桥梁安全耐久性和全寿命设计研究概况

1、2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU1桥梁安全耐久性和全寿命设计研究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土木工程学院桥梁工程系赵人达赵人达 博士博士 教授教授 博导博导2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU2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。2021-11

2、-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU3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。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU4引言 0.1 关于耐久性的定义关于耐久性的定义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

3、众多的定义中，以下几种说法较有代表性：2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU5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，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持其安全、使用功能和外观要求的能力能力金伟良等：混凝土结构耐久性，2002.09。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU6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，经在正常维护条件下，经过

4、一段时间，材料和结构的承载能过一段时间，材料和结构的承载能力和使用性能没有大的变化的能力。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。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU7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：结构结构在规定期限内，在各种作用下维持其应用功在规定期限内，在各种作用下维持其应用功能的能力。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

5、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。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU8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、建造混凝土结构应以这样的方式设计、建造及运作及运作( (运营运营) )，在可以预期的环境影响，在可以预期的环境影响下，结构在一个明确的下，结构在一个明确的( (或隐含的或隐含的) )时间时间段内，在不需要超出预期的维护和维修段内，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、适费用的情况下，能够保持其安全性、适用性及

6、可接受的外观。用性及可接受的外观。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU9引言 几种定义：侧重点不同，本质相近。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。象，也应该明确耐久性与承载力及安全性的区别。 原因在于：原因在于：l) l)影响结构影响结构“安全、使用功能和外安全、使用功能和外观观”的因素很多，如果都将其看作耐久性的研究对的因素很多，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；象，将使得研究范围过于宽泛，缺乏可

7、操作性；2) 2)目前，不少研究和文献在一定程度上混淆了结构耐目前，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。其特定性能的能力，承载力是其中的一种性能。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU10引言表表0.1 4种耐久性定义的比较种耐久性定义的比较 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU11引言 吴海军认为

8、结构耐久性可以从两个层次界定吴海军认为结构耐久性可以从两个层次界定1： l) l)在最普遍的意义上，为了认识其本质，结构在最普遍的意义上，为了认识其本质，结构的耐久性就是指其维持初始性能的耐久性就是指其维持初始性能( (包括安全性、适用包括安全性、适用性及美观性及美观) )的能力；的能力； 2) 2)从专业研究及便于量化的角度，结构的耐久从专业研究及便于量化的角度，结构的耐久性可更具体地定义为：结构在外界环境及其他因素性可更具体地定义为：结构在外界环境及其他因素( (设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事件不应多设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事件不应多考虑考虑) )共同作用下，在同样共同作用

9、下，在同样( (或等效或等效) )的建设和运营维的建设和运营维护总成本护总成本( (寿命周期总成本寿命周期总成本) )下，在设计使用寿命期下，在设计使用寿命期内，保持预期的安全性、适用性的能力。即耐久性内，保持预期的安全性、适用性的能力。即耐久性的内涵应包括耐久的长寿命及经济地耐久。的内涵应包括耐久的长寿命及经济地耐久。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU12引言 该提法的特点：该提法的特点：l)耐久性的核心是耐久性的核心是结构的寿命问题；结构的寿命问题；2)避免了较模糊的因避免了较模糊的因素，例如关于正常维护条件以及正常维素，例如关于正常维护条件以及正

10、常维护费用的定义；护费用的定义；3)耐久性的优劣不可避耐久性的优劣不可避免地要涉及到经济性的问题，只有以考免地要涉及到经济性的问题，只有以考虑了建设成本、维护管理成本的桥梁全虑了建设成本、维护管理成本的桥梁全寿命经济性最优作为控制条件才可以对寿命经济性最优作为控制条件才可以对耐久性做出全面、公正的评价。耐久性做出全面、公正的评价。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU13引言 运用该提法可以方便地进行耐久性运用该提法可以方便地进行耐久性的比较和评价，当明确了使用条件的比较和评价，当明确了使用条件(外界外界环境及其他因素环境及其他因素)和总体成本，可以通过和

