基于性能的混凝土橋梁全壽命養(yǎng)護(hù)策略方法研究

項(xiàng)貽強(qiáng)，吳強(qiáng)強(qiáng)

(浙江大學(xué) 土木工程系，浙江杭州310058)

0 引言

混凝土橋梁廣泛應(yīng)用于公路和城市橋梁中，主要的橋型有梁式橋，拱式橋及斜拉橋。梁式橋結(jié)構(gòu)主要受彎，有鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土，鋼筋混凝土梁橋的跨徑在20 m左右，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的跨徑簡(jiǎn)支可達(dá)50 m左右，連續(xù)梁可達(dá)300 m左右。拱式橋的承重構(gòu)件主要是主拱圈，以受壓為主，可以充分用抗壓性能較好的材料來(lái)修建，如早期的磚石及混凝土等圬工材料，隨著橋梁跨越能力的要求逐漸提高及施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，拱橋的建造型式呈多樣化發(fā)展。按照修建拱橋的材料不同一般可分為混凝土拱橋、鋼拱橋及鋼管混凝土拱橋;按照結(jié)構(gòu)的組合方式分有簡(jiǎn)單體系拱橋和梁拱組合體系拱橋，簡(jiǎn)單體系拱橋又可以進(jìn)一步分成三鉸拱橋、兩鉸拱橋、無(wú)鉸拱橋3種。組合體系拱橋是將梁和拱兩種基本結(jié)構(gòu)組合起來(lái)，共同承受橋面荷載和水平推力，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)特性及其組合作用，達(dá)到節(jié)省材料的目的，一般可劃分為有推力的和無(wú)推力的兩種類型。按照行車道的位置可分為上承式、中承式和下承式。這些拱橋中有相當(dāng)一部分拱橋由鋼筋混凝土材料所建，同時(shí)按照跨徑、受力不同和經(jīng)濟(jì)性的要求，取不同的主拱圈截面型式。對(duì)小于30 m的中小跨徑，拱的偏離彎矩較小，以軸壓為主，可采用混凝土或鋼筋混凝土板拱橋。隨著跨徑的進(jìn)一步增加、拱的偏離彎矩逐漸加大，導(dǎo)致主拱在偏壓荷載下，受拉側(cè)的混凝土容易開(kāi)裂，因而一般將截面設(shè)計(jì)為若干肋拱式。其間用橫向聯(lián)系加強(qiáng)的主拱肋拱截?面型式，一方面可以減輕結(jié)構(gòu)自重，另一方面較高的拱肋高度及上下緣的配筋可以有效抵抗結(jié)構(gòu)的偏心彎矩。當(dāng)結(jié)構(gòu)的跨徑在80～300 m時(shí)，為進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)抵抗偏離彎矩的能力、增加橋梁的抗扭及橫向聯(lián)系，目前工程界對(duì)主拱圈的做法主要采用箱型截面、鋼管勁性骨架箱拱結(jié)構(gòu)及空間桁架的鋼管混凝土拱橋。

混凝土斜拉橋有雙塔、獨(dú)塔及多塔。獨(dú)塔混凝土斜拉橋的跨徑一般在100～200 m，雙塔混凝土斜拉橋的跨徑一般200～500 m。

傳統(tǒng)的橋梁的設(shè)計(jì)和施工，主要考慮結(jié)構(gòu)早期的安全性及適用性，對(duì)混凝土及橋梁的施工只注重各個(gè)環(huán)節(jié)混凝土質(zhì)量和品質(zhì)控制，而不注重耐久性，致使早期建設(shè)的混凝土橋梁，在各種環(huán)境和荷載等因素的交互影響下，隨時(shí)間推移出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、剝落、鋼筋銹蝕等病害，其性能將逐漸退化，抗力降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗力低于實(shí)際荷載產(chǎn)生的效應(yīng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)倒塌等事故，危及交通的安全和暢通。浙江、江蘇、福建、廣東等地區(qū)為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，地處沿海，氣候溫濕，公路橋梁的交通量大，以前修建的很多橋梁結(jié)構(gòu)為混凝土橋梁，長(zhǎng)年處于復(fù)雜荷載及水氣、氯離子等侵害的腐蝕性環(huán)境，混凝土橋梁的性能退化及病害十分突出。

