橋梁安全耐久性和全壽命設計研究概況土木工程學院橋梁工程系趙人達博士教授博導2/3/20231RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

近年來，世界各國、特別是主要處于基礎設施維護階段的歐美等發(fā)達國家普遍發(fā)現(xiàn)，橋梁耐久性差、服務壽命短、全壽命經(jīng)濟性指標差等問題(與人們最初的設計和規(guī)劃預期有很大差異)，已經(jīng)嚴重影響了其正常服務功能的發(fā)揮，并且給養(yǎng)護、維修等后期運營管理工作帶來難以承受的巨大經(jīng)濟和社會負擔。2/3/20232RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

我國正處于橋梁等基礎設施建設的高峰時期，大量的橋梁面臨著如何保證其使用壽命及使用期間的安全、耐久及維護管理的經(jīng)濟性問題。許多服役橋梁也暴露出病害和缺陷，因此，關于橋梁安全耐久性和全壽命設計研究有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。2/3/20233RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

0.1關于耐久性的定義[1]

耐久性的定義直接關系到對耐久性研究范圍及對象的界定，是需要首先明確的問題。由于耐久性的影響因素眾多，加之人們對結構耐久性的認識多種多樣，因此，很難給它一個公認準確的定義。在眾多的定義中，以下幾種說法較有代表性：2/3/20234RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

l)國內(nèi)一般認為，結構耐久性是指結構在設計要求的目標使用期內(nèi)，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力[金偉良等：《混凝土結構耐久性》，2002.09]。2/3/20235RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

2)國外對于耐久性的一個較好的定義是由Holland于1993年給出的，耐久性是指在正常維護條件下，經(jīng)過一段時間，材料和結構的承載能力和使用性能沒有大的變化的能力。亦即：耐久性是指構件和材料抵抗衰退和腐蝕的能力[M.J.Ryall，2002]。2/3/20236RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

3)我國建設部的《混凝土結構的耐久性及耐久性設計指南》中定義結構耐久性為：結構在規(guī)定期限內(nèi)，在各種作用下維持其應用功能的能力。這里的作用主要指大氣、化學侵蝕等導致材料性能退化的環(huán)境作用；功能則主要指與結構承載力極限狀態(tài)有關的安全性(如足夠的強度與穩(wěn)定性)以及與結構使用極限狀態(tài)有關的適用性(如有限的變形、裂縫寬度以及美觀要求等)，即耐久性包括耐久的安全性與耐久的適用性。2/3/20237RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

4)歐洲D(zhuǎn)uracrete【2001】定義耐久性為：混凝土結構應以這樣的方式設計、建造及運作(運營)，在可以預期的環(huán)境影響下，結構在一個明確的(或隱含的)時間段內(nèi)，在不需要超出預期的維護和維修費用的情況下，能夠保持其安全性、適用性及可接受的外觀。2/3/20238RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言

幾種定義：側重點不同，本質(zhì)相近。有學者認為：既應該明確耐久性研究的主要對象，也應該明確耐久性與承載力及安全性的區(qū)別。原因在于：l)影響結構“安全、使用功能和外觀”的因素很多，如果都將其看作耐久性的研究對象，將使得研究范圍過于寬泛，缺乏可操作性；2)目前，不少研究和文獻在一定程度上混淆了結構耐久性與承載力之間的區(qū)別，這兩個概念、兩種性能對于結構都至關重要，但耐久性主要表示結構保持其特定性能的能力，承載力是其中的一種性能。

2/3/20239RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言表0.14種耐久性定義的比較

2/3/202310RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言吳海軍認為結構耐久性可以從兩個層次界定[1]：

l)在最普遍的意義上，為了認識其本質(zhì)，結構的耐久性就是指其維持初始性能(包括安全性、適用性及美觀)的能力；2)從專業(yè)研究及便于量化的角度，結構的耐久性可更具體地定義為：結構在外界環(huán)境及其他因素(設計預期的正常荷載，對于突發(fā)性災害事件不應多考慮)共同作用下，在同樣(或等效)的建設和運營維護總成本(壽命周期總成本)下，在設計使用壽命期內(nèi)，保持預期的安全性、適用性的能力。即耐久性的內(nèi)涵應包括耐久的長壽命及經(jīng)濟地耐久。2/3/202311RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言該提法的特點：l)耐久性的核心是結構的壽命問題；2)避免了較模糊的因素，例如關于正常維護條件以及正常維護費用的定義；3)耐久性的優(yōu)劣不可避免地要涉及到經(jīng)濟性的問題，只有以考慮了建設成本、維護管理成本的橋梁全壽命經(jīng)濟性最優(yōu)作為控制條件才可以對耐久性做出全面、公正的評價。2/3/202312RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言運用該提法可以方便地進行耐久性的比較和評價，當明確了使用條件(外界環(huán)境及其他因素)和總體成本，可以通過計算其實際使用壽命來評估一個具體結構的耐久性能否滿足使用壽命的要求；當明確了使用條件和使用壽命后，則可以通過計算總體成本來評估不同耐久性設計方案的優(yōu)劣。

