橋梁安全耐久性和全壽命設(shè)計研究概況方案

2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU1橋梁安全耐久性和全壽命設(shè)計研究概況土木工程學(xué)院橋梁工程系趙人達(dá)博士教授博導(dǎo)2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU2引言

近年來，世界各國、特別是主要處于基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)階段的歐美等發(fā)達(dá)國家普遍發(fā)現(xiàn)，橋梁耐久性差、服務(wù)壽命短、全壽命經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)差等問題(與人們最初的設(shè)計和規(guī)劃預(yù)期有很大差異)，已經(jīng)嚴(yán)重影響了其正常服務(wù)功能的發(fā)揮，并且給養(yǎng)護(hù)、維修等后期運(yùn)營管理工作帶來難以承受的巨大經(jīng)濟(jì)和社會負(fù)擔(dān)。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU3引言

我國正處于橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(hù)管理的經(jīng)濟(jì)性問題。許多服役橋梁也暴露出病害和缺陷，因此，關(guān)于橋梁安全耐久性和全壽命設(shè)計研究有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU4引言

0.1關(guān)于耐久性的定義[1]

耐久性的定義直接關(guān)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(jié)構(gòu)耐久性的認(rèn)識多種多樣，因此，很難給它一個公認(rèn)準(zhǔn)確的定義。在眾多的定義中，以下幾種說法較有代表性：2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU5引言

l)國內(nèi)一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)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(jié)構(gòu)耐久性》，2002.09]。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU6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(hù)條件下，經(jīng)過一段時間，材料和結(jié)構(gòu)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(gòu)件和材料抵抗衰退和腐蝕的能力[M.J.Ryall，2002]。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU7引言

3)我國建設(shè)部的《混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及耐久性設(shè)計指南》中定義結(jié)構(gòu)耐久性為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定期限內(nèi)，在各種作用下維持其應(yīng)用功能的能力。這里的作用主要指大氣、化學(xué)侵蝕等導(dǎo)致材料性能退化的環(huán)境作用；功能則主要指與結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)有關(guān)的安全性(如足夠的強(qiáng)度與穩(wěn)定性)以及與結(jié)構(gòu)使用極限狀態(tài)有關(guān)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU8引言

4)歐洲D(zhuǎn)uracrete【2001】定義耐久性為：混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)以這樣的方式設(shè)計、建造及運(yùn)作(運(yùn)營)，在可以預(yù)期的環(huán)境影響下，結(jié)構(gòu)在一個明確的(或隱含的)時間段內(nèi)，在不需要超出預(yù)期的維護(hù)和維修費(fèi)用的情況下，能夠保持其安全性、適用性及可接受的外觀。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU9引言

幾種定義：側(cè)重點(diǎn)不同，本質(zhì)相近。有學(xué)者認(rèn)為：既應(yīng)該明確耐久性研究的主要對象，也應(yīng)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(jié)構(gòu)“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(xiàn)在一定程度上混淆了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)都至關(guān)重要，但耐久性主要表示結(jié)構(gòu)保持其特定性能的能力，承載力是其中的一種性能。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU10引言表0.14種耐久性定義的比較

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU11引言

吳海軍認(rèn)為結(jié)構(gòu)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(rèn)識其本質(zhì)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的耐久性可更具體地定義為：結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境及其他因素(設(shè)計預(yù)期的正常荷載，對于突發(fā)性災(zāi)害事件不應(yīng)多考慮)共同作用下，在同樣(或等效)的建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)總成本(壽命周期總成本)下，在設(shè)計使用壽命期內(nèi)，保持預(yù)期的安全性、適用性的能力。即耐久性的內(nèi)涵應(yīng)包括耐久的長壽命及經(jīng)濟(jì)地耐久。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU12引言

該提法的特點(diǎn)：l)耐久性的核心是結(jié)構(gòu)的壽命問題；2)避免了較模糊的因素，例如關(guān)于正常維護(hù)條件以及正常維護(hù)費(fèi)用的定義；3)耐久性的優(yōu)劣不可避免地要涉及到經(jīng)濟(jì)性的問題，只有以考慮了建設(shè)成本、維護(hù)管理成本的橋梁全壽命經(jīng)濟(jì)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU13引言