1 混凝土橋梁耐久性相關(guān)問(wèn)題及在中國(guó)研究的進(jìn)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕損失一般約占國(guó)民生產(chǎn)總值的2%～4%。美國(guó)于2002年發(fā)布的該國(guó)第7次腐蝕損失調(diào)查結(jié)果表明，1999—2001年間，美國(guó)每年的直接腐蝕損失是2 760億美元，約占其 GDP的3.1%。我國(guó)2008年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值超過(guò)3×106億元，如按腐蝕損失約占GDP的3.1%計(jì)算，2008年我國(guó)因腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)9×103億元人民幣。但如果腐蝕研究和防護(hù)工作做得好，其中25%～40%的腐蝕損失是完全可以避免的，可見(jiàn)大力開(kāi)展結(jié)構(gòu)材料的腐蝕與防護(hù)研究工作意義重大。

根據(jù)美國(guó)截至2011年底對(duì)其橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷和功能老化按材料分類統(tǒng)計(jì)的結(jié)果［1-2］，從材料形式，混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷占其總數(shù)為10.8%，功能老化占其總數(shù)為20.2%，即缺陷或功能老化數(shù)占其總數(shù)為31%左右，說(shuō)明混凝土橋梁結(jié)構(gòu)缺陷或功能老化的問(wèn)題非常突出。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，截至2010年，我國(guó)的橋梁數(shù)目為65.8萬(wàn)座，超過(guò)美國(guó)約62萬(wàn)座的數(shù)目，成為世界上擁有橋梁數(shù)目最多的國(guó)家。與此同時(shí)，我國(guó)約有10萬(wàn)座(占15%)的橋梁存在著不同程度的缺陷，危橋數(shù)目大于1萬(wàn)座，有些甚至出現(xiàn)了坍塌的危險(xiǎn)。

對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［3-5］，可得我國(guó)近10年來(lái)橋梁倒塌數(shù)的數(shù)據(jù)，如表1。

表1 2002—2011年底我國(guó)每年橋梁倒塌數(shù)Table 1 Annually collapsed bridge number in China from 2002 to 2011

20世紀(jì)80年代以來(lái)我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，標(biāo)準(zhǔn)低，加之有些技術(shù)上的認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)提前出現(xiàn)了耐久性及承載力不足，急需進(jìn)行維修改造。

在20世紀(jì)90年代，牛荻濤、惠云玲等注意到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)始對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕、銹蝕對(duì)構(gòu)件的影響、銹蝕的耐久性評(píng)估、損傷、混凝土碳化等機(jī)理進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，并對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)等展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。2003年，牛荻濤對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)作了總結(jié)［6］;金偉良在耐久性方面展開(kāi)了近10多年的研究［7］。對(duì)混凝土耐久性及橋梁結(jié)構(gòu)的影響和剩余使用壽命預(yù)測(cè)的研究則是在最近7～8年才開(kāi)始在中國(guó)橋梁界得到重視和開(kāi)展。

目前，對(duì)于鋼筋混凝土在環(huán)境作用下的碳化、鋼筋銹蝕、氯離子滲透、堿骨料反應(yīng)等劣化規(guī)律和機(jī)理研究已相對(duì)成熟，并在結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方面得到了應(yīng)用。但對(duì)于這些劣化規(guī)律對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力的影響研究則相對(duì)較少，而且很不成熟，尤其是環(huán)境和荷載的耦合作用機(jī)理更是復(fù)雜。為此，浙江大學(xué)在近幾年連續(xù)展開(kāi)了相關(guān)的研究，總結(jié)提出了混凝土橋梁剩余使用壽命的預(yù)測(cè)模型，包括基于混凝土耐久性失效的壽命預(yù)測(cè)模型、基于可靠度的壽命預(yù)測(cè)模型及基于全壽命周期成本的壽命預(yù)測(cè)模型［8］;對(duì)銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行有限元模擬分析［9］，鑒于氯離子擴(kuò)散控制方程與瞬態(tài)熱傳導(dǎo)控制方程的相似性，根據(jù)傳統(tǒng)的Fick定律和已有的氯鹽環(huán)境下鋼筋非均勻銹脹模型以及熱彈性力學(xué)理論，提出了鋼筋混凝土銹脹開(kāi)裂模擬的熱力耦合方法。

2010年，綜合考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)隨效應(yīng)、混凝土自身缺陷對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的影響，對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的多因素模型進(jìn)行了修正和應(yīng)用，給出了基于概率性能和基于時(shí)變可靠度的混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)方法［10］。