2/3/202313RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引言此外，還必須認識到正如英國標準[BS7543，1992]中指出的那樣：“耐久性預測不可能是一門精確的科學，建筑物的壽命預測只能是個估計”。該觀點至少在當前階段仍然是符合實際的。但是，考慮到現(xiàn)階段在結構設計中所強調(diào)的只是結構在荷載作用下的承載能力，它基本上不考慮材料性能在長期使用過程中的劣化(除疲勞荷載作用外)，不直接考慮因耐久性不足導致的性能失效的可能；所以，關于耐久性及使用壽命的計算盡管是近似的估算，但對于設計者、業(yè)主或使用者來說仍然有其必要性。2/3/202314RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

1各類橋梁面臨的耐久性問題

經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，我國橋梁的數(shù)量已十分龐大。其中，有不少橋梁暴露出病害，更有一些橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，就出現(xiàn)耐久性能嚴重退化的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)倒塌等毀滅性事故。使用壽命及耐久性能的提高將是21世紀橋梁技術進步的重要標志。2/3/202315RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

1.1混凝土橋梁的耐久性問題

混凝土橋梁(主要指梁式橋)的使用歷經(jīng)整個20世紀，但大規(guī)模發(fā)展應用開始于第二次世界大戰(zhàn)之后。而發(fā)現(xiàn)混凝土結構的耐久性問題則在戰(zhàn)后的六、七十年代，一些發(fā)達國家的混凝土橋梁在使用了約三、四十年后，紛紛進入老化期，引發(fā)對原有混凝土橋梁的評估。人們始料不及的是：混凝土材料在環(huán)境及使用條件下，出現(xiàn)了一系列影響結構耐久性的物理、化學變化，如結構混凝土的碳化、保護層剝落、裂縫的發(fā)展、鋼筋銹蝕、滲透凍融破壞等等。

2/3/202316RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

在各類橋梁中，混凝土橋梁的數(shù)量占絕對多數(shù)，1989年歐洲混凝土橋梁占橋梁總數(shù)的70%，我國混凝土橋梁占90%以上【周履，1998】。近年來，國內(nèi)外關于混凝土橋梁病害和破壞事故的報道屢見不鮮。此外，盡管在各類橋梁中預應力混凝土橋梁的缺陷率最低，而使用壽命的期望值最高【周履，2000】。

2/3/202317RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU

但自70年代以來，國內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)一些預應力混凝土橋梁發(fā)生損傷的情況，不但影響橋梁結構的正常使用，還危及使用者和結構的安全?；炷翗蛄旱牟『τ捎谄鋽?shù)量大，涉及地域廣，對交通的安全暢通影響嚴重，修復費用巨大，成為世界各國共同關注的問題。美國聯(lián)邦公路局(FHWA)所支持的一項研究項目曾對美國既有橋梁(共有約470000座)的缺陷情況進行了調(diào)查，缺陷比例近1/3。各類橋梁面臨的耐久性問題2/3/202318RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題表1.1美國不同材料橋梁結構缺陷分布情況2/3/202319RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

我國交通部2003年年底的統(tǒng)計數(shù)字顯示，全國共有公路橋梁310773座，計12466143延米，按《公路橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》歸類為危險等級的橋梁為10443座，計378439延米[14]。此外，根據(jù)目前工程實踐反饋的信息，我國橋梁耐久性差的情況十分嚴峻。橋梁耐久性不足給后期的維護和管理造成了沉重的負擔。

2/3/202320RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

美國聯(lián)邦公路署在1989年提交美國國會的一份報告《國家公路和橋梁現(xiàn)狀》中提到：“現(xiàn)積壓有待修補的混凝土橋梁的維修費用為1550億美元”【洪乃豐，2002】。美國土木工程學會在2001年指出，美國在隨后的5年需要花費1.3萬億美元來解決當時基礎設施中存在的缺陷。就橋梁而言，29%的橋梁被界定為具有功能性缺陷，將需要在隨后的10年中每年耗費106億美元來解決這一問題[貢金鑫，1999]。2/3/202321RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

1）立柱鋼筋銹蝕、保護層剝落2）主梁端部受到雨水等有害物質(zhì)侵蝕圖1.1混凝土橋梁立柱和主梁耐久性退化的典型例子2/3/202322RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