運(yùn)用該提法可以方便地進(jìn)行耐久性的比較和評價，當(dāng)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(shí)際使用壽命來評估一個具體結(jié)構(gòu)的耐久性能否滿足使用壽命的要求；當(dāng)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(shè)計方案的優(yōu)劣。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU14引言

此外，還必須認(rèn)識到正如英國標(biāo)準(zhǔn)[BS7543，1992]中指出的那樣：“耐久性預(yù)測不可能是一門精確的科學(xué)，建筑物的壽命預(yù)測只能是個估計”。該觀點(diǎn)至少在當(dāng)前階段仍然是符合實(shí)際的。但是，考慮到現(xiàn)階段在結(jié)構(gòu)設(shè)計中所強(qiáng)調(diào)的只是結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的性能失效的可能；所以，關(guān)于耐久性及使用壽命的計算盡管是近似的估算，但對于設(shè)計者、業(yè)主或使用者來說仍然有其必要性。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU15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(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期使用壽命時，就出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)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(jì)橋梁技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU16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(jì)，但大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用開始于第二次世界大戰(zhàn)之后。而發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題則在戰(zhàn)后的六、七十年代，一些發(fā)達(dá)國家的混凝土橋梁在使用了約三、四十年后，紛紛進(jìn)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(jié)構(gòu)耐久性的物理、化學(xué)變化，如結(jié)構(gòu)混凝土的碳化、保護(hù)層剝落、裂縫的發(fā)展、鋼筋銹蝕、滲透凍融破壞等等。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU17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(guān)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(yù)應(yīng)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】。

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但自70年代以來，國內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)一些預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)生損傷的情況，不但影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，還危及使用者和結(jié)構(gòu)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(yán)重，修復(fù)費(fèi)用巨大，成為世界各國共同關(guān)注的問題。美國聯(lián)邦公路局(FHWA)所支持的一項(xiàng)研究項(xiàng)目曾對美國既有橋梁(共有約470000座)的缺陷情況進(jìn)行了調(diào)查，缺陷比例近1/3。各類橋梁面臨的耐久性問題2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU19各類橋梁面臨的耐久性問題表1.1美國不同材料橋梁結(jié)構(gòu)缺陷分布情況2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU20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(hù)技術(shù)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(shí)踐反饋的信息，我國橋梁耐久性差的情況十分嚴(yán)峻。橋梁耐久性不足給后期的維護(hù)和管理造成了沉重的負(fù)擔(dān)。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU21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(bǔ)的混凝土橋梁的維修費(fèi)用為1550億美元”【洪乃豐，2002】。美國土木工程學(xué)會在2001年指出，美國在隨后的5年需要花費(fèi)1.3萬億美元來解決當(dāng)時基礎(chǔ)設(shè)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(fèi)106億美元來解決這一問題[貢金鑫，1999]。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU22各類橋梁面臨的耐久性問題

1）立柱鋼筋銹蝕、保護(hù)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2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU23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(dāng)嚴(yán)重的，甚至在幾年、十幾年內(nèi)就不得不修復(fù)或重建，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)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(chǔ)設(shè)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(fù)。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(yán)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(yán)重，不得不作修復(fù)、加固處理[王媛俐，2001]

。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU24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(yīng)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU25各類橋梁面臨的耐久性問題

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)，對銹蝕等外界侵害比較敏感；加之當(dāng)時使用的纜索防護(hù)體系不易檢查，因此，纜索和吊桿的防護(hù)與耐久性極為重要，它直接關(guān)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU26各類橋梁面臨的耐久性問題

自二戰(zhàn)以來，以斜拉橋的復(fù)興為標(biāo)志，世界各地陸續(xù)修建了大量的大跨纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)—懸索橋與斜拉橋。至上世紀(jì)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(yán)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU27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(dāng)時技術(shù)原因和造價，沒有對鋼絲進(jìn)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(bǔ)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(jìn)行為期3年的主纜維護(hù)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?yàn)槟途眯圆蛔愣鼡Q（見表1.2）[吳海軍，2003]。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU28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

