桥梁的耐久性

《如何提高桥梁建筑的耐久性?》
一：耐久性与设计
1.1 从设计观念上更新
从全球范围看, 结构工程学科在向时间域、空间域和学科基础三个方面发展。

1.2 按耐久性要求进行设计
耐久性的具体指标是指结构在正常设计、正常施工、正常使用、正常维修下的使用寿命, 所谓正常的设计, 一般指符合现行规范和标准的设计。

新桥规规定了荷载或作用的标准及其组合原则和方法。

与耐久性有关的计算裂缝宽度的荷载或作用的代表值一般是对大量观测数据按95 % 保证率确定的。

二：耐久性与施工
施工对混凝土桥梁结构耐久性的影响是非常重要的,施工必须满足设计要求和施工规范以及施工质量检验标准, 必须进行严格的质量控制。

其施工中主要应做好以下几点:
(1) 确保所采用的集料不使混凝土发生超过容许值的碱骨料反应。

(2) 限制混凝土中各组成材料的氯离子含量, 在侵蚀环境下预应力混凝土应低于0. 06 % 的水泥用量; 普通混凝土应低于0. 10 % 的水泥用量。

(3) 控制水灰比和水泥用量。

在侵蚀环境下, 水泥用量及水灰比在大气区及海水水位变化区分别不低于360 kg/m3 和0. 5，在海水浪溅区分别不低于400kg/ m3 和0. 4，在海水水下区分别不低于300kg/ m3 和0. 5。

(4) 在环境恶劣部位采用高性能混凝土HPC有耐久性。

(5) 在施工过程中确保不发生泌水、离析现象。

(6) 对大体积混凝土采用分层浇筑等。

(7) 在混凝土养生过程中, 应加强养护等。

(8) 注意对钢筋保护层的施工, 确保钢筋保护层厚度。

(9) 应注意对预应力的施工, 确保管道压浆密度, 以防预应力材料锈蚀。

(10) 对加入阻锈剂、引气剂、减水剂等外加剂的混凝土
应充分拌匀, 以发挥外加剂的防腐作用。

三：更加重视结构耐久性及实用方法的研究
国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究,也取得了不少成果。

这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的,对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。

一方面,耐久性研究需要宏观的定性描述和微观机理的定量分析,这是今后需要加强和深化的一项重要工作;另一方面,在有效借鉴和利用国外耐久性研究成果同时,要充分考虑我国不同地区的环境差异以及经济差异,有针对性地研究科学、可靠、实用的计算方法和操作规程。

大量的病害实例也证明,除了施工和材料方面的原因,影响结构耐久性的决定性因素是来自构造上(也即设计上)的缺陷。

国外的桥梁设计有鉴于耐久性不足导致的严重损失,近年来十分重视提高结构物的耐久性并将其作为重要的设计原则,统一考虑合理的结构布局和构造细节,强调使结构易于检查、维修,以保证桥梁的安全使用、尽可能地减少维修费用,取得了较好的综合经济效益。

实际上,国内外的研究和实践都表明,结构耐久性对
于桥梁的安全运营和经济性起着决定性作用。

四重视疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响
桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载,会在结构内产生循环变化的应力,不但会引起结构的振动,还会引起结构的累积疲劳损伤。

桥梁的超载会造成桥面的严重破损,车辆荷载的冲击力加大,还可能引发疲劳问题,使得桥梁在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。

疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题。

近20年来,疲劳损伤的研究已进入砼结构,但对于使用期受腐蚀的钢筋砼构件的动态性能和疲劳性能的研究还需加强。

目前,交通部新修订的《公路工程技术标准》对交通量、车辆荷载等方面作出了更为实际的规定,但对超载带来的后果要进行更加全面、深入的分析和研究。

五重视桥梁结构使用寿命期的维护
砼桥梁工程的耐久性与工程的使用寿命相关。

结构耐久性和使用寿命的概念,与使用阶段的检测、维护和修理不能分割,砼结构耐久性加固是旧桥改造、维修的重要内容。

据调查,我国现有砼桥梁12万余座,约占桥梁总数的90%,存在不同程度的病害达80%以上,已严重危及桥梁安全,缩短了桥梁使用寿命,衰减了其预定功能。

首先,应建立一套行之有效的桥梁检测制度。

对特大桥梁应建立结构健康监测系统,随时监测桥梁的使用环境、荷载效应、结构变位和应力的变化情况,能及时地对安全使用状态做出科学的判断;从而针对桥梁结构受力特点、损伤机理及使用环境,进行病害诊断分析,采取综合治理措施,进行科学改造、加固、维修是当前桥梁工程界的一件大事。