在世界范圍內(nèi)，鋼筋腐蝕對混凝土橋梁的破壞和影響最為突出，特別是沿海、跨海橋，采用除冰鹽的公路橋、城市立交橋以及處于鹽堿地區(qū)的橋梁，其腐蝕破壞是相當嚴重的，甚至在幾年、十幾年內(nèi)就不得不修復或重建，遠遠達不到預期使用年限的要求，已經(jīng)成為世界矚目的大問題。我國基礎設施的腐蝕破壞以沿海地區(qū)較為明顯，有些碼頭橋梁使用3~10年就要修復。而北方撒鹽除冰的危害也己經(jīng)顯露出來，如北京西直門立交橋，使用19年就因嚴重腐蝕而報廢(己經(jīng)于1999年另建新橋)；東直門橋等數(shù)座橋的“鹽害”也很明顯和嚴重，不得不作修復、加固處理[王媛俐，2001]。2/3/202323RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

1.2纜索承重橋梁的耐久性問題

纜索(拉索或吊桿)一般布置在梁體外部，且處于高應力狀態(tài)，對銹蝕等外界侵害比較敏感，主要表現(xiàn)在懸索橋鋼索的銹蝕和斜拉橋拉索的損壞。2/3/202324RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

大跨度橋梁結構中經(jīng)常使用纜索承重體系來跨越江河，主要的橋型包括各種吊桿(系桿)拱橋、斜拉橋和懸索橋等。纜索(拉索或吊桿)一般布置在梁體外部，且處于高應力狀態(tài)，對銹蝕等外界侵害比較敏感；加之當時使用的纜索防護體系不易檢查，因此，纜索和吊桿的防護與耐久性極為重要，它直接關系到橋梁的使用壽命和使用性能，是纜索承重橋梁的生命線。2/3/202325RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

自二戰(zhàn)以來，以斜拉橋的復興為標志，世界各地陸續(xù)修建了大量的大跨纜索承重橋梁結構—懸索橋與斜拉橋。至上世紀末，己發(fā)現(xiàn)懸索橋在使用十年左右后，鋼索己出現(xiàn)銹蝕；斜拉橋的拉索損壞更嚴重，國內(nèi)外不少斜拉橋的拉索甚至在使用不到十年就損壞了。2/3/202326RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

例如，美國在1903年建世界上第一座現(xiàn)代化長跨度懸索橋Williamsburg橋，由于當時技術原因和造價，沒有對鋼絲進行鍍鋅處理，而代之以亞麻油和石墨來涂覆鋼絲，建成后僅7年就發(fā)現(xiàn)鋼絲銹蝕斷裂。1922年將纜索補纏鍍鋅鋼絲，但是到了1934年，發(fā)現(xiàn)主纜內(nèi)有水從錨錠處流出；10年后，從塔頂向纜索內(nèi)注入400加侖的亞麻油，1968年又注入魚油和礦物酒清。但是所有這些措施都沒有能夠阻止銹蝕的發(fā)展。1992年，被迫進行為期3年的主纜維護工作，耗資7300萬美元。近年來先后有多座橋梁的拉索(或吊桿)因為耐久性不足而更換（見表1.2）[吳海軍，2003]。2/3/202327RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題表1.2部分纜索承重橋梁拉索或吊桿更換記錄

2/3/202328RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題表1.2（續(xù)）部分纜索承重橋梁拉索或吊桿更換記錄

廣西來賓1980.11建成,1981.09通車2/3/202329RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

1.3拱橋的耐久性問題

拱橋在我國歷史久遠、源遠流長，一直在我國橋梁中占有非常重要的地位。我國在上世紀六七十年代修建了大量的石拱橋和混凝土拱橋，特別是眾多混凝土雙曲拱橋因為嚴重的開裂問題，而不得不加固或拆除重建。而在上世紀八九十年代修建的二十余座預應力混凝土桁式組合拱橋，在平均使用不到15年的時間，因為嚴重的病害，已經(jīng)有約1/4的橋梁被炸掉或封閉棄用，另有約1/4的橋梁被嚴格限載，降級使用。2/3/202330RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題1.4鋼橋的耐久性問題

公路鋼橋運營期間的損傷形式主要有：鋼材腐蝕與劣化、活載引發(fā)的破損、疲勞和失穩(wěn)等。鋼橋大國日本對1691座鋼橋重建與改建原因的調(diào)查結果表明：道路線形改變、道路等級的提高、河道改修和交通量增加橋?qū)捥葮蛄菏褂霉δ苄詥栴}占總數(shù)的約60%，這從一個側面反映了影響橋梁使用壽命的因素的多樣性。2/3/202331RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

圖1.2日本對69座橋梁上部結構損傷形式的調(diào)查結果2/3/202332RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

鋼橋的腐蝕、劣化、疲勞損傷的影響因素較復雜，主要因素有：1)材料；2)結構構造的設計、加工工藝和施工方法；3)作用荷載；4)環(huán)境；5)橋梁的運營管理等。

2/3/202333RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題

綜上所述，當我們將精力主要放在高速建設新橋的時候，可能想象不到若干年后我們將不得不為了這些橋梁的維修、加固付出難以想象的沉重代價。從橋梁整個壽命周期的綜合社會效益和經(jīng)濟效益的角度看，以當前的橋梁建設現(xiàn)狀，每年新建橋梁越多，后期因為耐久性不足導致的維護和加固的負擔就越重，總體社會和經(jīng)濟效益就越差。這是必須認真研究解決的問題。2/3/202334RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2.1橋面鋪裝破壞