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU29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2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU30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(yuǎn)、源遠(yuǎn)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(jì)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?yàn)閲?yán)重的開裂問題，而不得不加固或拆除重建。而在上世紀(jì)八九十年代修建的二十余座預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋，在平均使用不到15年的時間，因?yàn)閲?yán)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(yán)格限載，降級使用。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU31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(yùn)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(jié)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(cè)面反映了影響橋梁使用壽命的因素的多樣性。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU32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(jié)構(gòu)損傷形式的調(diào)查結(jié)果2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU33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(fù)雜，主要因素有：

1)材料；

2)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的設(shè)計、加工工藝和施工方法；

3)作用荷載；

4)環(huán)境；

5)橋梁的運(yùn)營管理等。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU34各類橋梁面臨的耐久性問題

綜上所述，當(dāng)我們將精力主要放在高速建設(shè)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(jì)效益的角度看，以當(dāng)前的橋梁建設(shè)現(xiàn)狀，每年新建橋梁越多，后期因?yàn)槟途眯圆蛔銓?dǎo)致的維護(hù)和加固的負(fù)擔(dān)就越重，總體社會和經(jīng)濟(jì)效益就越差。這是必須認(rèn)真研究解決的問題。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU35橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

2橋梁結(jié)構(gòu)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(dá)到預(yù)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?yàn)槁塞}侵蝕和凍融破壞的共同作用，橋面鋪裝壽命短、病害嚴(yán)重的情況非常普遍。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU36橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

2橋梁結(jié)構(gòu)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(yán)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(yùn)營幾年后就紛紛出現(xiàn)橋面鋪裝損壞的問題。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU37橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

2.2橋頭跳車

橋梁運(yùn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的沖擊力，又會使跳車現(xiàn)象更加嚴(yán)重，并影響橋梁的耐久性與使用壽命。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU38橋梁結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力錨固區(qū)域開裂等。按成因可分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫是指混凝土所受拉應(yīng)變超過極限應(yīng)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(jié)構(gòu)裂縫一般是指由于變形受到約束而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU39橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

混凝土結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的主要原因一般有：

l)構(gòu)造處理不當(dāng)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(yīng)(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。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU40橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

由于其成因不同，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)混凝土耐久性失效；第2)、4)、6)和7)類裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般容易被忽視?；炷亮芽p對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響主要是因?yàn)榱芽p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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU41橋梁結(jié)構(gòu)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(dǎo)致其有效截面的下降；銹蝕后鋼筋的體積膨脹又會導(dǎo)致混凝土開裂或表面混凝土成塊脫落，從而削弱構(gòu)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(jié)力減小、共同作用受到損害，從而引起構(gòu)件承載力下降?；炷灵_裂后又使原來處于混凝土保護(hù)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU42橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象(l)碳化[15]

影響結(jié)構(gòu)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(dāng)有二氧化碳和水汽從混凝土表面通過孔隙進(jìn)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(dǎo)致混凝土的pH值降低。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU43橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

當(dāng)混凝土完全碳化后，就出現(xiàn)pH

9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(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力破壞、鋼筋受力截面減少、結(jié)構(gòu)耐久性能降低等一系列不良后果。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU44橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

混凝土的碳化機(jī)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(yīng)，生成的水化物自身具有強(qiáng)度(稱為水泥石)，同時將散粒狀的砂和石子粘結(jié)起來，成為一個堅(jiān)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(jié)晶，或者在其空隙中以飽和水溶液的形式存在。因?yàn)闅溲趸}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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU45橋梁結(jié)構(gòu)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(kuò)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(qiáng)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU46橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象混凝土碳化的主要化學(xué)反應(yīng)式為：CO2+H2O→H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU47橋梁結(jié)構(gòu)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(kuò)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(yīng)這樣一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。研究表明，混凝土的碳化速度取決于CO2氣體的擴(kuò)散速度及CO2與混凝土成分的反應(yīng)性。而CO2氣體的擴(kuò)散速度又受混凝土本身的組織密實(shí)性、CO2氣體的濃度、環(huán)境濕度、試件的含水率等因素的影響。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU48橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