2012年，以浙江沿海地區(qū)的在役混凝土橋梁為背景，分析了現(xiàn)有3個(gè)預(yù)測(cè)混凝土碳化深度模型的異同點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行分析預(yù)測(cè)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，給出了該地區(qū)典型橋梁構(gòu)件的碳化壽命預(yù)估值，同時(shí)通過(guò)在模型3中引入水灰比影響系數(shù)，提出了修正模型3。結(jié)果表明，在沿海地區(qū)，修正模型3在碳化壽命預(yù)測(cè)上更符合實(shí)際情況［11］。

2011年，通過(guò)引入銹蝕產(chǎn)物質(zhì)量相等的條件假定，研究推導(dǎo)了鋼筋均勻銹脹和非均勻銹脹兩種鋼筋銹脹模型下鋼筋徑向銹脹位移-時(shí)間曲線，將銹脹位移作為強(qiáng)制位移作用于鋼筋表面的混凝土節(jié)點(diǎn)，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)一步提出，并模擬分析了銹蝕鋼筋混凝土的開(kāi)裂過(guò)程［12］。

通過(guò)比較分析國(guó)內(nèi)外氯離子擴(kuò)散模型及鋼筋銹蝕模型，提出了考慮荷載和氯離子結(jié)合能力兩種因素的混凝土氯離子擴(kuò)散模型和鋼筋銹蝕模型，并借助于國(guó)內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及沿海地區(qū)的某鋼筋混凝土橋梁為背景，對(duì)提出的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，與傳統(tǒng)的僅考慮這些單一因素影響的模型相比，所提出的的氯離子擴(kuò)散修正模型及鋼筋銹蝕模型更趨合理［13-14］。

在箱梁橋施工中底板開(kāi)裂機(jī)理及防護(hù)措施的研究方面，針對(duì)實(shí)際的箱梁橋施工步驟，采用非線性的分析方法模擬了隨著預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉箱梁底板裂縫的發(fā)展。通過(guò)數(shù)值與理論分析得到了開(kāi)裂模式，得出底板裂縫產(chǎn)生的原因是預(yù)應(yīng)力管道削弱了底板的抗剪強(qiáng)度?；跀?shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，歸納得出4種類型的箱梁底板裂縫，并提出了控制裂縫的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法［15］。

綜上研究，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在環(huán)境及荷載作用下，存在混凝土碳化、氯離子滲透、鋼筋銹蝕，保護(hù)層銹脹裂縫、混凝土剝落等耐久性問(wèn)題，并嚴(yán)重影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。以往對(duì)橋梁的檢查養(yǎng)護(hù)，主要靠現(xiàn)場(chǎng)工程師的直覺(jué)判斷及簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)評(píng)估，缺乏對(duì)其材料劣化、基于各種性能的橋梁結(jié)構(gòu)全壽命的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)分析評(píng)估，更無(wú)法從全壽命的角度，分析提出基于性能的養(yǎng)護(hù)策略及方法。因此，如何對(duì)鋼筋混凝土橋梁在全壽命的性能退化規(guī)律進(jìn)行有效分析，預(yù)測(cè)其強(qiáng)度及剩余使用壽命，提出基于性能的技術(shù)維護(hù)策略，充分發(fā)揮在役橋梁的作用，提高混凝土橋梁工程的建養(yǎng)技術(shù)，是一個(gè)涉及經(jīng)濟(jì)環(huán)保及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，具有重大的學(xué)術(shù)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的課題。

2 全壽命結(jié)構(gòu)性能與性能水準(zhǔn)要求

橋梁的全壽命指的是從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管養(yǎng)、拆除或回收再利用的全過(guò)程，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期內(nèi)總體性能(功能、成本、人文、環(huán)境等)最優(yōu)的設(shè)計(jì)。它具有3個(gè)特點(diǎn)：①全局性。即從全面的、聯(lián)系的和發(fā)展的觀點(diǎn)，不再是從某一階段或某一個(gè)部門(mén)的角度出發(fā)，更多地關(guān)注橋梁全壽命周期內(nèi)的各種影響因素，綜合平衡橋梁各種性能需求，追求橋梁設(shè)計(jì)作品整體的最大效應(yīng)。②創(chuàng)新性。體現(xiàn)了橋梁工程師從無(wú)到有、從定性到定量的創(chuàng)新過(guò)程。③多目標(biāo)性。過(guò)程涵蓋了總體概念、景觀造型、生態(tài)環(huán)境、結(jié)構(gòu)性能、養(yǎng)護(hù)管理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、全壽命成本等一系列設(shè)計(jì)活動(dòng)。