在車輛(尤其是超載、超限車輛)的長期作用下，尚未達到預期年限的橋面板經(jīng)常出現(xiàn)凸凹不平或網(wǎng)狀開裂等破壞現(xiàn)象。橋面鋪裝的過早破壞是世界范圍的難題，特別是在氣候寒冷需要采用除冰鹽消除橋面積雪的國家和地區(qū)，因為氯鹽侵蝕和凍融破壞的共同作用，橋面鋪裝壽命短、病害嚴重的情況非常普遍。2/3/202335RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2.1橋面鋪裝破壞

橋面鋪裝損壞的問題在我國也非常嚴重，不僅在早期修建的橋梁中大量存在，而且國內(nèi)近期修建的幾座特大型橋梁(如虎門大橋、廈門海滄大橋、江陰大橋等)在運營幾年后就紛紛出現(xiàn)橋面鋪裝損壞的問題。2/3/202336RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2.2橋頭跳車

橋梁運營一段時間后，普遍存在臺后填土下沉的現(xiàn)象，使橋頭跳車成為一種常見的病害。跳車產(chǎn)生的劇烈沖擊和振動降低了行車的舒適性、增加了汽車的故障率，車輛對橋臺和結構產(chǎn)生過大的沖擊力，又會使跳車現(xiàn)象更加嚴重，并影響橋梁的耐久性與使用壽命。2/3/202337RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2.3混凝土開裂

在混凝土橋梁中，梁體開裂是一種影響耐久性的較為普遍的現(xiàn)象?；炷亮芽p按開裂部位可分為：主梁頂、底板開裂，腹板開裂，齒板開裂，預應力錨固區(qū)域開裂等。按成因可分為結構裂縫和非結構裂縫。結構裂縫是指混凝土所受拉應變超過極限應變而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，它的寬度可隨著荷載的變化而變化。非結構裂縫一般是指由于變形受到約束而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。

2/3/202338RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

混凝土結構中非結構裂縫產(chǎn)生的主要原因一般有：l)構造處理不當造成的混凝土裂縫；2)混凝土的干縮引起的裂縫；3)由于堿—骨料反應(AAR)引起的裂縫；4)由于外界溫度變化引起的裂縫；5)由于鋼筋銹蝕引起的裂縫；6)由于荷載作用引起的裂縫；7)太陽輻射、混凝土老化、徐變及疲勞作用引起的裂縫。

2/3/202339RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

由于其成因不同，對結構的耐久性影響也不同。第l)種裂縫，由于其深度通常較淺，對耐久性的影響是可以忽略的；第3)種裂縫，在正常結構中是不允許的，屬于特殊問題；第5)種裂縫的出現(xiàn)往往意味著結構混凝土耐久性失效；第2)、4)、6)和7)類裂縫對結構耐久性的影響一般容易被忽視?；炷亮芽p對結構耐久性產(chǎn)生影響主要是因為裂縫增大了混凝土的滲透性，使空氣中的有害氣體或物質(zhì)容易滲入混凝土內(nèi)，致使鋼筋鈍化膜較早破壞而產(chǎn)生銹蝕。2/3/202340RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象2.4鋼筋銹蝕

受力鋼筋的銹蝕將導致其有效截面的下降；銹蝕后鋼筋的體積膨脹又會導致混凝土開裂或表面混凝土成塊脫落，從而削弱構件整個截面的面積；隨著鋼筋銹蝕程度的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結力減小、共同作用受到損害，從而引起構件承載力下降?；炷灵_裂后又使原來處于混凝土保護層下的鋼筋暴露于空氣中，加快了鋼筋銹蝕的速度，造成惡性循環(huán)。引起鋼筋銹蝕的兩個主要原因是混凝土的碳化及氯離子的侵蝕。2/3/202341RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象(l)碳化[15]

影響結構耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一個重要的因素。通常情況下，早期混凝土具有很高的堿性，其pH值一般大于12.5，在這樣高的堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使得鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當有二氧化碳和水汽從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時，與混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和，會導致混凝土的pH值降低。

2/3/202342RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

當混凝土完全碳化后，就出現(xiàn)pH9的情況，在這種環(huán)境下，混凝土中埋置的鋼筋表面鈍化膜被逐漸破壞，在其他條件具備的情況下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕又將導致混凝土保護層開裂、鋼筋與混凝土之間粘結力破壞、鋼筋受力截面減少、結構耐久性能降低等一系列不良后果。2/3/202343RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

