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1、1第 1 章 绪论1.1 课题研究目的我国自改革开放以来，桥梁建设以令世人惊叹的规模和速度迅猛发展，取得了巨大成就。如今，在祖国的江、河、湖、海和高速公路上，不同类型、不同跨径的桥梁，千姿百态，异彩纷呈，展示着我国交通特别是公路桥梁建设的辉煌。桥梁建设的成就和技术进步，是广大桥梁科技工作者才华、智慧和汗水的结晶，充分体现了我国综合国力的增强和改革开放的成果，标志着我国桥梁建设技术总体上进入国际先进水平。中国在 20 世纪 70 年代末的改革开放也迎来了桥梁建设的春天，二十世纪的成就令世人瞩目。中国的大桥跨度已名列前茅，技术上的差距也大大缩小。中国的进步和发展速度已赢得了国际同行的认可和尊敬。展
2、望 21 世纪的桥梁工程，我国在桥梁建设过程中还存在许多不足之处。建立四通八达的现代化交通网，大力发展交通运输事业，对于发展国民经济，加强全国各族人民的团结，促进文化交流和巩固国防等方面，都具有非常重要的作用。在公路、铁路、城市和农村道路以及水利建设中，为了跨越各种障碍，必须修建各种类型桥梁和涵洞，因此桥涵是交通线中的重要组成部分，而且是保证全线早日通车的关键。在经济上，桥梁和涵洞的造价一般来说平均占公路总造价的210%20%。在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要高度快速、机动的现代战争中，它具有非常重要的地位。自二十世纪中叶以来，由于科学技术的进步，工业水平的提高，社会生产力的高速发展，人
3、们对桥梁建设提出了更高的要求。现代高速公路上迂回交叉的立交桥、高架桥和城市高架道路，几十公里长的海湾、海峡大桥，新发展的城郊高速铁路桥与轻轨运输高架桥等，这些新型桥梁不但是规模巨大的工程实体，而且犹如一条地上的彩虹，将城市装扮得格外美丽。综观世界各国的大城市，常以耐人寻味的大桥作为城市的标志与骄傲。因而桥梁建筑已不单纯地被视为交通线上重要的工程实体，而且常作为一个国家科学技术、综合国力的综合体现。我国桥梁建设日新月异，设计、施工、科研单位的实力有所增强，水平普遍有所提高，但地区、单位之间并不平衡。我国桥梁技术的总体水平同世界领先水平相比仍存在一定差距，主要表现在理念和设计、材料、工艺技术创新上
4、。混凝土桥梁是我国交通基础设施中的重要组成部分。据 2000 年统计，我国仅公路网中就有各种桥梁共 278809 座，总长度为10311794km，其中危桥有 9597 座，总长度为 323415km。铁路运营线路为 70000km，桥梁总长度为 2400km，其中混凝土桥梁共 12 万余孔，占桥梁总数的 90%以上。桥梁是道路的咽喉，在我国道路事业上发挥着重要作用。但在已经运营的线路上，有些桥梁却未达到其使用寿命而过早地发生损坏，一些建成工程已暴露出了较严重的耐久性问题，使用3寿命远低于设计寿命标准。如我国第一座城市大型立交桥北京西直门立交桥，1980 年 12月建成，由于受到冰盐侵蚀、反复
5、冻融、钢筋锈蚀等作用严重破坏，于 1999 年 3 月即拆除重建，寿命不到 19 年。位于京广线正线上的某百孔大桥，1976 年交付使用，1995 年在预应力梁体上发现沿预应力筋的裂缝，此后病害不断发展，到 2000年又发现第 52 孔曲线内梁的腹板箍筋和一束预应力钢丝锈断，经诊断查明其病害根源在于梁体本身的碱硅反应和外界氯盐侵蚀，为彻底消除隐患，最终花了近两个月的时间在 2002 年底进行换梁大修，耗资数千万元。桥梁是生命线工程的重要环节，若因耐久性不足及早进行大修或更换，不仅耗资巨大，给政府构成沉重的财政负担，还会由于交通的临时中断而引发更多的社会、经济问题。所以，研究桥梁混凝土结构的耐久