11、总体成本，可以通过计算其实际使用寿命来评估一个具体结计算其实际使用寿命来评估一个具体结构的耐久性能否满足使用寿命的要求；构的耐久性能否满足使用寿命的要求；当明确了使用条件和使用寿命后，则可当明确了使用条件和使用寿命后，则可以通过计算总体成本来评估不同耐久性以通过计算总体成本来评估不同耐久性设计方案的优劣。设计方案的优劣。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU14引言 此外，还必须认识到正如英国标准 BS7543，1992中指出的那样：“耐久性预测不可能是一门精确的科学，建筑物的寿命预测只能是个估计”。该观点至少在当前阶段仍然是符合实际的。但是，考虑到现阶

12、段在结构设计中所强调的只是结构在荷载作用下的承载能力，它基本上不考虑材料性能在长期使用过程中的劣化(除疲劳荷载作用外)，不直接考虑因耐久性不足导致的性能失效的可能；所以，关于耐久性及使用寿命的计算尽管是近似的估算，但对于设计者、业主或使用者来说仍然有其必要性。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU15各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1 各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 经过近几十年的快速发展，我国桥梁的数量已十分庞大。其中，有不少桥梁暴露出病害，更有一些桥梁在远没有达到预期使用寿命时，就出现耐久性能严重退化的现象，甚至出现

13、倒塌等毁灭性事故。使用寿命及耐久性能的提高将是21世纪桥梁技术进步的重要标志。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU16各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.1混凝土桥梁的耐久性问题混凝土桥梁的耐久性问题 混凝土桥梁(主要指梁式桥)的使用历经整个20世纪，但大规模发展应用开始于第二次世界大战之后。而发现混凝土结构的耐久性问题则在战后的六、七十年代，一些发达国家的混凝土桥梁在使用了约三、四十年后，纷纷进入老化期，引发对原有混凝土桥梁的评估。人们始料不及的是：混凝土材料在环境混凝土材料在环境及使用条件下，出现了一系列影响结构耐久性的物及使用条件

14、下，出现了一系列影响结构耐久性的物理、化学变化，如结构混凝土的碳化、保护层剥落、理、化学变化，如结构混凝土的碳化、保护层剥落、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏等等。裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏等等。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU17各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 在各类桥梁中，混凝土桥梁的数量占绝对多数，1989年欧洲混凝土桥梁占桥梁总数的70%，我国混凝土桥梁占90%以上【周履，1998】。近年来，国内外关于混凝土桥梁病害和破坏事故的报道屡见不鲜。此外，尽管在各类桥梁中预应力混凝土桥梁的缺陷率最低，而使用寿命的期望值最

15、高【周履，2000】。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU18 但自70年代以来，国内外都发现一些预应力混凝土桥梁发生损伤的情况，不但影响桥梁结构的正常使用，还危及使用者和结构的安全。混凝土桥梁的病害由于其数量大，涉及地域广，对交通的安全畅通影响严重，修复费用巨大，成为世界各国共同关注的问题。美国联邦公路局(FHWA)所支持的一项研究项目曾对美国既有桥梁(共有约470 000座)的缺陷情况进行了调查，缺陷比例近1/3。 各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU19各类桥

16、梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题表表1.1 美国不同材料桥梁结构缺陷分布情况美国不同材料桥梁结构缺陷分布情况2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU20各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 我国交通部我国交通部20032003年年底的统计数字年年底的统计数字显示，全国共有公路桥梁显示，全国共有公路桥梁310 773310 773座，计座，计12 466 14312 466 143延米，按延米，按公路桥梁养护技术公路桥梁养护技术规范规范归类为危险等级的桥梁为归类为危险等级的桥梁为10 44310 443座，计座，计378 439378 4

17、39延米延米1414。此外，根据目前。此外，根据目前工程实践反馈的信息，我国桥梁耐久性工程实践反馈的信息，我国桥梁耐久性差的情况十分严峻。桥梁耐久性不足给差的情况十分严峻。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了沉重的负担。后期的维护和管理造成了沉重的负担。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU21各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 美国联邦公路署在1989年提交美国国会的一份报告国家公路和桥梁现状中提到：“现积压有待修补的混凝土桥梁的维修费用为1 550亿美元”【洪乃丰，2002】。美国土木工程学会在2001年指出，美国在随后的5年需要花费