混凝土的碳化機理：混凝土的基本組成成分是水泥、水、砂和石子，其中的水泥與水發(fā)生水化反應，生成的水化物自身具有強度(稱為水泥石)，同時將散粒狀的砂和石子粘結起來，成為一個堅硬的整體。在混凝土的硬化過程中，約占水泥用量的三分之一將生成氫氧化鈣[Ca(OH)2]，此氫氧化鈣在硬化水泥漿體中結晶，或者在其空隙中以飽和水溶液的形式存在。因為氫氧化鈣的飽和水溶液是pH值為12.6的堿性物質(zhì)，所以新鮮的混凝土呈堿性。2/3/202344RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

然而，大氣中的二氧化碳卻時刻在向混凝土的內(nèi)部擴散，與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生作用，生成碳酸鹽物質(zhì)，從而使水泥石原有的強堿性降低，pH值下降到8.5左右，這種現(xiàn)象就稱為混凝土的碳化（中性化）。這是混凝土中性化最常見的一種形式。2/3/202345RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象混凝土碳化的主要化學反應式為：CO2+H2O→H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O2/3/202346RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

影響混凝土碳化的因素：混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應這樣一個復雜的物理化學過程。研究表明，混凝土的碳化速度取決于CO2氣體的擴散速度及CO2與混凝土成分的反應性。而CO2氣體的擴散速度又受混凝土本身的組織密實性、CO2氣體的濃度、環(huán)境濕度、試件的含水率等因素的影響。2/3/202347RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象所以碳化反應受混凝土內(nèi)孔溶液的組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素的影響。這些影響因素可歸結為與混凝土自身相關的內(nèi)部因素和與環(huán)境相關的外界因素。對于服役結構物來說，由于其內(nèi)部因素已經(jīng)確定，因此影響其碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的濃度、環(huán)境溫度和濕度。2/3/202348RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象快速碳化試驗表明，CO2的濃度越高，且壓力越大，碳化深度越大，因為高濃度，高壓力的CO2氣體能較快地向混凝土內(nèi)部擴散，使碳化反應迅速進行。因此，在城市交通繁忙路段處的結構物或CO2濃度較高的工業(yè)廠房往往碳化現(xiàn)象較嚴重。另外，碳化較易發(fā)生在潮濕的環(huán)境中，尤其是干濕交替的環(huán)境，因此南方的建筑物容易產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，且隨著溫度的升高，混凝土的碳化加速。2/3/202349RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

(2)氯離子的侵入

混凝土中的高堿性溶液對鋼筋起保護作用，而氯離子會通過擴散和毛細作用進入混凝土內(nèi)，當溶入混凝土中的氯鹽含量達到混凝土重量的0.1%~0.2%時，鋼筋開始銹蝕；當氯鹽含量超過1%后，鋼筋的銹蝕面積將急速增加。2/3/202350RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

氯離子導致鋼筋腐蝕需要有以下條件：l)鋼筋表面鈍化膜被破壞；2)有充足的氧的供應；3)有適宜的濕度。大量的工程實踐表明：干燥環(huán)境下的鋼筋不易腐蝕，潮濕或干濕交替環(huán)境下腐蝕發(fā)展較快，而長期處于海水下的結構，雖然氯離子濃度很大，但由于缺氧也不易腐蝕。2/3/202351RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

2.5橋梁附屬設施的病害

包括伸縮縫和支座等的病害。(l)伸縮縫伸縮縫設置在梁端相對薄弱的部位，受橋面溫度變化的影響和車輛荷載的作用頻繁地伸縮變形，極易損壞。伸縮縫損壞后，不僅影響行車的舒適性，而且可能造成水的下滲，進而導致橋梁主體結構和支座的腐蝕及老化。2/3/202352RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU橋梁結構常見耐久性病害現(xiàn)象

(2)支座活動支座應能保證上部主梁結構的自由變形(轉(zhuǎn)動或移動等)。當有異物填充，或鋼板支座銹蝕、螺母松動或螺栓脫落及橡膠支座出現(xiàn)老化時，上部主梁結構可能會喪失自由伸縮的能力，導致應力重新分布，可能引起開裂等病害。2/3/202353RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

3引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析3.1設計方面的因素[1]

很多橋梁病害與施工質(zhì)量低劣有關，但在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設計中還有許多可以改進的地方。許多設計人員往往只滿足于規(guī)范對結構強度計算上的安全度需要，而忽視從結構體系、結構構造、材料、結構維護以及從設計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性、耐久性。設計方面的問題從大的方面可以簡單地歸納為：2/3/202354RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

(l)設計標準低

我國公路橋梁荷載標準是經(jīng)過多次修改逐步提高的，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，既有橋梁的荷載標準不能滿足當前汽車荷載標準的要求，由此可能導致橋梁耐久性加速劣化，這種情況在世界各國都普遍存在。此外，長期以來，由于經(jīng)濟及社會條件的限制，我國規(guī)范在橋梁性能及構造細節(jié)設計方面的要求一直較低，也在客觀上影響了橋梁的耐久性。2/3/202355RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

