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赵人达博士教授博导2/3/20231RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/20232RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/20233RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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：2/3/20234RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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]。2/3/20235RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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]。2/3/20236RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/20237RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/20238RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。

2/3/20239RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言表0.14种耐久性定义的比较

2/3/202310RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言吴海军认为结构耐久性可以从两个层次界定[1]：

l)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(包括安全性、适用性及美观)的能力；2)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(设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事件不应多考虑)共同作用下，在同样(或等效)的建设和运营维护总成本(寿命周期总成本)下，在设计使用寿命期内，保持预期的安全性、适用性的能力。即耐久性的内涵应包括耐久的长寿命及经济地耐久。2/3/202311RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言该提法的特点：l)耐久性的核心是结构的寿命问题；2)避免了较模糊的因素，例如关于正常维护条件以及正常维护费用的定义；3)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耐久性做出全面、公正的评价。2/3/202312RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言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(外界环境及其他因素)和总体成本，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，则可以通过计算总体成本来评估不同耐久性设计方案的优劣。

2/3/202313RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202314RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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

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。2/3/202315RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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(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：混凝土材料在环境及使用条件下，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、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏等等。

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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高【周履，2000】。

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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470000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2/3/202318RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题表1.1美国不同材料桥梁结构缺陷分布情况2/3/202319RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题

我国交通部2003年年底的统计数字显示，全国共有公路桥梁310773座，计12466143延米，按《公路桥梁养护技术规范》归类为危险等级的桥梁为10443座，计378439延米[14]。此外，根据目前工程实践反馈的信息，我国桥梁耐久性差的情况十分严峻。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了沉重的负担。

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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1550亿美元”【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]。2/3/202321RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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2/3/202322RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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，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3~10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]。2/3/202323RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题

1.2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。2/3/202324RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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命和使用性能，是缆索承重桥梁的生命线。2/3/202325RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202326RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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Williamsburg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]。2/3/202327RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题表1.2部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录

2/3/202328RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题表1.2（续）部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录

广西来宾1980.11建成,1981.09通车2/3/202329RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题

1.3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。2/3/202330RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题1.4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1691座钢桥重建与改建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。2/3/202331RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题

图1.2日本对69座桥梁上部结构损伤形式的调查结果2/3/202332RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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复杂，主要因素有：1)材料；2)结构构造的设计、加工工艺和施工方法；3)作用荷载；4)环境；5)桥梁的运营管理等。

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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。从桥梁整个寿命周期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。这是必须认真研究解决的问题。2/3/202334RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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

2.1桥面铺装破坏

在车辆(尤其是超载、超限车辆)的长期作用下，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、病害严重的情况非常普遍。2/3/202335RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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

2.1桥面铺装破坏

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，而且国内近期修建的几座特大型桥梁(如虎门大桥、厦门海沧大桥、江阴大桥等)在运营几年后就纷纷出现桥面铺装损坏的问题。2/3/202336RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象

2.2桥头跳车

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，并影响桥梁的耐久性与使用寿命。2/3/202337RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象

2.3混凝土开裂

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。按成因可分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出现的开裂现象，它的宽度可随着荷载的变化而变化。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。

2/3/202338RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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有：l)构造处理不当造成的混凝土裂缝；2)混凝土的干缩引起的裂缝；3)由于碱—骨料反应(AAR)引起的裂缝；4)由于外界温度变化引起的裂缝；5)由于钢筋锈蚀引起的裂缝；6)由于荷载作用引起的裂缝；7)太阳辐射、混凝土老化、徐变及疲劳作用引起的裂缝。

2/3/202339RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。第l)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3)种裂缝，在正常结构中是不允许的，属于特殊问题；第5)种裂缝的出现往往意味着结构混凝土耐久性失效；第2)、4)、6)和7)类裂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裂缝增大了混凝土的渗透性，使空气中的有害气体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。2/3/202340RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象2.4钢筋锈蚀

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土的碳化及氯离子的侵蚀。2/3/202341RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象(l)碳化[15]

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，早期混凝土具有很高的碱性，其pH值一般大于12.5，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，会导致混凝土的pH值降低。

2/3/202342RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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pH9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、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。2/3/202343RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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12.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。2/3/202344RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202345RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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)2+H2CO3→CaCO3+2H2O2/3/202346RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象

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。2/3/202347RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202348RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202349RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象

(2)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。2/3/202350RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202351RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象

2.5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。2/3/202352RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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。2/3/202353RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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3.1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：2/3/202354RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析

(l)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制，我国规范在桥梁性能及构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。2/3/202355RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析

(2)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价。例如采用预应力结构或钢筋混凝土结构，简支或连续，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性，增加桥梁的病害。2/3/202356RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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则与构造措施[10]：

1)力线平滑、应力均匀流畅的原则；2)结构应保证整体性、连续性和冗余性；3)结构应具有可检性、可修性和可替换性；4)结构应具有良好的防水能力；5)结构设计应保证可施工性。2/3/202357RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析

(3)计算的因素

l)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；2)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问题认识不够；3)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；4)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，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。2/3/202358RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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[1](l)施工质量低