所以碳化反應(yīng)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(jié)為與混凝土自身相關(guān)的內(nèi)部因素和與環(huán)境相關(guān)的外界因素。對于服役結(jié)構(gòu)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU49橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

快速碳化試驗(yàn)表明，CO2的濃度越高，且壓力越大，碳化深度越大，因?yàn)楦邼舛?，高壓力的CO2氣體能較快地向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，使碳化反應(yīng)迅速進(jìn)行。因此，在城市交通繁忙路段處的結(jié)構(gòu)物或CO2濃度較高的工業(yè)廠房往往碳化現(xiàn)象較嚴(yán)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU50橋梁結(jié)構(gòu)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(hù)作用，而氯離子會通過擴(kuò)散和毛細(xì)作用進(jìn)入混凝土內(nèi)，當(dāng)溶入混凝土中的氯鹽含量達(dá)到混凝土重量的0.1%~0.2%時，鋼筋開始銹蝕；當(dāng)氯鹽含量超過1%后，鋼筋的銹蝕面積將急速增加。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU51橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

氯離子導(dǎo)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(yīng)；

3)有適宜的濕度。大量的工程實(shí)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(jié)構(gòu)，雖然氯離子濃度很大，但由于缺氧也不易腐蝕。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU52橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

2.5橋梁附屬設(shè)施的病害

包括伸縮縫和支座等的病害。

(l)伸縮縫伸縮縫設(shè)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(jìn)而導(dǎo)致橋梁主體結(jié)構(gòu)和支座的腐蝕及老化。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU53橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象

(2)支座活動支座應(yīng)能保證上部主梁結(jié)構(gòu)的自由變形(轉(zhuǎn)動或移動等)。當(dāng)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(jié)構(gòu)可能會喪失自由伸縮的能力，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，可能引起開裂等病害。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU54引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

3引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

3.1設(shè)計方面的因素[1]

很多橋梁病害與施工質(zhì)量低劣有關(guān)，但在承認(rèn)施工存在問題的同時，也不可否認(rèn)，在橋梁設(shè)計中還有許多可以改進(jìn)的地方。許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)以及從設(shè)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(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。設(shè)計方面的問題從大的方面可以簡單地歸納為：2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU55引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

(l)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低

我國公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)不能滿足當(dāng)前汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，由此可能導(dǎo)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(jì)及社會條件的限制，我國規(guī)范在橋梁性能及構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計方面的要求一直較低，也在客觀上影響了橋梁的耐久性。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU56引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

(2)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造細(xì)節(jié)不合理

在國內(nèi)橋梁總體設(shè)計方案的比選過程中，一般由地質(zhì)條件、施工方法、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素來決定方案的取舍，而很少從耐久性的角度來進(jìn)行分析和評價。例如采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)與構(gòu)造問題，不但影響經(jīng)濟(jì)性，對橋梁的耐久性能也有很大影響；評價指標(biāo)的缺失，可能導(dǎo)致中選方案的結(jié)構(gòu)耐久性能不足，為運(yùn)營后橋梁出現(xiàn)病害埋下了病根。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性?。挥械挠嬎銏D式和受力路徑不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強(qiáng)度等級過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過??；這些都會削弱結(jié)構(gòu)耐久性，增加橋梁的病害。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU57引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

吳海軍總結(jié)的混凝土橋梁耐久性設(shè)計原則與構(gòu)造措施[10]：

1)力線平滑、應(yīng)力均勻流暢的原則；

2)結(jié)構(gòu)應(yīng)保證整體性、連續(xù)性和冗余性；

3)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可檢性、可修性和可替換性；

4)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的防水能力；

5)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證可施工性。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU58引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

(3)計算的因素

l)在橋梁設(shè)計和計算過程中，未充分考慮混凝土徐變、收縮及溫度應(yīng)力等非荷載因素的影響；

2)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時，過度強(qiáng)調(diào)局部性單元劃分的精細(xì)化，對結(jié)構(gòu)邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問題認(rèn)識不夠；