2.1 橋梁的性能

2.1.1 橋梁的安全性能

安全性能是結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)營(yíng)承載、確保交通安全暢通的關(guān)鍵，主要涉及橋梁結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)營(yíng)期間各種預(yù)期荷載作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要將空間的橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，采用平面桿系的線性分析方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這對(duì)于較窄的橋梁，其分析結(jié)果與實(shí)際較為符合。但隨著橋梁寬度的增加，其空間效應(yīng)非常明顯，平面桿系的線性分析方法漸漸暴露其局限性，有必要采用更為合理的空間設(shè)計(jì)分析方法，如三維數(shù)值分析的有限元;對(duì)于某些大跨橋梁，在引入空間分析方法的同時(shí)，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)的分析等，如結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、大位移及非線性問(wèn)題。

2.1.2 橋梁的適用性能

即分析解決橋梁在設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)要有足夠的橋面寬度滿足未來(lái)的交通流量、在通過(guò)設(shè)計(jì)荷載時(shí)不出現(xiàn)過(guò)大的變形和過(guò)寬的裂縫、同時(shí)要利于橋下的泄洪、通航(跨河橋)或車輛等，條件許可方便各種管線(水、電、氣、通訊等)的搭載，為此首先要進(jìn)行橋梁的用途和功能需求分析，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

混凝土橋梁的突出問(wèn)題就是開(kāi)裂問(wèn)題，開(kāi)裂有混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的收縮裂縫，及使用過(guò)程中因荷載、溫度作用、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻沉降等引起的裂縫，這就要求工程師們研究橋梁實(shí)際所承受的車輛的密度、荷載軸重的分布、結(jié)構(gòu)可能的不均勻沉降、溫度等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)要對(duì)有關(guān)的施工工藝、混凝土配合比等進(jìn)行優(yōu)化和控制。在分析設(shè)計(jì)方法上，應(yīng)采用更為精確的符合橋梁施工工況及考慮相關(guān)因素影響的計(jì)算圖示及空間分析方法，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其受力狀況及可能存在的應(yīng)力和撓度過(guò)大的問(wèn)題。

2.1.3 橋梁的耐久性能

混凝土橋梁耐久性的突出問(wèn)題是前些年設(shè)計(jì)施工的混凝土保護(hù)層厚度偏薄、抗?jié)B透能力差、鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)不均勻沉降、混凝土碳化，對(duì)沿海浪濺區(qū)的混凝土橋梁，這些問(wèn)題更為嚴(yán)重。一般影響混凝土橋梁耐久性的因素有混凝土材料的自身特性、橋梁的設(shè)計(jì)、細(xì)部構(gòu)造與施工質(zhì)量、橋梁所處的環(huán)境條件、橋梁的使用條件和防護(hù)措施等。2.1.4 橋梁的可持續(xù)性(或經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性)

橋梁的可持續(xù)性要求橋梁在完成預(yù)定功能和設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)，其工程建設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用最低，同時(shí)還應(yīng)對(duì)環(huán)境影響小，利于環(huán)保及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

以上4個(gè)性能分別對(duì)應(yīng)4種極限狀態(tài)：①承載能力極限狀態(tài)。直接根據(jù)作用是否危及公路橋梁結(jié)構(gòu)的安全來(lái)判斷;②正常使用極限狀態(tài)。根據(jù)使用功能如行車的影響來(lái)判斷;③耐久性極限狀態(tài)。根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的耐久性準(zhǔn)則及對(duì)使用的影響來(lái)判斷;④可修復(fù)極限狀態(tài)。不但要考慮結(jié)構(gòu)在偶然作用下的劣化和損壞程度，還要根據(jù)將降低的安全性和適用性恢復(fù)到要求的水平進(jìn)行維修或修復(fù)的難易程度來(lái)判斷，應(yīng)分別針對(duì)不同的評(píng)價(jià)對(duì)象規(guī)定不同的容許狀態(tài)。

與傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)(或加固設(shè)計(jì))相比，橋梁全壽命性能設(shè)計(jì)(或加固維護(hù)設(shè)計(jì))在工作中將橋梁設(shè)計(jì)范圍從建設(shè)期(或從加固維護(hù)開(kāi)始)拓展到整個(gè)壽命周期，增加了以往未考慮的內(nèi)容，具體包括耐久性設(shè)計(jì)、管養(yǎng)設(shè)計(jì)、拆除、回收再利用設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和保險(xiǎn)策略，以及全壽命周期成本分析。