18、1.3万亿美元来解决当时基础设施中存在的缺陷。就桥梁而言，29%的桥梁被界定为具有功能性缺陷，将需要在随后的10年中每年耗费106亿美元来解决这一问题贡金鑫，1999。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU22各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1）立柱钢筋锈蚀、保护层剥落 2）主梁端部受到雨水等有害物质侵蚀图1.1 混凝土桥梁立柱和主梁耐久性退化的典型例子2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU23各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 在世界范围内，钢筋腐蚀对混凝土桥梁的破坏和影响最为突出，

19、特别是沿海、跨海桥，采用除冰盐的公路桥、城市立交桥以及处于盐碱地区的桥梁，其腐蚀破坏是相当严重的，甚至在几年、十几年内就不得不修复或重建，远远达不到预期使用年限的要求，已经成为世界瞩目的大问题。我国基础设施的腐蚀破坏以沿海地区较为明显，有些码头桥梁使用310年就要修复。而北方撒盐除冰的危害也己经显露出来，如北京西直门立交桥，使用19年就因严重腐蚀而报废(己经于1999年另建新桥)；东直门桥等数座桥的“盐害”也很明显和严重，不得不作修复、加固处理王媛俐，2001 。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU24各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1

20、.2 缆索承重桥梁的耐久性问题缆索承重桥梁的耐久性问题 缆索(拉索或吊杆)一般布置在梁体外部，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感，主要表现在悬索桥钢索的锈蚀和斜拉桥拉索的损坏。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU25各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 大跨度桥梁结构中经常使用缆索承重体系来跨越江河，主要的桥型包括各种吊杆(系杆)拱桥、斜拉桥和悬索桥等。缆索(拉索或吊杆)一般布置在梁体外部，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感；加之当时使用的缆索防护体系不易检查，因此，缆索和吊杆的防护与耐久性极为重要，它直接关系到桥梁的使用寿

21、命和使用性能，是缆索承重桥梁的生命线。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU26各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 自二战以来，以斜拉桥的复兴为标志，世界各地陆续修建了大量的大跨缆索承重桥梁结构悬索桥与斜拉桥。至上世纪末，己发现悬索桥在使用十年左右后，钢索己出现锈蚀；斜拉桥的拉索损坏更严重，国内外不少斜拉桥的拉索甚至在使用不到十年就损坏了。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU27各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 例如，美国在1903年建世界上第一座现代化长跨度悬索桥Williamsbur

22、g桥，由于当时技术原因和造价，没有对钢丝进行镀锌处理，而代之以亚麻油和石墨来涂覆钢丝，建成后仅7年就发现钢丝锈蚀断裂。1922年将缆索补缠镀锌钢丝，但是到了1934年，发现主缆内有水从锚锭处流出；10年后，从塔顶向缆索内注入400加仑的亚麻油，1968年又注入鱼油和矿物酒清。但是所有这些措施都没有能够阻止锈蚀的发展。1992年，被迫进行为期3年的主缆维护工作，耗资7300万美元。近年来先后有多座桥梁的拉索(或吊杆)因为耐久性不足而更换（见表1.2）吴海军，2003。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU28各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题

23、表表1.2 部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU29各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题表表1.2（续）（续） 部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录 广西广西来宾来宾1980.11建成建成,1981.09通车通车2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU30各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.3 拱桥的耐久性问题拱桥的耐久性问题 拱桥在我国历史久远、源远流长，一直在我国桥梁中占有非常重要的地

24、位。我国在上世纪六七十年代修建了大量的石拱桥和混凝土拱桥，特别是众多混凝土双曲拱桥因为严重的开裂问题，而不得不加固或拆除重建。而在上世纪八九十年代修建的二十余座预应力混凝土桁式组合拱桥，在平均使用不到15年的时间，因为严重的病害，已经有约1/4的桥梁被炸掉或封闭弃用，另有约1/4的桥梁被严格限载，降级使用。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU31各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.4 钢桥的耐久性问题钢桥的耐久性问题 公路钢桥运营期间的损伤形式主要有：钢材腐蚀与劣化、活载引发的破损、疲劳和失稳等。钢桥大国日本对1 691座钢桥重建与改建