六积极借鉴国外的经验和成果
国内桥梁设计存在的主要问题是结构正常使用性能差(指与设计期望相比,可归结为适用性能差,包括桥梁的过大振动、线形不平顺、接头跳车、结构开裂和过大的变形等) 、耐久性和安全性差(包括使用寿命短、维护费用高、安全事故较频繁等) 。

这些问题的产生与目前国内施工质量和管理水平较低有关,但既然这种现状不能在短期内得到解决,那么作为工程设计人员就应该正视这一问题,充分考虑到现阶段的施工和管理水平和材料工艺水平,采用适当的安全度、适当的设计方法来保证桥梁使用性能。

特别是桥梁存在的耐久性和安全性问题很多与结构体系或材料选择不合理及结构细节处理不当有关。

欧洲国家非常重视对结构物进行性能设计(即PBD, Performance Based Design) ,内容包括结构的变形、裂缝、振动、强健性、美观、耐久性能、疲劳性等。

PBD研究主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外,尚应有良好的使用性能(包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等) 。

就其本质而言,欧洲国家的PBD理论,主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能,分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律,寻求新的结构设计理念和方法。

七保证耐久性的途径和措施
1：严格控制砼原材料
为了确保砼耐久性,除了对水泥强度与安定性、集料的级配与含泥量等常规指标严格控制外,还应重点考虑碱集料反应问题。

我国天然河砂至今未发现有碱活性,但不少地区的粗集料却有潜在碱活性,因此应大力推广应用低碱水泥和低
碱减水剂。

在砼中合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺合料是重要的技术手段。

目前有些看法对改善砼的耐久性能不利。

例如,担心影响砼强度而不用引气剂,而引气本应作为改善砼耐久性和工作性的常规手段;又如,加大水泥用量来保证砼强度,而低水灰比本应是保证砼抗裂和耐久性能的重要途径。

2：努力提高设计、施工水平
将桥梁结构的高耐久性作为重要的设计原则,统一考虑合理的结构布局和构造细节,强调使结构易于检查、维修,寻求新的结构设计理念和施工方法。

如应重视后张灌浆不密实而产生的结构耐久性问题,要完善无粘结预应力工艺,加强张拉端和固定端锚具的选用和防腐措施,确保全密封方面的技术措施;重视梁、板中收缩和温度构造配筋要求,解决现浇梁、板中出现收缩、温度裂缝给使用带来的危害和由此造成的钢筋锈蚀等结构耐久性问题。

3：不断强化结构的检测、评估
一些桥梁在使用过程中,由于不进行定期检测和维护,对于结构的损坏可能导致公众安全的隐患得不到及时有效地处理,严重危害结构安全和耐久性。

对于结构工程的质量,虽然政府已作出了设计与施工的责任单位和个人需对其“终身负责”的规定,但是这种要求执行起来缺乏可操作性。

要将结构安全质量事故减少到最低程度,还应以预防为主,通过例行检测评估结构可靠性及时发现病害,能得到有效处理。

4：深入贯彻“全寿命经济分析法”
从国家对公共工程建设的投资和对工程设计的要求来看,需要有工程整个使用期限即全寿命费用支出的论证。

实质上,我国颁布的关于基础设施“终生保修”的意思,也是立足于“全寿命”,扭转以往那种工程验收后“完事”的做法,使设计和工程承包单位,必须考虑“耐久性”问题,也必然涉及到增加防护费用、对技术经济进行分析、评价的问题。

这也是在基础建设方面,逐渐提高我国的技术水平和管理能力、与国际接轨的重要方面。

5：桥梁结构应因地制宜
桥梁等结构的风险后果较大,且由于车流、车载、车速的快速发展,在设计荷载标准值和承载力安全度的设置水准上值得探讨;在推广可靠度方法于各类设计规范时,结构设计规范采用可靠度设计方法的经验值得总结;完善技术标准体系与管理体制;逐步淡化技术规范条文的强制性质;鼓励编制地方性规范(标准) ,适应不同地区在环境地质和经济、技术水平上的差异。

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八常见问题
1：主拱圈裂缝( 主拱圈中波纵向裂缝; 肋、波连接处裂缝; 拱肋裂缝; 横系梁裂缝) ; 主梁裂缝及主梁变形; 墩强身裂缝; 腹拱、立墙病害; 腹拱圈及立墙上也多发生裂缝; 主拱圈轴线下降; 桥台后座变形严重; 桥面变形及破碎; 牛腿裂缝;桥面及伸缩缝裂缝。