2.2 不同水準(zhǔn)的性能要求

綜合上述橋梁的安全性、適用性、耐久性和環(huán)保(可修復(fù)性)，以及橋梁不同環(huán)境和位置、重要性程度等，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)4種極限狀態(tài)，文獻(xiàn)［16］提出了中國(guó)現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)、3個(gè)水準(zhǔn)下的性能要求和描述。從橋梁維護(hù)的角度，也應(yīng)根據(jù)橋梁的實(shí)際狀況、重要性程度等，對(duì)照不同水準(zhǔn)下的性能要求，提出基于性能的養(yǎng)護(hù)指標(biāo)，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)和加固。

3 混凝土橋梁性能問(wèn)題的分析方法

由于結(jié)構(gòu)的性能對(duì)應(yīng)4種極限狀態(tài)，4種極限狀態(tài)的前3種的承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、耐久性極限狀態(tài)均可通過(guò)相應(yīng)的分析方法、結(jié)合實(shí)際橋梁狀況來(lái)判斷。同時(shí)，可從橋梁的材料層次、構(gòu)件層次和結(jié)構(gòu)層次的角度進(jìn)行分析。

3.1 材料層次分析

主要是混凝土材料的退化，包括混凝土碳化［17-18］、氯離子侵蝕［19-20］及鋼筋銹蝕［21-22］及開(kāi)裂，材料劣化形式分類可參見(jiàn)圖1［23］。許多學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的混凝土碳化、氯離子侵蝕和鋼筋銹蝕等混凝土材料的退化和耐久性進(jìn)行研究，并對(duì)相應(yīng)的退化模型和耐久性剩余使用壽命進(jìn)行歸納和總結(jié)，但研究的角度多以橫向?yàn)橹?，即單?dú)考慮每種退化形式對(duì)應(yīng)有哪些數(shù)學(xué)模型，各模型之間的相關(guān)聯(lián)系和區(qū)別等問(wèn)題。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)材料劣化形式分類Fig.1 Degradation classification of concrete structure materials

3.2 構(gòu)件層次分析

構(gòu)件層次分析以往主要分析研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力效應(yīng)及設(shè)計(jì)方法，對(duì)其在環(huán)境荷載下的鋼筋銹蝕等對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件(梁、板、柱、節(jié)點(diǎn)等)受力性能的變化(包括耐久性、抗力或剩余承載力)研究較少，隨著橋梁垮塌失效事故的增多，目前已逐漸加強(qiáng)了構(gòu)件時(shí)變性能的模擬試驗(yàn)研究，但受試驗(yàn)條件的限制，現(xiàn)行銹蝕構(gòu)件主要通過(guò)外加電流加速銹蝕獲得，且絕大多數(shù)的試驗(yàn)是在構(gòu)件(試件)不受力的實(shí)驗(yàn)室加速銹蝕情況下進(jìn)行的，不能正確反映橋梁運(yùn)營(yíng)期間的實(shí)際工作情況，尤其未考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用環(huán)境與荷載的耦合作用效應(yīng)，少數(shù)研究已經(jīng)表明結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對(duì)構(gòu)件的耐久性及抗力的退化影響是不可忽視的［24］。

3.3 結(jié)構(gòu)層次分析

結(jié)構(gòu)層次以往的研究主要是綜合各種作用及時(shí)變效應(yīng)(如預(yù)應(yīng)力、收縮徐變效應(yīng))，分析研究給出結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的作用效應(yīng)及其組合，再借助構(gòu)件層次分析設(shè)計(jì)，解決各構(gòu)件的安全性能，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)的適用性能等。這種分析方法無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知結(jié)構(gòu)的安全性能，尤其是結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的時(shí)變承載力及適用性能，因此，有必要從整個(gè)結(jié)構(gòu)和全壽命的觀點(diǎn)研究整個(gè)結(jié)構(gòu)抗力與荷載的變化規(guī)律及其對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能及適用性能的影響(包括裂縫)，了解結(jié)構(gòu)任意的使用狀況及安全度，為結(jié)構(gòu)性能的維護(hù)提出有關(guān)的建議。而混凝土橋梁結(jié)構(gòu)抗力退化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，一方面受很多因素影響，如環(huán)境因素、荷載因素、原始設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量的自身因素［25］;另一方面，混凝土結(jié)構(gòu)承載力的分析方法涉及材料的時(shí)變性、可靠性、非線性本構(gòu)方程及破壞準(zhǔn)則等基礎(chǔ)理論問(wèn)題等。關(guān)于這方面的環(huán)境模擬、計(jì)算方法、計(jì)算模型、經(jīng)濟(jì)性等有待深入研究。

圖2展示了影響橋梁性能的環(huán)境因素，表2列舉了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的影響因素［25］。

