桥梁结构耐久性病害现象与成因
2015-04-15
混凝土桥梁结构耐久性病害是许多桥梁存在的问题。从结构耐久性的内涵出发，首先介绍当前桥梁结构耐久性病害现象，然后对引起桥梁结构耐久性病害的因素分析。
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。
一、结构耐久性的内涵
在最普遍的意义上，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。从专业研究及便于量化的角度，结构的耐久性可更具体的定义为：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)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性。
二、桥梁结构耐久性病害现象
（一）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。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，而且国内近年来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)在运营不到5年就纷纷出现桥面铺装损坏的问题。
（二）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。
（三）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，预应力锚头区开裂等。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。
（四）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。
三、引起桥梁结构耐久性病害的因素分析
引起桥梁病害的因素很多，涉及到桥梁的勘探、设计、施工、使用、养护等各个方面，且因桥梁的结构类型、使用环境等的不同而不同。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。当然使用方面也存在造成桥梁结构耐久性病害的原因。总的来，主要有下面几个方面。
（一）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，旧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。
（二）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线不明确，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。
（三）计算的因素
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；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；对施工方法、顺序和施工荷载对结构成桥性能的影响重视不够：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。
（四）汽车超载运行
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；另一种是车辆违规超载。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。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。
（五）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、温度的变化导致的力及应力重分布、地震、洪水等自然灾害等。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。