2：提高桥梁混凝土耐久性的常用技术措施与质量保证措施
2.1 提高混凝土保护层厚度
这是提高钢筋混凝土使用寿命的最直接、简单而且经济有效的方法。

但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加。

当保护层厚度过厚时, 由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝, 反而削弱其对钢筋的保护作用。

2.2 阻锈剂
阻锈剂通过提高氯离子促使钢筋腐蚀的临界浓度来稳定钢筋表面的氧化物保
护膜, 从而延长钢筋混凝土的使用寿命。

但由于其有效用量较大, 作为辅助措施较为适宜。

2.3 混凝土保护涂层
完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触的特点, 从而延长混凝土和钢筋混凝土的使用寿命。

然而大部分涂层本身会在环境的作用下老化, 逐渐丧失其功效, 一般寿命在5~10 年, 只能作辅助措施。

2.4 高性能海工混凝土
其技术途径是采用优质混凝土矿物掺和料和新型高效减水剂复合, 配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料, 形成低水胶比, 低缺陷, 高密实、高耐久的混凝土材料。

高性能海工混凝土较高的抗氯离子渗透性为特征, 其优异的耐久性和性能价格比已受到国际上研究和工程界的认同。

2.5质量保证措施
为确保混凝土结构耐久性的目标, 须从三大环节进行控制：
一：预先质量控制与评估。

在了解工程背景、使用环境以及混凝土材
料在海洋环境中的性能特点的基础上, 通过对材料性能的试验研究, 建立混凝土结构砜性设计的数据和依据, 并预测混凝土结构的实际使用性能。

二：耐久性方案设计。

充分考虑各种可变因素对钢筋混凝土结构使用寿命的影响, 如环境温度、混凝土内应力、裂缝等, 以建立使用寿命预测系统, 为耐久性方案的设计提供指导和依据。

再以使用寿命预测各级组织变基础, 制定有针对性的耐久性解决方案。

三：质量控制与评估。

高性能混凝土施工质量控制主要涉及原材料质量、配合比、拌和、施工、保护层厚度、养护等方面, 其重点难点在于保护层厚度和养护等方面。

九提高钢筋混凝土桥梁耐久性的新途径
1) 采用高性能混凝土
高性能混凝土是从强度到耐久性都优于一般概念的混凝土, 高性能混凝土加入了比水泥颗粒小约100 倍的胶凝材料( 如硅粉、优质粉煤灰等) , 并采用高效减水剂降低水灰比和采用高强度的骨料, 其结果减小了骨料与胶凝材料间的孔隙率, 改善了混凝土的渗透性, 大大提高了混凝土的耐久性。

由于高性能混凝土能有效地降低构件截面, 与采用普遍混凝土的造价相差不大, 甚至低于普通混凝土造价, 因而高性能混凝土是一种很有发展前景的优质材料。

2) 掺入耐久性改善剂
掺入混凝土中的耐久性改善剂, 可填充混凝土空隙, 提高混凝土的密实度与抗渗性, 并能进一步降低混凝土的干缩, 提高混凝土的抗冻性及耐酸性。

3) 钢筋表面涂刷防腐蚀涂层或使用耐侯钢
防腐涂层的致密度性好, 否则水份、氧和腐蚀性介质可以穿涂层而产生电子传递现象, 同时涂层与钢筋间的粘结力要好, 并且涂层要有良好的物理力学性能。

如抗变形、抗磨擦等。

耐侯钢是在钢中加入少量的合金元素, 使其在金属基体表面形成保护层, 以提高钢材的耐腐蚀性能。

4) 结构表面涂层
混凝土表面的涂层可以阻止氯离子侵蚀和混凝土碳化深入混凝土内部, 涂层应具有足够的弹性, 热稳定性, 并能适应裂缝的开合而不断裂, 与混凝土表面有足够的粘结力, 并能抗侵蚀环境的腐蚀。

5) 钢筋阻锈剂
钢筋阻锈剂是外加剂的一个品种, 少量掺入混凝土中能起到阻止或减缓钢筋锈蚀的作用。

6) 结构耐久性设计
设计合适的结构尺寸, 是提高实际构件混凝土质量的保证, 若截面过小, 配筋过密时, 易造成混凝土浇筑困难, 骨料分布不均匀, 从而造成混凝土的密实性下降, 不利于结构的耐久性。

7) 维修养护
及时到位的维修养护是混凝土桥梁耐久性的重要保证, 由于人们对
混凝土结构耐久性的认识是逐步深入的, 已建成的桥梁在耐久性方面存
在的一些问题, 更要对其采取必要的措施来延长其使用寿命。