圖2 環(huán)境因素引起橋梁性能退化Fig.2 Bridge performance degradation induced by environment factors

表2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗力時(shí)變影響因素Table 2 Time-varying influence factors of reinforced concrete structure resistance

4 基于性能的混凝土橋梁養(yǎng)護(hù)指標(biāo)

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，隨著服役時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)的性能會(huì)逐步退化，從而使得承載能力下降，影響結(jié)構(gòu)的安全和正常使用性能，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)的目的就是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在的各類問(wèn)題，基于性能(安全性、適用性、耐久性及可持續(xù)性)的要求和分析，提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)指標(biāo)，確保混凝土橋結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件能在規(guī)定期限內(nèi)維持正常的工作狀態(tài)。圖3為在參照了中國(guó)相應(yīng)的橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)［26］和橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程［27］的基礎(chǔ)上，提出了基于性能的橋梁結(jié)構(gòu)相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)指標(biāo)，并要求通過(guò)養(yǎng)護(hù)，使橋梁結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)規(guī)范的要求。

圖3 基于性能的混凝土橋梁養(yǎng)護(hù)指標(biāo)Fig.3 Maintenance index of performance-based concrete bridge structures

5 養(yǎng)護(hù)的對(duì)策及方法

5.1 養(yǎng)護(hù)的對(duì)策

針對(duì)橋梁的實(shí)際狀況及前面提出的基于性能的橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)指標(biāo)，分別從安全性、適用性、耐久性及可持續(xù)性提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)策略。

5.1.1 安全性養(yǎng)護(hù)策略

安全性就是要確保橋梁在運(yùn)營(yíng)期間各種預(yù)期荷載作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，且具有一定的安全儲(chǔ)備。為此，在日常運(yùn)營(yíng)管理中，應(yīng)建立養(yǎng)護(hù)管理日志、嚴(yán)格限制超載車輛的通行，定期檢查，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，分析潛在的安全隱患，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管控措施。在校核檢查結(jié)構(gòu)時(shí)變承載力時(shí)，尤其應(yīng)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)營(yíng)荷載，考慮各種因素相互影響和耦合作用，分析給出基于材料退化的橋梁結(jié)構(gòu)承載力，應(yīng)加強(qiáng)非線性分析理論和壽命預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用，盡可能少用對(duì)交通影響比較大的橋梁現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)檢測(cè)。

通常鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力的計(jì)算，是在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。對(duì)于常規(guī)的橋梁設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，這種方法可以滿足工程需要。但對(duì)于處于復(fù)雜環(huán)境影響的特定混凝土橋梁，要客觀而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)定其承載力，不僅需要全面得考慮影響承載力的諸因素，如混凝土徐變、強(qiáng)度劣化、鋼筋銹蝕、裂縫等，更需要選擇合理的計(jì)算理論和方法，尤其要考慮橋梁結(jié)構(gòu)在開(kāi)裂后進(jìn)入非線性的實(shí)際情況。目前結(jié)構(gòu)極限承載力分析常采用的理論包括塑性極限分析理論和混凝土非線性有限元理論等。

1)工程中應(yīng)用較多的是塑性極限分析理論，它只考慮結(jié)構(gòu)的塑性極限狀態(tài)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)塑性極限狀態(tài)分析求解結(jié)構(gòu)的承載力。在結(jié)構(gòu)極限分析中，通常假設(shè)結(jié)構(gòu)的塑性變形集中在橋梁的特定部位而成為塑性鉸，常用的塑性鉸模型包括簡(jiǎn)單塑性鉸模型、精細(xì)塑性鉸模型及彈塑性鉸模型等。塑性鉸模型意義明確，計(jì)算相對(duì)方便，但存在不足，其對(duì)于復(fù)雜截面形式、桁架結(jié)構(gòu)在復(fù)合受力如彎、剪、扭、軸向力等力素共同作用下，截面的應(yīng)力分布及塑化條件難以確定;塑性鉸形成位置、次序及轉(zhuǎn)動(dòng)能力難以確定判斷。因此，對(duì)較復(fù)雜的混凝土橋及多跨斜拉橋等采用這種理論計(jì)算結(jié)果效果并不理想。