(2)結構與構造細節(jié)不合理

在國內(nèi)橋梁總體設計方案的比選過程中，一般由地質(zhì)條件、施工方法、經(jīng)濟指標等因素來決定方案的取舍，而很少從耐久性的角度來進行分析和評價。例如采用預應力結構或鋼筋混凝土結構，簡支或連續(xù)，T型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結構與構造問題，不但影響經(jīng)濟性，對橋梁的耐久性能也有很大影響；評價指標的缺失，可能導致中選方案的結構耐久性能不足，為運營后橋梁出現(xiàn)病害埋下了病根。有的結構整體性和延性不足，冗余性??；有的計算圖式和受力路徑不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過?。贿@些都會削弱結構耐久性，增加橋梁的病害。2/3/202356RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

吳海軍總結的混凝土橋梁耐久性設計原則與構造措施[10]：

1)力線平滑、應力均勻流暢的原則；2)結構應保證整體性、連續(xù)性和冗余性；3)結構應具有可檢性、可修性和可替換性；4)結構應具有良好的防水能力；5)結構設計應保證可施工性。2/3/202357RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

(3)計算的因素

l)在橋梁設計和計算過程中，未充分考慮混凝土徐變、收縮及溫度應力等非荷載因素的影響；2)在進行結構有限元分析時，過度強調(diào)局部性單元劃分的精細化，對結構邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問題認識不夠；3)就施工方法、施工順序和施工荷載對結構成橋性能的影響重視不夠；4)在構件的特殊部位，如構件的角隅處、預應力鋼筋的錨固處，在局部應力傳遞與分布的影響下，會出現(xiàn)應力突變，由于計算手段和理論的局限，往往出現(xiàn)構造配筋布置不足或不當?shù)膯栴}。2/3/202358RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

3.2施工和管理的因素[1](l)施工質(zhì)量低

大量的橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化。特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題，這與施工質(zhì)量低下有重要關系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構件開裂問題。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，但卻會對結構的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。2/3/202359RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

主要問題有：

l)材料質(zhì)量控制的問題；2)預應力材料防護問題；3)壓漿不及時或操作不合理；4)張拉力不足，張拉程序不合理；5)錨頭防護不夠；6)施工縫處理不當?shù)取?/3/202360RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析(2)管理制度欠完善

l)只注重建設初期的成本，而忽視橋梁從規(guī)劃、建設到運營、破壞整個壽命周期的總體成本。國內(nèi)橋梁工程招投標中經(jīng)常是報價越低，得分越高，中標的希望越大。

2)對工期的不合理要求。

3)工程移交方式不夠合理。2/3/202361RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析3.3使用的因素(l)汽車超載運行[1]

汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設計預期；其三是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設計荷載的變化和交通量的增加所導致；后者是車輛使用者違法超載營運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路交通運輸中較為普遍。2/3/202362RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

一方面，橋梁的超載使用可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇，甚至會出現(xiàn)一些由超載引發(fā)的結構破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復，將使橋梁在此后正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。

2/3/202363RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析

例如，預應力混凝土橋梁一直被認為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于結構內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構件的開裂彎矩降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結構產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫或產(chǎn)生較大的變形[吳海軍，2002]。這些都會對結構長期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響。因此，除了交管部門要加強管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。2/3/202364RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU引起橋梁結構耐久性病害的因素及分析(2)其他因素

其他對橋梁造成的危害的因素包括風雨侵襲及自然環(huán)境作用、受到意外強烈沖擊、溫度的變化導致的內(nèi)力及應力重分布、地震、洪水等自然災害等；又如橋上車輛擁堵使得擁堵車輛荷載效應大于設計車輛活載效應，從而影響橋梁的安全性和耐久性[2]；北方城市橋梁除冰鹽對橋梁耐久性產(chǎn)生不利影響[3]。橋梁的耐久性病害和原因并不完全是一一對應的，往往一個因素是誘發(fā)病害的主要起因，其他因素則加速或促進病害的發(fā)展。2/3/202365RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU提高結構耐久性的措施4提高結構耐久性的措施[4]4.1提高設計質(zhì)量設計規(guī)范明確規(guī)定進行耐久性設計。貫徹全壽命設計思想。4.2建立橋梁工程耐久性評估體系橋梁工程使用年限較長，耐久性的好壞難以在短期內(nèi)鑒定，并且難以以單一的、精確的指標鑒定。2/3/202366RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU提高結構耐久性的措施4.3建立橋梁資料庫并將橋梁的監(jiān)測與維護制度化

要確保結構的正常使用，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，必須建立定期監(jiān)測的制度，及時發(fā)現(xiàn)問題，以便及時維修與加固。4.4進一步加強提高耐久性方面的技術研究并積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果

一方面是材料的研究，另一方面是關于設計理念的研究。[4]4.5從材料方面提高[12]

控制材料品質(zhì)、使用高性能材料、不銹鋼材料、防護涂層材料、環(huán)氧樹脂包裹材料等。2/3/202367RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5耐久性設計方法