25、原因的调查结果表明：道路线形改变、道路等级的提高、河道改修和交通量增加桥宽太窄等桥梁使用功能性问题占总数的约60%，这从一个侧面反映了影响桥梁使用寿命的因素的多样性。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU32各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 图图1.2 日本对日本对69座桥梁上部结构损伤形式的调查结果座桥梁上部结构损伤形式的调查结果2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU33各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 钢桥的腐蚀、劣化、疲劳损伤的影响因素较钢桥的腐蚀、劣化、疲劳损伤的影响因素较复杂，

26、主要因素有：复杂，主要因素有： 1)材料；材料； 2)结构构造的设计、加工工艺和施工方法；结构构造的设计、加工工艺和施工方法； 3)作用荷载；作用荷载； 4)环境；环境； 5)桥梁的运营管理等。桥梁的运营管理等。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU34各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 综上所述，当我们将精力主要放在高速综上所述，当我们将精力主要放在高速建设新桥的时候，可能想象不到若干年后我建设新桥的时候，可能想象不到若干年后我们将不得不为了这些桥梁的维修、加固付出们将不得不为了这些桥梁的维修、加固付出难以想象的沉重代价。从桥梁整个寿命周

27、期难以想象的沉重代价。从桥梁整个寿命周期的综合社会效益和经济效益的角度看，以当的综合社会效益和经济效益的角度看，以当前的桥梁建设现状，每年新建桥梁越多，后前的桥梁建设现状，每年新建桥梁越多，后期因为耐久性不足导致的维护和加固的负担期因为耐久性不足导致的维护和加固的负担就越重，总体社会和经济效益就越差。这是就越重，总体社会和经济效益就越差。这是必须认真研究解决的问题。必须认真研究解决的问题。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU35桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2 桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.1 桥面铺装

28、破坏桥面铺装破坏 在车辆在车辆( (尤其是超载、超限车辆尤其是超载、超限车辆) )的长期的长期作用下，尚未达到预期年限的桥面板经常出作用下，尚未达到预期年限的桥面板经常出现凸凹不平或网状开裂等破坏现象。桥面铺现凸凹不平或网状开裂等破坏现象。桥面铺装的过早破坏是世界范围的难题，特别是在装的过早破坏是世界范围的难题，特别是在气候寒冷需要采用除冰盐消除桥面积雪的国气候寒冷需要采用除冰盐消除桥面积雪的国家和地区，因为氯盐侵蚀和冻融破坏的共同家和地区，因为氯盐侵蚀和冻融破坏的共同作用，桥面铺装寿命短、病害严重的情况非作用，桥面铺装寿命短、病害严重的情况非常普遍。常普遍。2021-11-30Renda Z

29、HAO, PhD. Prof. SWJTU36桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2 桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.1 桥面铺装破坏桥面铺装破坏 桥面铺装损坏的问题在我国也非常严重，桥面铺装损坏的问题在我国也非常严重，不仅在早期修建的桥梁中大量存在，而且国不仅在早期修建的桥梁中大量存在，而且国内近期修建的几座特大型桥梁内近期修建的几座特大型桥梁( (如虎门大桥、如虎门大桥、厦门海沧大桥、江阴大桥等厦门海沧大桥、江阴大桥等) )在运营几年后就在运营几年后就纷纷出现桥面铺装损坏的问题。纷纷出现桥面铺装损坏的问题。2021-11-30Renda ZHAO