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，但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。2/3/202359RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析

主要问题有：

l)材料质量控制的问题；2)预应力材料防护问题；3)压浆不及时或操作不合理；4)张拉力不足，张拉程序不合理；5)锚头防护不够；6)施工缝处理不当等。2/3/202360RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析(2)管理制度欠完善

l)只注重建设初期的成本，而忽视桥梁从规划、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价越低，得分越高，中标的希望越大。

2)对工期的不合理要求。

3)工程移交方式不够合理。2/3/202361RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析3.3使用的因素(l)汽车超载运行[1]

汽车超载主要有三种情况：其一是早期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。2/3/202362RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU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发疲劳问题。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，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和耐久性。

2/3/202363RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析

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。2/3/202364RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析(2)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。2/3/202365RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU提高结构耐久性的措施4提高结构耐久性的措施[4]4.1提高设计质量设计规范明确规定进行耐久性设计。贯彻全寿命设计思想。4.2建立桥梁工程耐久性评估体系桥梁工程使用年限较长，耐久性的好坏难以在短期内鉴定，并且难以以单一的、精确的指标鉴定。2/3/202366RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU提高结构耐久性的措施4.3建立桥梁资料库并将桥梁的监测与维护制度化

要确保结构的正常使用，及时发现安全隐患，必须建立定期监测的制度，及时发现问题，以便及时维修与加固。4.4进一步加强提高耐久性方面的技术研究并积极借鉴国外的经验和成果

一方面是材料的研究，另一方面是关于设计理念的研究。[4]4.5从材料方面提高[12]

控制材料品质、使用高性能材料、不锈钢材料、防护涂层材料、环氧树脂包裹材料等。2/3/202367RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5耐久性设计方法

总体说来桥梁结构耐久性设计分为耐久性材料设计、耐久性计算和验算、结构外观和构造措施三个部分：

1、耐久性材料设计就是基于材料耐久性退化机理，对桥梁建设中采用的材料提出质量和施工要求，比如高强混凝土、防渗混凝土、混凝土外加剂、防锈钢筋的设计和混合料的品质要求等。2/3/202368RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

2、耐久性设计和验算就是在现行规范的设计计算和验算中考虑耐久性影响系数η，η表征结构抗力随时间衰减变化的规律，是时间的函数。利用它在桥梁设计基准期内预测结构承载能力的变化规律，进而对桥梁整个寿命期的“健康状况”做到适时控制。2/3/202369RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法计算公式例子2/3/202370RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法计算公式例子2/3/202371RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

3、桥梁外观和构造措施是指桥梁设计要注意桥梁结构与自然地理环境条件相和谐、结构内部避免出现不利于桥梁耐久性的构造。外观包括：对于各种地形条件桥梁跨径的布置和结构形式的选择，人的生产生活与桥梁的相互影响，以及远期各种环境条件的变化与桥梁的相互影响等等；构造措施包括：桥梁结构构造应避免计算出现不利于耐久的内力、变形，在荷载作用下传力路径简洁明确、均匀平滑，杜绝应力应变集中和突变、局部集中裂缝等。[11]2/3/202372RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

2/3/202373RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

5.1全面的耐久性设计方法[1]

5.1.1基于使用寿命及材料性能退化的耐久性设计方法

基于使用寿命及材料性能退化的理论计算方法是目前唯一能够实现的定量的耐久性设计方法，通过调整保护层厚度、钢筋数量、混凝土强度等耐久性设计参数可以使桥梁结构的耐久性寿命满足设计要求。对于混凝土桥梁可以采用的耐久性措施包括：采用耐久性能优良的原材料，如水泥、砂及碎石；采用抗腐蚀和抗锈蚀性能良好的钢材，如采用不锈钢筋、环氧涂层钢筋或采用FRP筋等新型复合材料；优化混凝土的配合比，减小水灰比、减少孔隙率，提高混凝土的密实性，增强混凝土抵抗外界有害物质侵蚀的能力。2/3/202374RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

5.1.2基于桥梁结构构造与细节的耐久性设计方法

除了满足基于使用寿命的设计计算和规范建议的措施外，在结构构造上需要满足：结构体系设计应简洁、结构型式应统一谐调，结构应具有良好的整体性、强健性和冗余性，结构力线的传递要均匀，应充分做好结构的防水问题，构造细节应充分考虑到后期检查、维护和更换的需要。这是保证寿命期良好耐久性的必要前提，也是桥梁全寿命经济性的可靠保证。

2/3/202375RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

具体地，在设计阶段可从下面几个方面具体衡量桥梁构造的耐久性能的优劣：

l)在荷载作用下，结构应传力明确、传力路径较短；2)力线平滑、应力均匀流畅；3)结构的整体性、连续性和冗余性；4)结构应具有可检性、可修性和可替换性；5)结构应具有良好的防水能力；6)结构设计应保证可施工性，从而易于保证施工质量。2/3/202376RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