2)混凝土非線性和極限承載力有限元分析的理論研究可追溯到20世紀(jì)60年代，Ngo和Scordelis(1967)用二維矩形單元分析鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，非線性有限元取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在理論研究方面，主要集中于數(shù)學(xué)模型的建立和改進(jìn)，尤其是考慮混凝土材料隨時(shí)變化的本構(gòu)關(guān)系研究，混凝土裂縫模型及開(kāi)裂準(zhǔn)則的研究，斷裂力學(xué)的引入、鋼筋與混凝土黏結(jié)滑移的影響及數(shù)值計(jì)算方法的研究等。除了進(jìn)行理論的探索外，各國(guó)學(xué)者的注意力聚焦在各類模型的工程應(yīng)用［28］。

5.1.2 適用性養(yǎng)護(hù)策略

在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分估計(jì)橋梁開(kāi)通后在設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)的橋梁總跨徑、交通流量及通行荷載的標(biāo)準(zhǔn)，避免橋梁在投入使用時(shí)出現(xiàn)河道急劇涌水、河床沖刷加大和橋面交通擁堵，以及過(guò)大的變形和過(guò)寬的裂縫;加寬、加固橋梁時(shí)也應(yīng)盡可能考慮一步到位，橋面系應(yīng)避免積水和排水管堵塞，確保行車的暢通和安全。

5.1.3 耐久性養(yǎng)護(hù)策略

對(duì)出現(xiàn)的一般耐久性問(wèn)題，如混凝土開(kāi)裂、滲漏、剝蝕等，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和封閉修補(bǔ);對(duì)沿?；炷翗蛄?，應(yīng)增大結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度，提高或改善混凝土的品質(zhì)，也可通過(guò)在混凝土表層或鋼筋表層涂刷鋼筋阻銹劑等材料，有條件時(shí)，應(yīng)采用耐久性更好的纖維材料或不銹鋼材料等。有支座的橋梁，設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮更換支座的方便。冬季有積雪的橋梁，盡可能采用人工除雪，少用鹽類除雪劑。

5.1.4 可持續(xù)性養(yǎng)護(hù)策略

設(shè)計(jì)及維護(hù)橋梁時(shí)，應(yīng)使其在使用壽命周期內(nèi)的工程建設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用最低，有利環(huán)保，方便維護(hù)和修復(fù)，避免大拆和隨意傾倒建筑垃圾。

5.2 養(yǎng)護(hù)方法

不同環(huán)境和位置及橋梁型式的工程問(wèn)題，其相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修和加固方法有所不同。

5.2.1 承載能力極限狀態(tài)不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂

若裂縫的產(chǎn)生原因?yàn)槎张_(tái)變位或溫度應(yīng)力，則一般可采取采用加固墩、臺(tái)及基礎(chǔ)。

若裂縫產(chǎn)生的原因?yàn)榛炷翗蛟O(shè)計(jì)荷載等級(jí)過(guò)低或超載，則可采取加強(qiáng)薄弱構(gòu)件、改變結(jié)構(gòu)體系及限制超載的方法來(lái)解決。加強(qiáng)薄弱構(gòu)件及增加構(gòu)件的剛度，主要措施如下：①采用以新材料(噴射混凝土、現(xiàn)澆混凝土、環(huán)氧膠漿黏貼鋼板、鋼筋、玻璃鋼及碳纖維布)增大主拱圈截面;②用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿封填裂縫;③增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋，或用化學(xué)黏結(jié)劑黏貼附加構(gòu)件的方法進(jìn)行加固構(gòu)件。

正常使用極限狀態(tài)不足時(shí)，除了上面所提到的加強(qiáng)薄弱構(gòu)件及增加結(jié)構(gòu)剛度法以外，還可以采用改變結(jié)構(gòu)體系的方法，主要是利用梁的連續(xù)作用或梁、板組合作用及拱梁組合作用，使原來(lái)簡(jiǎn)支或單一的拱式體系轉(zhuǎn)化為連續(xù)梁或梁拱體系。對(duì)拱橋還可采用減輕恒載法，即：①實(shí)腹式拱橋改建為空腹式拱橋;②更換拱上填料，采用輕質(zhì)的拱上填料;③改變拱上填料厚度來(lái)減輕拱上建筑自重;④改拱式為梁式拱上建筑，采用預(yù)制的鋼筋混凝土T梁、微彎板或空心板等輕質(zhì)橋面系代替笨重的腹拱體系。

當(dāng)正常使用極限狀態(tài)不足而使裂縫超限時(shí)，可采用加強(qiáng)薄弱構(gòu)件法，即：①用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿封填裂縫;②增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力筋，或用化學(xué)黏結(jié)劑黏貼附加構(gòu)件的方法進(jìn)行加固構(gòu)件，如可黏貼碳纖維布等。對(duì)于縱向裂紋可采用增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，使裂縫閉合，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。