30、, PhD. Prof. SWJTU37桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.2 桥头跳车桥头跳车 桥梁运营一段时间后，普遍存在台桥梁运营一段时间后，普遍存在台后填土下沉的现象，使桥头跳车成为一后填土下沉的现象，使桥头跳车成为一种常见的病害。跳车产生的剧烈冲击和种常见的病害。跳车产生的剧烈冲击和振动降低了行车的舒适性、增加了汽车振动降低了行车的舒适性、增加了汽车的故障率，车辆对桥台和结构产生过大的故障率，车辆对桥台和结构产生过大的冲击力，又会使跳车现象更加严重，的冲击力，又会使跳车现象更加严重，并影响桥梁的耐久性与使用寿命。并影响桥梁的耐久性与使用寿命。2021-11-30

31、Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU38桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.3 混凝土开裂混凝土开裂 在混凝土桥梁中，梁体开裂是一种影响在混凝土桥梁中，梁体开裂是一种影响耐久性的较为普遍的现象。混凝土裂缝按开耐久性的较为普遍的现象。混凝土裂缝按开裂部位可分为：主梁顶、底板开裂，腹板开裂部位可分为：主梁顶、底板开裂，腹板开裂，齿板开裂，预应力锚固区域开裂等。按裂，齿板开裂，预应力锚固区域开裂等。按成因可分为结构裂缝和非结构裂缝。成因可分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂结构裂缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出现的开裂

32、现象，它的宽度可随着荷载的变化现的开裂现象，它的宽度可随着荷载的变化而变化。而变化。非结构裂缝一般是指由于变形受到非结构裂缝一般是指由于变形受到约束而出现的开裂现象。约束而出现的开裂现象。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU39桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 混凝土结构中非结构裂缝产生的主要原因一般混凝土结构中非结构裂缝产生的主要原因一般有：有： l) l) 构造处理不当造成的混凝土裂缝；构造处理不当造成的混凝土裂缝； 2) 2) 混凝土的干缩引起的裂缝；混凝土的干缩引起的裂缝； 3) 3) 由于碱由于碱骨料反应骨料反应(AAR)

33、(AAR)引起的裂缝；引起的裂缝； 4) 4) 由于外界温度变化引起的裂缝；由于外界温度变化引起的裂缝； 5) 5) 由于钢筋锈蚀引起的裂缝；由于钢筋锈蚀引起的裂缝； 6) 6) 由于荷载作用引起的裂缝；由于荷载作用引起的裂缝； 7) 7) 太阳辐射、混凝土老化、徐变及疲劳作用引太阳辐射、混凝土老化、徐变及疲劳作用引起的裂缝。起的裂缝。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU40桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 由于其成因不同，对结构的耐久性影响也不同。由于其成因不同，对结构的耐久性影响也不同。第第l) l)种裂缝，由于其深度通常较浅，

34、对耐久性的影种裂缝，由于其深度通常较浅，对耐久性的影响是可以忽略的；第响是可以忽略的；第3) 3)种裂缝，在正常结构中是不种裂缝，在正常结构中是不允许的，属于特殊问题；第允许的，属于特殊问题；第5) 5)种裂缝的出现往往意种裂缝的出现往往意味着结构混凝土耐久性失效；第味着结构混凝土耐久性失效；第2) 2)、4) 4)、6) 6)和和7) 7)类裂类裂缝对结构耐久性的影响一般容易被忽视。缝对结构耐久性的影响一般容易被忽视。 混凝土裂缝对结构耐久性产生影响主要是因为混凝土裂缝对结构耐久性产生影响主要是因为裂缝增大了混凝土的渗透性，使空气中的有害气体裂缝增大了混凝土的渗透性，使空气中的有害气体或物质

35、容易渗入混凝土内，致使钢筋钝化膜较早破或物质容易渗入混凝土内，致使钢筋钝化膜较早破坏而产生锈蚀。坏而产生锈蚀。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU41桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.4 钢筋锈蚀钢筋锈蚀 受力钢筋的锈蚀将导致其有效截面的下降；锈受力钢筋的锈蚀将导致其有效截面的下降；锈蚀后钢筋的体积膨胀又会导致混凝土开裂或表面混蚀后钢筋的体积膨胀又会导致混凝土开裂或表面混凝土成块脱落，从而削弱构件整个截面的面积；随凝土成块脱落，从而削弱构件整个截面的面积；随着钢筋锈蚀程度的增大，钢筋与混凝土之间的粘结着钢筋锈蚀程度的增大，钢筋与混