3)就施工方法、施工順序和施工荷載對結(jié)構(gòu)成橋性能的影響重視不夠；

4)在構(gòu)件的特殊部位，如構(gòu)件的角隅處、預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固處，在局部應(yīng)力傳遞與分布的影響下，會出現(xiàn)應(yīng)力突變，由于計算手段和理論的局限，往往出現(xiàn)構(gòu)造配筋布置不足或不當(dāng)?shù)膯栴}。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU59引起橋梁結(jié)構(gòu)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(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)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(yán)重的耐久性不足的問題，這與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問題有鋼筋保護(hù)層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴(yán)重的構(gòu)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(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU60引起橋梁結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力材料防護(hù)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(hù)不夠；

6)施工縫處理不當(dāng)?shù)取?023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU61引起橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)初期的成本，而忽視橋梁從規(guī)劃、建設(shè)到運(yùn)營、破壞整個壽命周期的總體成本。國內(nèi)橋梁工程招投標(biāo)中經(jīng)常是報價越低，得分越高，中標(biāo)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU62引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析3.3使用的因素(l)汽車超載運(yùn)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(fù)載運(yùn)營；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計預(yù)期；其三是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計荷載的變化和交通量的增加所導(dǎo)致；后者是車輛使用者違法超載營運(yùn)，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路交通運(yùn)輸中較為普遍。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU63引起橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些由超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)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(fù)，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。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU64引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析

例如，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁一直被認(rèn)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(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)管理外，也需要對超載帶來的后果進(jìn)行研究、分析。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU65引起橋梁結(jié)構(gòu)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(fēng)雨侵襲及自然環(huán)境作用、受到意外強(qiáng)烈沖擊、溫度的變化導(dǎo)致的內(nèi)力及應(yīng)力重分布、地震、洪水等自然災(zāi)害等；又如橋上車輛擁堵使得擁堵車輛荷載效應(yīng)大于設(shè)計車輛活載效應(yīng)，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(yīng)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(jìn)病害的發(fā)展。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU66提高結(jié)構(gòu)耐久性的措施4提高結(jié)構(gòu)耐久性的措施[4]4.1提高設(shè)計質(zhì)量設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定進(jìn)行耐久性設(shè)計。貫徹全壽命設(shè)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(biāo)鑒定。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU67提高結(jié)構(gòu)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(hù)制度化

要確保結(jié)構(gòu)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(jìn)一步加強(qiáng)提高耐久性方面的技術(shù)研究并積極借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)和成果

一方面是材料的研究，另一方面是關(guān)于設(shè)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(hù)涂層材料、環(huán)氧樹脂包裹材料等。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU68耐久性設(shè)計方法5耐久性設(shè)計方法

總體說來橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計分為耐久性材料設(shè)計、耐久性計算和驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)外觀和構(gòu)造措施三個部分：

1、耐久性材料設(shè)計就是基于材料耐久性退化機(jī)理，對橋梁建設(shè)中采用的材料提出質(zhì)量和施工要求，比如高強(qiáng)混凝土、防滲混凝土、混凝土外加劑、防銹鋼筋的設(shè)計和混合料的品質(zhì)要求等。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU69耐久性設(shè)計方法

2、耐久性設(shè)計和驗(yàn)算就是在現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計計算和驗(yàn)算中考慮耐久性影響系數(shù)η，η表征結(jié)構(gòu)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(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)預(yù)測結(jié)構(gòu)承載能力的變化規(guī)律，進(jìn)而對橋梁整個壽命期的“健康狀況”做到適時控制。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU70耐久性設(shè)計方法計算公式例子2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU71耐久性設(shè)計方法計算公式例子2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU72耐久性設(shè)計方法