總體說來橋梁結構耐久性設計分為耐久性材料設計、耐久性計算和驗算、結構外觀和構造措施三個部分：

1、耐久性材料設計就是基于材料耐久性退化機理，對橋梁建設中采用的材料提出質(zhì)量和施工要求，比如高強混凝土、防滲混凝土、混凝土外加劑、防銹鋼筋的設計和混合料的品質(zhì)要求等。2/3/202368RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

2、耐久性設計和驗算就是在現(xiàn)行規(guī)范的設計計算和驗算中考慮耐久性影響系數(shù)η，η表征結構抗力隨時間衰減變化的規(guī)律，是時間的函數(shù)。利用它在橋梁設計基準期內(nèi)預測結構承載能力的變化規(guī)律，進而對橋梁整個壽命期的“健康狀況”做到適時控制。2/3/202369RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法計算公式例子2/3/202370RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法計算公式例子2/3/202371RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

3、橋梁外觀和構造措施是指橋梁設計要注意橋梁結構與自然地理環(huán)境條件相和諧、結構內(nèi)部避免出現(xiàn)不利于橋梁耐久性的構造。外觀包括：對于各種地形條件橋梁跨徑的布置和結構形式的選擇，人的生產(chǎn)生活與橋梁的相互影響，以及遠期各種環(huán)境條件的變化與橋梁的相互影響等等；構造措施包括：橋梁結構構造應避免計算出現(xiàn)不利于耐久的內(nèi)力、變形，在荷載作用下傳力路徑簡潔明確、均勻平滑，杜絕應力應變集中和突變、局部集中裂縫等。[11]2/3/202372RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

2/3/202373RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

5.1全面的耐久性設計方法[1]

5.1.1基于使用壽命及材料性能退化的耐久性設計方法

基于使用壽命及材料性能退化的理論計算方法是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)的定量的耐久性設計方法，通過調(diào)整保護層厚度、鋼筋數(shù)量、混凝土強度等耐久性設計參數(shù)可以使橋梁結構的耐久性壽命滿足設計要求。對于混凝土橋梁可以采用的耐久性措施包括：采用耐久性能優(yōu)良的原材料，如水泥、砂及碎石；采用抗腐蝕和抗銹蝕性能良好的鋼材，如采用不銹鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋或采用FRP筋等新型復合材料；優(yōu)化混凝土的配合比，減小水灰比、減少孔隙率，提高混凝土的密實性，增強混凝土抵抗外界有害物質(zhì)侵蝕的能力。2/3/202374RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

5.1.2基于橋梁結構構造與細節(jié)的耐久性設計方法

除了滿足基于使用壽命的設計計算和規(guī)范建議的措施外，在結構構造上需要滿足：結構體系設計應簡潔、結構型式應統(tǒng)一諧調(diào)，結構應具有良好的整體性、強健性和冗余性，結構力線的傳遞要均勻，應充分做好結構的防水問題，構造細節(jié)應充分考慮到后期檢查、維護和更換的需要。這是保證壽命期良好耐久性的必要前提，也是橋梁全壽命經(jīng)濟性的可靠保證。

2/3/202375RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

具體地，在設計階段可從下面幾個方面具體衡量橋梁構造的耐久性能的優(yōu)劣：

l)在荷載作用下，結構應傳力明確、傳力路徑較短；2)力線平滑、應力均勻流暢；3)結構的整體性、連續(xù)性和冗余性；4)結構應具有可檢性、可修性和可替換性；5)結構應具有良好的防水能力；6)結構設計應保證可施工性，從而易于保證施工質(zhì)量。2/3/202376RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

5.1.3確保耐久性的施工質(zhì)量控制要求

施工是實現(xiàn)設計目標的關鍵步驟，良好的施工質(zhì)量是保證橋梁結構耐久性的關鍵因素。以耐久性能為目標的施工質(zhì)量要求肯定不同于目前以承載能力為目標的控制要求，因此，確定施工質(zhì)量控制標準也是耐久性設計的重要環(huán)節(jié)。2/3/202377RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5.1.4基于耐久性及經(jīng)濟性的橋梁維護、管理策略

結構的維修、加固時機和方案不但影響橋梁的耐久性和安全性，還將直接影響全壽命的經(jīng)濟性，因此維修決策將不能簡單地依靠經(jīng)驗來確定，必須根據(jù)各種方案的不同效果（性能與耐久性）、經(jīng)濟性（加固的直接成本與交通擾動等的間接成本之和）來進行優(yōu)化，從中選擇最優(yōu)的時機和方案。因此，基于耐久性和經(jīng)濟性的橋梁維護、管理策略與方案也是需要在耐久性設計階段考慮和明確的重要內(nèi)容。2/3/202378RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法橋梁維護、管理對結構性能影響的圖示

2/3/202379RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5.1.5基于全壽命成本分析耐久性設計評估與優(yōu)化