36、凝土之间的粘结力减小、共同作用受到损害，从而引起构件承载力力减小、共同作用受到损害，从而引起构件承载力下降。混凝土开裂后又使原来处于混凝土保护层下下降。混凝土开裂后又使原来处于混凝土保护层下的钢筋暴露于空气中，加快了钢筋锈蚀的速度，造的钢筋暴露于空气中，加快了钢筋锈蚀的速度，造成恶性循环。引起钢筋锈蚀的两个主要原因是混凝成恶性循环。引起钢筋锈蚀的两个主要原因是混凝土的碳化及氯离子的侵蚀。土的碳化及氯离子的侵蚀。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU42桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 (l)碳化碳化15 影响结构耐久性的因素很多，其中混

37、凝影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其期混凝土具有很高的碱性，其pHpH值一般大于值一般大于12.512.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，与混凝土材料中的碱性物入混凝土内部时，与混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土

38、的质中和，会导致混凝土的pHpH值降低。值降低。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU43桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 当混凝土完全碳化后，就出现当混凝土完全碳化后，就出现pHpH 9 9的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在其他的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截

39、面减少、结构耐久性能降低等一系力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。列不良后果。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU44桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 混凝土的碳化机理：混凝土的碳化机理：混凝土的基本组成成分是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙Ca(OH)2，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水溶液是pH值为1

40、2.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU45桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，pH值下降到8.5左右，这种现象就称为混凝土的碳化（中性化）。这是混凝土中性化最常见的一种形式。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU46桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象混凝土碳化的主要化学反应式为：CO2+H2O H2CO3 Ca(OH)

41、2+H2CO3 CaCO3+2H2O2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU47桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因素：混凝土的碳化是伴随着CO2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。研究表明，混凝土的碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJ

42、TU48桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 所以碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。对于服役结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的浓度、环境温度和湿度。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU49桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 快速碳化试验表明，CO2的浓度越高，且压力越大，碳化深度越大，因为高浓度，高压力的CO2气体能较快地向混凝土内部扩散，使碳化反应迅速进行。因此，在城市交

43、通繁忙路段处的结构物或CO2浓度较高的工业厂房往往碳化现象较严重。 另外，碳化较易发生在潮湿的环境中，尤其是干湿交替的环境，因此南方的建筑物容易产生碳化现象，且随着温度的升高，混凝土的碳化加速。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU50桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 (2)氯离子的侵入氯离子的侵入 混凝土中的高碱性溶液对钢筋起保护作用，而氯离子会通过扩散和毛细作用进入混凝土内，当溶入混凝土中的氯盐含量达到混凝土重量的0.1%0.2%时，钢筋开始锈蚀；当氯盐含量超过1%后，钢筋的锈蚀面积将急速增加。2021-11-30Renda ZHA

44、O, PhD. Prof. SWJTU51桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 氯离子导致钢筋腐蚀需要有以下条件： l)钢筋表面钝化膜被破坏； 2)有充足的氧的供应； 3)有适宜的湿度。 大量的工程实践表明：干燥环境下的钢筋不易腐蚀，潮湿或干湿交替环境下腐蚀发展较快，而长期处于海水下的结构，虽然氯离子浓度很大，但由于缺氧也不易腐蚀。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU52桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.5 桥梁附属设施的病害桥梁附属设施的病害 包括伸缩缝和支座等的病害。 (l)伸缩缝 伸缩缝设置在梁端相对薄弱的部

45、位，受桥面温度变化的影响和车辆荷载的作用频繁地伸缩变形，极易损坏。伸缩缝损坏后，不仅影响行车的舒适性，而且可能造成水的下渗，进而导致桥梁主体结构和支座的腐蚀及老化。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU53桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 (2)支座 活动支座应能保证上部主梁结构的自由变形(转动或移动等)。当有异物填充，或钢板支座锈蚀、螺母松动或螺栓脱落及橡胶支座出现老化时，上部主梁结构可能会丧失自由伸缩的能力，导致应力重新分布，可能引起开裂等病害。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU54引起桥梁