5.2.2 結(jié)構(gòu)混凝土耐久性能不足

混凝土耐久性不足包括鋼筋銹蝕、氯離子的侵蝕及混凝土碳化等。對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土因碳化、空蝕、凍融破壞、化學(xué)侵蝕及結(jié)構(gòu)受力而引起的混凝土表層開(kāi)裂、滲漏、剝蝕等大面積的破壞修補(bǔ)，可考慮采用表面修補(bǔ)法直接進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)的材料有水泥基修補(bǔ)材料，高分子有機(jī)修補(bǔ)材料，聚合物水泥砂漿等。而對(duì)鋼筋銹蝕，應(yīng)引起高度重視，因它是混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素［29］。防止或延緩鋼筋銹蝕所采用的方法有4類：

1)在混凝土中添加鋼筋阻銹劑，其作用是為推遲鋼筋開(kāi)始生銹的時(shí)間以及減緩了鋼筋腐蝕發(fā)展的速度。早期研究的阻銹劑主要有苯甲酸鈉(Sodium benzoate)，各種亞硝酸鹽(Sodium nitrite，potassium nitrite and barium nitrite)和鉻酸鹽(Chromates/dichromate)等，也有人研究了氯化亞錫(SnCl2，stannous chloride)。目前，研究最多的是遷移性阻銹劑(MCl)的發(fā)展［30］，這類阻銹劑具有在混凝土的孔隙中通過(guò)氣相和液相擴(kuò)散到鋼筋表面形成吸附膜從而產(chǎn)生阻銹作用，如胺基羧酸鹽［31］(Amino-carboxylate based)等。

2)在鋼筋表面涂抹保護(hù)層，其作用是阻止氧氣、水分及氯離子等腐蝕性介質(zhì)與鋼筋直接接觸。目前，使用的最為廣泛還是環(huán)氧樹(shù)脂涂層，優(yōu)點(diǎn)是其噴涂厚度均勻，易于工業(yè)化生產(chǎn);其缺點(diǎn)是在運(yùn)輸、布筋過(guò)程中易于破損［32］。

3)犧牲陽(yáng)極防護(hù)法，在鋼筋表面涂抹一層金屬介質(zhì)，以代替鋼筋作為電化學(xué)腐蝕的陽(yáng)極，起到保護(hù)鋼筋的作用。附在鋼筋表面的活動(dòng)金屬覆層可以是鋅、鎘和鋁等，目前，用的最多的還是熱浸鍍鋅鋼筋(HDG)。

4)采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)來(lái)代替鋼筋。主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)，芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP)等。有研究表明解決鋼筋銹蝕所引起的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題行之有效的方法是利用纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Plastics簡(jiǎn)稱FRP)來(lái)代替鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋［33］。

橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行修復(fù)技術(shù)方案選擇時(shí)，還需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性因素、環(huán)境保護(hù)與社會(huì)效益。橋梁結(jié)構(gòu)在壽命周期內(nèi)要滿足其性能要求，除需要對(duì)橋梁進(jìn)行周期性的維護(hù)外，還應(yīng)嚴(yán)格限制超載車輛的行駛。

6 結(jié)語(yǔ)

1)簡(jiǎn)述了混凝土橋梁安全性、耐久性等相關(guān)問(wèn)題研究及在中國(guó)的進(jìn)展，同時(shí)基于全壽命的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)性能要求包括安全性、適用性、耐久性和可持續(xù)性，概略討論了相對(duì)應(yīng)的承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、耐久性極限狀態(tài)和可修復(fù)性極限狀態(tài)及考慮的問(wèn)題和解決的方法。針對(duì)結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境和位置、重要性程度等，提出應(yīng)參照橋梁設(shè)計(jì)不同水準(zhǔn)的性能要求，給出基于性能的養(yǎng)護(hù)指標(biāo)，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的維護(hù)和加固。

2)針對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)存在的性能問(wèn)題，從橋梁的材料層次、構(gòu)件層次和結(jié)構(gòu)層次的角度，討論了現(xiàn)有的分析方法、存在的局限及要進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題，提出有必要考慮各種因素相互影響和耦合作用，研究建立基于材料退化的橋梁結(jié)構(gòu)承載力非線性的分析理論及壽命預(yù)測(cè)方法。

3)考慮到實(shí)際的混凝土橋梁可能因承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)及耐久性極限狀態(tài)不足導(dǎo)致性能無(wú)法滿足要求，提出了相應(yīng)的維護(hù)策略和方法。

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