5.1.3确保耐久性的施工质量控制要求

施工是实现设计目标的关键步骤，良好的施工质量是保证桥梁结构耐久性的关键因素。以耐久性能为目标的施工质量要求肯定不同于目前以承载能力为目标的控制要求，因此，确定施工质量控制标准也是耐久性设计的重要环节。2/3/202377RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5.1.4基于耐久性及经济性的桥梁维护、管理策略

结构的维修、加固时机和方案不但影响桥梁的耐久性和安全性，还将直接影响全寿命的经济性，因此维修决策将不能简单地依靠经验来确定，必须根据各种方案的不同效果（性能与耐久性）、经济性（加固的直接成本与交通扰动等的间接成本之和）来进行优化，从中选择最优的时机和方案。因此，基于耐久性和经济性的桥梁维护、管理策略与方案也是需要在耐久性设计阶段考虑和明确的重要内容。2/3/202378RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法桥梁维护、管理对结构性能影响的图示

2/3/202379RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5.1.5基于全寿命成本分析耐久性设计评估与优化

基于全寿命成本的经济性分析方法是评价和选择耐久性设计方案及进行桥梁维护管理策略优化的有力工具。在设计阶段就应综合考虑建设、运营、维护、管理等桥梁寿命全过程的费用。从全寿命经济性的观点规划桥梁耐久性设计、施工、维护管理等环节的具体方案。2/3/202380RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

目前的常规桥梁设计过程主要考虑初始建设费用，而很少考虑运营、维护、管理等费用，难于对桥梁耐久性设计方案作出评估；它是通过承载能力验算及建设成本比较来满足既安全、又经济的要求；而桥梁耐久性设计是涉及全寿命使用周期的问题，相应地，可以通过耐久能力设计验算及全寿命经济性的比较与优化来满足既安全耐久又经济的目标。

2/3/202381RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

5.2桥梁全寿命设计[6,13]5.2.1概念

为寻求全寿命周期内桥梁的人文、生态、环境、技术、功能和经济效益等综合最优，对结构、材料、耐久性、美学、环保、施工、管养以及全寿命成本等进行综合设计的方法[6]。2/3/202382RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5.2.2设计的主要内容(1)桥梁整体及各可更换部件的设计寿命的确定。(2)性能设计。结构体系和部件的功能设计及其未来可能的灵活性设计；为满足桥梁安全性能的要求，需进行强度、稳定性等结构设计；为满足桥梁耐久性能的要求，需进行耐久性设计；进行行车安全性分析和设计，以满足使用者对出行安全的要求；风险分析和对策设计，使桥梁在遭遇一定概率的风险事件后，不造成较大经济损失和人员伤亡，明确工程保险成本。2/3/202383RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法(3)美学设计。包括造型设计和景观设计，以满足人们对桥梁美学和景观欣赏的需求。(4)生态设计。包括环境保护设计、回收与再利用设计。(5)施工过程控制设计，以确保良好施工质量并忠实地表达设计成果。(6)桥梁的管理、养护设计。包括桥梁运营期内的监测、养护、维修、管理等，使桥梁在使用寿命期内始终保持良好性能，满足使用功能的要求。2/3/202384RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

(7)全寿命周期成本分析是进行桥梁全寿命设计不可缺少的内容之一。要选择最优的设计方案，必须进行全寿命周期成本分析，对整个寿命周期内发生的所有成本(包括财务成本和环境成本)进行比较，在平衡各种需求的前提下，选择全寿命周期成本较低的方案。2/3/202385RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

5.2.3桥梁工程全寿命设计的阶段划分[6]

桥梁工程全寿命设计从投资规划开始，可分为工程可行性研究、初步设计和施工图设计3个阶段。分别如图5.1~图5.3所示。2/3/202386RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

图5.1工程可行性研究流程图2/3/202387RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

图5.2初步设计阶段流程图2/3/202388RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法

图5.3施工图设计阶段流程图2/3/202389RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5.2.4吴海军提出的基于使用寿命设计和全寿命经济性控制的耐久性设计方法给出了耐久性设计的主要步骤[7]：⑴确定目标使用寿命和设计使用寿命；⑵环境效应分析；⑶劣化因素和机理的确定；⑷选择耐久性模型；⑸耐久性参数的计算；⑹对常规力学方法的计算进行修正；⑺耐久性参数应用到最终设计。2/3/202390RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法全面的桥梁结构耐久性设计方法框架2/3/202391RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5.2.5邵旭东等提出基于寿命周期成本(Life-CycleCost，简称LCC)的设计方法[8]

该方法是以桥梁服务水平为基础，寿命周期成本总和现值最小为目标的设计方法。它是以最小的全寿命投入获取最优的桥梁长期服务水平这一性能为目标的新设计方法。该方法的核心是在设计阶段便考虑桥梁建成后的养护、维护和管理问题，综合评估桥梁建造成本、用户成本和社会成本，力求达到总体资源消耗最小为目的。桥梁全寿命设计流程如图5.4所示。2/3/202392RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法图5.4桥梁全寿命设计流程2/3/202393RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法桥梁生命周期成本构成2/3/202394RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法桥梁生命周期成本分析流程2/3/202395RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性设计方法5.2.6马军海和陈艾荣等提出的桥梁全寿命设计总体框架