46、结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 3 引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 3.1 设计方面的因素设计方面的因素1 很多桥梁病害与施工质量低劣有关，但在承认施工存在问题的同时，也不可否认，在桥梁设计中还有许多可以改进的地方。许多设计人员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、材料、结构维护以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性、耐久性。设计方面的问题从大的方面可以简单地归纳为：2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU55引起桥

47、梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (l)(l)设计标准低设计标准低 我国公路桥梁荷载标准是经过多次修改逐步提我国公路桥梁荷载标准是经过多次修改逐步提高的，随着交通事业的发展，既有桥梁的荷载标准高的，随着交通事业的发展，既有桥梁的荷载标准不能满足当前汽车荷载标准的要求，由此可能导致不能满足当前汽车荷载标准的要求，由此可能导致桥梁耐久性加速劣化，这种情况在世界各国都普遍桥梁耐久性加速劣化，这种情况在世界各国都普遍存在。此外，长期以来，由于经济及社会条件的限存在。此外，长期以来，由于经济及社会条件的限制，我国规范在桥梁性能及构造细节设计方面的要制，我国规范在桥梁性能及构

48、造细节设计方面的要求一直较低，也在客观上影响了桥梁的耐久性。求一直较低，也在客观上影响了桥梁的耐久性。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU56引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (2)(2)结构与构造细节不合理结构与构造细节不合理 在国内桥梁总体设计方案的比选过程中，一般在国内桥梁总体设计方案的比选过程中，一般由地质条件、施工方法、经济指标等因素来决定方由地质条件、施工方法、经济指标等因素来决定方案的取舍，而很少从耐久性的角度来进行分析和评案的取舍，而很少从耐久性的角度来进行分析和评价。价。例如采用预应力结构或钢筋混凝土

49、结构，简支或连续，例如采用预应力结构或钢筋混凝土结构，简支或连续，T T型梁或箱梁以及跨径比例、断面尺寸的拟定等众多结构与型梁或箱梁以及跨径比例、断面尺寸的拟定等众多结构与构造问题，不但影响经济性，对桥梁的耐久性能也有很大影构造问题，不但影响经济性，对桥梁的耐久性能也有很大影响；评价指标的缺失，可能导致中选方案的结构耐久性能不响；评价指标的缺失，可能导致中选方案的结构耐久性能不足，为运营后桥梁出现病害埋下了病根。有的结构整体性和足，为运营后桥梁出现病害埋下了病根。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径不明确，造延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路径不明确，造成局部受力过

50、大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过成局部受力过大；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；这些都会削弱结构耐久小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都会削弱结构耐久性，增加桥梁的病害。性，增加桥梁的病害。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU57引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 吴海军总结的混凝土桥梁耐久性设计原吴海军总结的混凝土桥梁耐久性设计原则与构造措施则与构造措施1010： 1) 1)力线平滑、应力均匀流畅的原则；力线平滑、应力均匀流畅的原则； 2) 2)结构应保证整体性、连续性和冗

51、余性；结构应保证整体性、连续性和冗余性； 3) 3)结构应具有可检性、可修性和可替换性；结构应具有可检性、可修性和可替换性； 4) 4)结构应具有良好的防水能力；结构应具有良好的防水能力； 5) 5)结构设计应保证可施工性。结构设计应保证可施工性。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU58引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (3)(3)计算的因素计算的因素 l) l)在桥梁设计和计算过程中，未充分考虑混凝土徐变、在桥梁设计和计算过程中，未充分考虑混凝土徐变、收缩及温度应力等非荷载因素的影响；收缩及温度应力等非荷载因素的影响