基于全壽命成本的經(jīng)濟性分析方法是評價和選擇耐久性設計方案及進行橋梁維護管理策略優(yōu)化的有力工具。在設計階段就應綜合考慮建設、運營、維護、管理等橋梁壽命全過程的費用。從全壽命經(jīng)濟性的觀點規(guī)劃橋梁耐久性設計、施工、維護管理等環(huán)節(jié)的具體方案。2/3/202380RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

目前的常規(guī)橋梁設計過程主要考慮初始建設費用，而很少考慮運營、維護、管理等費用，難于對橋梁耐久性設計方案作出評估；它是通過承載能力驗算及建設成本比較來滿足既安全、又經(jīng)濟的要求；而橋梁耐久性設計是涉及全壽命使用周期的問題，相應地，可以通過耐久能力設計驗算及全壽命經(jīng)濟性的比較與優(yōu)化來滿足既安全耐久又經(jīng)濟的目標。

2/3/202381RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

5.2橋梁全壽命設計[6,13]5.2.1概念

為尋求全壽命周期內(nèi)橋梁的人文、生態(tài)、環(huán)境、技術、功能和經(jīng)濟效益等綜合最優(yōu)，對結構、材料、耐久性、美學、環(huán)保、施工、管養(yǎng)以及全壽命成本等進行綜合設計的方法[6]。2/3/202382RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5.2.2設計的主要內(nèi)容(1)橋梁整體及各可更換部件的設計壽命的確定。(2)性能設計。結構體系和部件的功能設計及其未來可能的靈活性設計；為滿足橋梁安全性能的要求，需進行強度、穩(wěn)定性等結構設計；為滿足橋梁耐久性能的要求，需進行耐久性設計；進行行車安全性分析和設計，以滿足使用者對出行安全的要求；風險分析和對策設計，使橋梁在遭遇一定概率的風險事件后，不造成較大經(jīng)濟損失和人員傷亡，明確工程保險成本。2/3/202383RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法(3)美學設計。包括造型設計和景觀設計，以滿足人們對橋梁美學和景觀欣賞的需求。(4)生態(tài)設計。包括環(huán)境保護設計、回收與再利用設計。(5)施工過程控制設計，以確保良好施工質(zhì)量并忠實地表達設計成果。(6)橋梁的管理、養(yǎng)護設計。包括橋梁運營期內(nèi)的監(jiān)測、養(yǎng)護、維修、管理等，使橋梁在使用壽命期內(nèi)始終保持良好性能，滿足使用功能的要求。2/3/202384RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

(7)全壽命周期成本分析是進行橋梁全壽命設計不可缺少的內(nèi)容之一。要選擇最優(yōu)的設計方案，必須進行全壽命周期成本分析，對整個壽命周期內(nèi)發(fā)生的所有成本(包括財務成本和環(huán)境成本)進行比較，在平衡各種需求的前提下，選擇全壽命周期成本較低的方案。2/3/202385RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

5.2.3橋梁工程全壽命設計的階段劃分[6]

橋梁工程全壽命設計從投資規(guī)劃開始，可分為工程可行性研究、初步設計和施工圖設計3個階段。分別如圖5.1~圖5.3所示。2/3/202386RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

圖5.1工程可行性研究流程圖2/3/202387RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

圖5.2初步設計階段流程圖2/3/202388RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法

圖5.3施工圖設計階段流程圖2/3/202389RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5.2.4吳海軍提出的基于使用壽命設計和全壽命經(jīng)濟性控制的耐久性設計方法給出了耐久性設計的主要步驟[7]：⑴確定目標使用壽命和設計使用壽命；⑵環(huán)境效應分析；⑶劣化因素和機理的確定；⑷選擇耐久性模型；⑸耐久性參數(shù)的計算；⑹對常規(guī)力學方法的計算進行修正；⑺耐久性參數(shù)應用到最終設計。2/3/202390RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法全面的橋梁結構耐久性設計方法框架2/3/202391RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5.2.5邵旭東等提出基于壽命周期成本(Life-CycleCost，簡稱LCC)的設計方法[8]

該方法是以橋梁服務水平為基礎，壽命周期成本總和現(xiàn)值最小為目標的設計方法。它是以最小的全壽命投入獲取最優(yōu)的橋梁長期服務水平這一性能為目標的新設計方法。該方法的核心是在設計階段便考慮橋梁建成后的養(yǎng)護、維護和管理問題，綜合評估橋梁建造成本、用戶成本和社會成本，力求達到總體資源消耗最小為目的。橋梁全壽命設計流程如圖5.4所示。2/3/202392RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法圖5.4橋梁全壽命設計流程2/3/202393RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法橋梁生命周期成本構成2/3/202394RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法橋梁生命周期成本分析流程2/3/202395RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU耐久性設計方法5.2.6馬軍海和陳艾榮等提出的橋梁全壽命設計總體框架