3、橋梁外觀和構(gòu)造措施是指橋梁設(shè)計要注意橋梁結(jié)構(gòu)與自然地理環(huán)境條件相和諧、結(jié)構(gòu)內(nèi)部避免出現(xiàn)不利于橋梁耐久性的構(gòu)造。外觀包括：對于各種地形條件橋梁跨徑的布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇，人的生產(chǎn)生活與橋梁的相互影響，以及遠(yuǎn)期各種環(huán)境條件的變化與橋梁的相互影響等等；構(gòu)造措施包括：橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變集中和突變、局部集中裂縫等。[11]2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU73耐久性設(shè)計方法

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU74耐久性設(shè)計方法

5.1全面的耐久性設(shè)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(shè)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(shè)計方法，通過調(diào)整保護(hù)層厚度、鋼筋數(shù)量、混凝土強(qiáng)度等耐久性設(shè)計參數(shù)可以使橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性壽命滿足設(shè)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(fù)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(shí)性，增強(qiáng)混凝土抵抗外界有害物質(zhì)侵蝕的能力。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU75耐久性設(shè)計方法

5.1.2基于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造與細(xì)節(jié)的耐久性設(shè)計方法

除了滿足基于使用壽命的設(shè)計計算和規(guī)范建議的措施外，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上需要滿足：結(jié)構(gòu)體系設(shè)計應(yīng)簡潔、結(jié)構(gòu)型式應(yīng)統(tǒng)一諧調(diào)，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的整體性、強(qiáng)健性和冗余性，結(jié)構(gòu)力線的傳遞要均勻，應(yīng)充分做好結(jié)構(gòu)的防水問題，構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)充分考慮到后期檢查、維護(hù)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(jì)性的可靠保證。

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU76耐久性設(shè)計方法

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

l)在荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)傳力明確、傳力路徑較短；

2)力線平滑、應(yīng)力均勻流暢；

3)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性和冗余性；

4)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可檢性、可修性和可替換性；

5)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的防水能力；

6)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證可施工性，從而易于保證施工質(zhì)量。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU77耐久性設(shè)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(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的關(guān)鍵步驟，良好的施工質(zhì)量是保證橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素。以耐久性能為目標(biāo)的施工質(zhì)量要求肯定不同于目前以承載能力為目標(biāo)的控制要求，因此，確定施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)也是耐久性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU78耐久性設(shè)計方法5.1.4基于耐久性及經(jīng)濟(jì)性的橋梁維護(hù)、管理策略

結(jié)構(gòu)的維修、加固時機(jī)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(jì)性，因此維修決策將不能簡單地依靠經(jīng)驗(yàn)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(jì)性（加固的直接成本與交通擾動等的間接成本之和）來進(jìn)行優(yōu)化，從中選擇最優(yōu)的時機(jī)和方案。因此，基于耐久性和經(jīng)濟(jì)性的橋梁維護(hù)、管理策略與方案也是需要在耐久性設(shè)計階段考慮和明確的重要內(nèi)容。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU79耐久性設(shè)計方法橋梁維護(hù)、管理對結(jié)構(gòu)性能影響的圖示

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU80耐久性設(shè)計方法5.1.5基于全壽命成本分析耐久性設(shè)計評估與優(yōu)化

基于全壽命成本的經(jīng)濟(jì)性分析方法是評價和選擇耐久性設(shè)計方案及進(jìn)行橋梁維護(hù)管理策略優(yōu)化的有力工具。在設(shè)計階段就應(yīng)綜合考慮建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)、管理等橋梁壽命全過程的費(fèi)用。從全壽命經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)規(guī)劃橋梁耐久性設(shè)計、施工、維護(hù)管理等環(huán)節(jié)的具體方案。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU81耐久性設(shè)計方法

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

2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU82耐久性設(shè)計方法

5.2橋梁全壽命設(shè)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(shù)、功能和經(jīng)濟(jì)效益等綜合最優(yōu)，對結(jié)構(gòu)、材料、耐久性、美學(xué)、環(huán)保、施工、管養(yǎng)以及全壽命成本等進(jìn)行綜合設(shè)計的方法[6]。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU83耐久性設(shè)計方法5.2.2設(shè)計的主要內(nèi)容

