后应裂缝出现的时间较晚，多在施工后5 51010年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间年内出现，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一

12、般在施工后若干天内出现。较早，一般在施工后若干天内出现。1-1 环境因素引起的混凝土结构环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏损伤或破坏4 4、冻融循环破坏、冻融循环破坏 渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，融循环后，损伤积累将使混凝土剥落酥裂，强度降低。冻融循环破坏的混凝土剥落，强度降低。冻融循环破坏的混凝土剥落，开始时在混凝土表面出现粒径为开始时在混凝土表面出现粒径为2-3mm2-3mm的小的小片剥落，随着使用年限的增加，剥落量及片剥落，随着使用年限的增

13、加，剥落量及剥落块直径增大，剥落由表及里，发展速剥落块直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。度很快。1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻北方地区采用撒盐除冰，由于盐类与冻融循环的共同作用引起的融循环的共同作用引起的盐冻破坏盐冻破坏是冻融是冻融循环破坏的一种特殊形式。盐冻破坏是静循环破坏的一种特殊形式。盐冻破坏是静水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用水压及盐溶液的渗透压和结晶压共同作用的结果，因此，盐冻破坏要比单纯的冻融的结果，因此，盐冻破坏要比单纯的冻融破坏严酷得多。破坏严酷得多。 盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特盐冻破坏区别于其他破坏形式的主要特征

14、是：征是： 第一章 桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏结构损伤或破坏 表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层表面分层剥落，骨料暴露，但剥落层下面的混凝土完好；下面的混凝土完好； 破坏速度快，对未采用防盐冻措施而破坏速度快，对未采用防盐冻措施而使除冰盐者，少则一冬，多则几冬，即使除冰盐者，少则一冬，多则几冬，即可产生严重盐冻破坏；可产生严重盐冻破坏； 在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见在没有干扰的剥蚀表面或裂缝中可见到白色盐结晶体；到白色盐结晶体；第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏损伤或破坏5

15、5、钢筋锈蚀、钢筋锈蚀 混凝土中钢筋腐蚀的混凝土中钢筋腐蚀的首要条件首要条件是钝化膜坏，混是钝化膜坏，混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，就可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，就可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使凝土之间的粘结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系结构构件的承载力降低，变形和裂

16、缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。化，最终可能导致结构的完全破坏。1-1 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏 值得注意值得注意的是，上述所有侵蚀混凝的是，上述所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另土和钢筋的作用都需要有水作介质。另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，最终导致混凝土的开裂有关。而膨胀，最终导致混凝土的开裂有关。而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度

17、将大大加快。形成导致混凝土结构的耐久性大加快。形成导致混凝土结构的耐久性进一步退化的恶化循环。进一步退化的恶化循环。第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-1 环境因素引起的混凝土结构环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏损伤或破坏因此，对新建结构而言，提高混凝土因此，对新建结构而言，提高混凝土结构耐久性的结构耐久性的基本途径基本途径是增强混凝土的密是增强混凝土的密实度，防止和控制混凝土开裂，阻止水分实度，防止和控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。对于在役结构

18、而言，提高混凝土结破坏。对于在役结构而言，提高混凝土结构耐久性的构耐久性的基本思路基本思路是在清除病害根源的是在清除病害根源的基础上，封堵裂缝，修补破损混凝土；增基础上，封堵裂缝，修补破损混凝土；增设防水层，防止水分的侵入。设防水层，防止水分的侵入。1-2混凝土结构的裂缝分析 实践表明，混凝土结构的任何损伤实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。所以，雨表。所以，对混凝土结构的损伤检测，对混凝土结构的损伤检测，首先应从对结构的裂缝调查、检测与分首先应从对结构的裂缝

19、调查、检测与分析入手析入手。 混凝土结构的裂缝是由材料内部的初混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多，但可归纳为裂缝的原因很多，但可归纳为两大类两大类： 第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析 第一类：由外荷载引起的裂缝，称为第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。他严重问题。

20、1-2混凝土结构的裂缝分析122图图1-1 1-1 钢筋混凝土梁结构裂缝钢筋混凝土梁结构裂缝1-2混凝土结构的裂缝分析 第二类：由变形引起的裂缝，称为第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝非结构性裂缝，如混凝土收缩、温度变，如混凝土收缩、温度变化等因素引起的结构变形受到限制时，化等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生拉应力，当此应力在结构内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，拉应力也就消失了。到释放，拉应力也就消失了。 第一章第一章 桥梁病害诊断

21、桥梁病害诊断 混凝土的非结构性裂缝根据其形成混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为：的时间可分为：混凝土硬化前裂缝混凝土硬化前裂缝硬化过程裂缝硬化过程裂缝完全硬化后裂缝完全硬化后裂缝 第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析（1 1）收缩裂缝）收缩裂缝 在混凝土凝固过程中，由于多余水分在混凝土凝固过程中，由于多余水分蒸发，引起的混凝土体积缩小称为干缩。蒸发，引起的混凝土体积缩小称为干缩。同时，水泥与水起水化作用逐渐硬化而形同时，水泥与水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，引起的混凝土体成的水泥骨架不断紧密，引起的

22、混凝土体积缩小称为凝缩。当混凝土成形后，表面积缩小称为凝缩。当混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面内外温度不等，内外收缩量步发展，截面内外温度不等，内外收缩量不一样。混凝土表面收缩变形受到混凝土不一样。混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。中产生拉应力，引起混凝土开裂。1-2混凝土结构的裂缝分析（2 2）温度裂缝）温度裂缝 钢筋混凝土结构随着温度变化将产生钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，热胀冷缩变形，

23、这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。起混凝土裂缝，这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型：力不同，温度裂缝可分为三种类型： 截面均匀温差裂缝截面均匀温差裂缝一般桥梁结构为杆件体系长细结构，一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，的作用，可忽略横截面两

24、个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。产生拉应力，出现裂缝。第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析 截面上、下温差裂缝截面上、下温差裂缝 以桥梁结构中大量采用的箱形梁为以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。将三维

25、一致的，沿水平横向没有温差。将三维热传导问题简化为沿梁的竖向温度梯度热传导问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、来确定，一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。温差呈线性变化。 第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析在这种温差作用下，梁不但有轴向变在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产

26、生的应力达度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。裂缝。截面内外温差裂缝截面内外温差裂缝 水泥在水化过程产生一定的水化热，水泥在水化过程产生一定的水化热，其大部分热量是在混凝土浇筑后其大部分热量是在混凝土浇筑后3 3天以内天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸非线性温度差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降温过快，气养护时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会使截面内部产生非线性温度差。使截面内部产生非线性温度差。第一章第一章 桥梁病害诊断桥梁病害诊断1-2混凝土结构的裂缝分析混凝土结构的裂缝分析1-2混凝土结构的裂缝分析在这种截面内外温差作用下，结构将在这种截面内外温差作用下，结构将产生弯曲变形，截面纵向纤维因温差的伸产生弯曲变形，截面纵向纤