52、； 2) 2)在进行结构有限元分析时，过度强调局部性单元划分在进行结构有限元分析时，过度强调局部性单元划分的精细化，对结构边界约束、衔接条件和传力路径等全局性的精细化，对结构边界约束、衔接条件和传力路径等全局性问题认识不够；问题认识不够； 3) 3)就施工方法、施工顺序和施工荷载对结构成桥性能的就施工方法、施工顺序和施工荷载对结构成桥性能的影响重视不够；影响重视不够； 4) 4)在构件的特殊部位，如构件的角隅处、预应力钢筋的在构件的特殊部位，如构件的角隅处、预应力钢筋的锚固处，在局部应力传递与分布的影响下，会出现应力突变，锚固处，在局部应力传递与分布的影响下，会出现应力突变，由于计算手段和理论

53、的局限，往往出现构造配筋布置不足或由于计算手段和理论的局限，往往出现构造配筋布置不足或不当的问题。不当的问题。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU59引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 3.2 施工和管理的因素施工和管理的因素1 (l)施工质量低施工质量低 大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出现了影响正常使用的病害与劣化。特别是一些桥梁现了影响正常使用的病害与劣化。特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问

54、题，这与施工质量低下有重要关系，久性不足的问题，这与施工质量低下有重要关系，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题。这些施工上的缺陷工现场的严重的构件开裂问题。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，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不利的危害。但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU60引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 主要问题有：主要问题有

55、： l) l)材料质量控制的问题；材料质量控制的问题； 2) 2)预应力材料防护问题；预应力材料防护问题； 3) 3)压浆不及时或操作不合理；压浆不及时或操作不合理； 4) 4)张拉力不足，张拉程序不合理；张拉力不足，张拉程序不合理； 5) 5)锚头防护不够；锚头防护不够； 6) 6)施工缝处理不当等。施工缝处理不当等。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU61引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析(2)(2)管理制度欠完善管理制度欠完善 l)l)只注重建设初期的成本，而忽视桥梁只注重建设初期的成本，而忽视桥梁从规划、建设到运

56、营、破坏整个寿命周期的从规划、建设到运营、破坏整个寿命周期的总体成本。国内桥梁工程招投标中经常是报总体成本。国内桥梁工程招投标中经常是报价越低，得分越高，中标的希望越大。价越低，得分越高，中标的希望越大。 2)2)对工期的不合理要求。对工期的不合理要求。 3)3)工程移交方式不够合理。工程移交方式不够合理。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU62引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析3.3 3.3 使用的因素使用的因素(l)汽车超载运行汽车超载运行1 汽车超载主要有三种情况：其一是早期汽车超载主要有三种情况：其一是早期修建的

57、老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行修建的老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行的车流量超过原设计预期；其三是车辆违规的车流量超过原设计预期；其三是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加所导致；后者是车辆使变化和交通量的增加所导致；后者是车辆使用者违法超载营运，后两种超载现象在我国用者违法超载营运，后两种超载现象在我国公路交通运输中较为普遍。公路交通运输中较为普遍。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU63引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 一方面，桥梁的超载使用可能引

58、发一方面，桥梁的超载使用可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些由超加大、损伤加剧，甚至会出现一些由超载引发的结构破坏事故。另一方面，由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，于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使桥梁在此后正常荷载下的工作状态将使桥梁在此后正常荷载下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。和耐久性。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU64引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的

59、因素及分析 例如，预应力混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯矩降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形吴海军，2002。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响。因此，除了交管部门要加强管理外，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。 2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU65引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (2) (2)其他

60、因素其他因素 其他对桥梁造成的危害的因素包括风雨侵袭及自然环境作用、受到意外强烈冲击、温度的变化导致的内力及应力重分布、地震、洪水等自然灾害等；又如桥上车辆拥堵使得拥堵车辆荷载效应大于设计车辆活载效应，从而影响桥梁的安全性和耐久性2；北方城市桥梁除冰盐对桥梁耐久性产生不利影响3。 桥梁的耐久性病害和原因并不完全是一一对应的，往往一个因素是诱发病害的主要起因，其他因素则加速或促进病害的发展。2021-11-30Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU66提高结构耐久性的措施提高结构耐久性的措施4 提高结构耐久性的措施提高结构耐久性的措施44.1 提高设计质量提高设计质量 设计规范