(1)橋梁整體及各可更換部件的設(shè)計壽命的確定。

(2)性能設(shè)計。結(jié)構(gòu)體系和部件的功能設(shè)計及其未來可能的靈活性設(shè)計；為滿足橋梁安全性能的要求，需進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)設(shè)計；為滿足橋梁耐久性能的要求，需進(jìn)行耐久性設(shè)計；進(jìn)行行車安全性分析和設(shè)計，以滿足使用者對出行安全的要求；風(fēng)險分析和對策設(shè)計，使橋梁在遭遇一定概率的風(fēng)險事件后，不造成較大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，明確工程保險成本。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU84耐久性設(shè)計方法(3)美學(xué)設(shè)計。包括造型設(shè)計和景觀設(shè)計，以滿足人們對橋梁美學(xué)和景觀欣賞的需求。

(4)生態(tài)設(shè)計。包括環(huán)境保護(hù)設(shè)計、回收與再利用設(shè)計。

(5)施工過程控制設(shè)計，以確保良好施工質(zhì)量并忠實(shí)地表達(dá)設(shè)計成果。

(6)橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)設(shè)計。包括橋梁運(yùn)營期內(nèi)的監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)、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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU85耐久性設(shè)計方法

(7)全壽命周期成本分析是進(jìn)行橋梁全壽命設(shè)計不可缺少的內(nèi)容之一。要選擇最優(yōu)的設(shè)計方案，必須進(jìn)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(wù)成本和環(huán)境成本)進(jìn)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。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU86耐久性設(shè)計方法

5.2.3橋梁工程全壽命設(shè)計的階段劃分[6]

橋梁工程全壽命設(shè)計從投資規(guī)劃開始，可分為工程可行性研究、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計3個階段。分別如圖5.1~圖5.3所示。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU87耐久性設(shè)計方法

圖5.1工程可行性研究流程圖2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU88耐久性設(shè)計方法

圖5.2初步設(shè)計階段流程圖2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU89耐久性設(shè)計方法

圖5.3施工圖設(shè)計階段流程圖2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU90耐久性設(shè)計方法5.2.4吳海軍提出的基于使用壽命設(shè)計和全壽命經(jīng)濟(jì)性控制的耐久性設(shè)計方法給出了耐久性設(shè)計的主要步驟[7]：⑴確定目標(biāo)使用壽命和設(shè)計使用壽命；⑵環(huán)境效應(yīng)分析；⑶劣化因素和機(jī)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(xué)方法的計算進(jìn)行修正；⑺耐久性參數(shù)應(yīng)用到最終設(shè)計。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU91耐久性設(shè)計方法全面的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法框架2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU92耐久性設(shè)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(shè)計方法[8]

該方法是以橋梁服務(wù)水平為基礎(chǔ)，壽命周期成本總和現(xiàn)值最小為目標(biāo)的設(shè)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(wù)水平這一性能為目標(biāo)的新設(shè)計方法。該方法的核心是在設(shè)計階段便考慮橋梁建成后的養(yǎng)護(hù)、維護(hù)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(dá)到總體資源消耗最小為目的。橋梁全壽命設(shè)計流程如圖5.4所示。2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU93耐久性設(shè)計方法圖5.4橋梁全壽命設(shè)計流程2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU94耐久性設(shè)計方法橋梁生命周期成本構(gòu)成2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU95耐久性設(shè)計方法橋梁生命周期成本分析流程2023/8/2RendaZHAO,PhD.Prof.2023/8/25RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU96耐久性設(shè)計方法5.2.6馬軍海和陳艾榮等提出的橋梁全壽命設(shè)計總體框架[9,13]

他們的相關(guān)論文提出：把橋梁全壽命設(shè)計概括為使用壽命設(shè)計、美學(xué)設(shè)計、性能設(shè)計、環(huán)境生態(tài)設(shè)計、監(jiān)測養(yǎng)護(hù)與維修設(shè)計及成本設(shè)計等六大過程的設(shè)計，提出一種包括三大設(shè)計階段、六大設(shè)計過程的橋梁全壽命設(shè)計總體框架，如圖5.5和表5.1所示。2023/8/2RendaZHAO,PhD.