6、性，以及病害发生的原因和处理、防治措施技术等，都具有重要意义。随着交通运输事业的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，尤其是重型车辆增多，再加上许多桥梁超负荷使用，已带来严重的安全隐患。而改造又限于资金的紧缺，只能采取投资较少，施工期短，又能缓解当前运输紧张状态的维修与加固技术措施。因此，桥梁病害的检测与病害原因分析就显得尤为重要。1.2 国内外研究现状4由于科学技术的进步，桥梁设计理论和建造技术的不断发展。近年来，国内外建造了许多高大的立交桥、城市高架桥、跨越江、河和海湾(或海峡)的大桥，取得很大成绩。但是国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。
7、对我国危桥险桥检查所见，有的长则 20 年到 30 年，短则 8 至10 年就出现明显病害。美国有近 60 万座混凝土桥梁存在缺陷的占 45%，需要修复和更换，类似情况在世界其它国家也不例外。我国再过 10 年以后也难免于此。桥梁的病害由于其数量之大，地域之广，项目之多，对交通运输安全畅通带来严重的影响，修复费用之浩繁，现已成为世界各国共同关注的问题。因此我们必须注重桥梁工程的耐久性，减少桥梁的缺陷及病害。勘察设计阶段、施工阶段、使用阶段都有可能引起事故的发生，造成事故的原因也是多方面的，尤其以在施工过程中发生的事故居多。有施工顺序的错误引起的，如后张法预应力梁，预应力筋张拉不是对称进行的就有
8、可能造成构件的旁弯或裂缝。施工理论方面的错误引起的事故，如模板支护结构强度不足，造成模板工程的倒塌。施工问题引起的事故，施工人员业务素质水5平不够，操作质量低劣，造成精度不够，强度不足等。本文仅对桥梁下部结构施工和使用过程中常见的事故进行分析。工程质量事故会影响施工的顺利进行，如钻孔灌注桩的施工中发生掉钻事故会直接导致钻孔施工的中断。工程施工质量事故会给工程留下隐患或缩短缩短结构我的使用年限，例如预应力施工中造成的裂缝会加快结构物的老化。最为严重的事故是造成人员的伤亡和巨大的经济损失，如桥梁墩台的倾倒，断梁，坍塌等。所以说对以发生的事故的分析决不能掉以轻心，务必及时进行分析，作出正确的结论，总
9、结切实的防治措施。桥梁事故处理的一般步骤包括：事故原因分析，事故调查报告，处理方案，施工，检查验收。事故调查内容包括工程概况，事故情况和核对地质勘察报告、测量记录、建材试验报告、施工日志等。事故处理方案的制定应符合实际情况确保处理后的效果。对于同一类型的事故也可采用不同的方案，但必须按照设计要求和有关标准、规范进行。施工中要加强验收检查。事故处理完成后应及时总结经验教训避免在以后的施工中有类似事故发生。1.3 主要研究内容桥梁的病害防治问题非常广泛，本文对桥梁下部机构的病害问6题进行了分析。用科学发展观和可持续发展的观点审视桥梁的安全耐久性问题，实施桥梁结构的全寿命设计，加强健康监测，适时养护
10、维修，以桥梁全寿命期内的综合费用评价桥梁的经济性和社会效益，这一新的理念应在桥梁的设计中得以充分体现。有专家提出，设计者所设计的结构应具有 6 个特性，即可检、可控、可换、可修、可强及可持续性，以达到在桥梁使用过程中对其构件可检查、可控制、可维修加固。设计是灵魂，施工是关键。在设计阶段采用高度发展的计算机辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用 GPS 和遥控技术控制桥梁施工，精心设计、精心施工是建设精品工程的必备条件。再者，本文摘录了一些施工单位对桥梁事故处理的实例，有些例子很具有典型性，从技术方法，施工组织安排等多方面考虑，很有借鉴价值。学生现班门弄斧
11、，仅就近年来检测维修桥梁的实例，浅谈桥梁病害的起因、检测与加固。78第 2 章 病害的起因2.1 一般表现桥梁混凝土和钢筋混凝土结构的使用寿命一般为 50 年，但是从现实情况来看，桥梁在建造和使用的过程中，受各种有害化学物质的侵蚀，并承受车辆、风、雨、雪、冻融、地震、疲劳、超载以及人为因素等外部作用，许多桥梁建筑物过早出现各种各样的缺陷和病害，甚至尚未建成时，就出现严重的工程缺陷，或者刚投入使用，就不得不进行维修。基础的缺陷和病害主要表现为：承载力不足而使基础不均匀沉陷；基础的滑移和倾斜，以及基底局部冲空；基础结构物的异常应力和开裂。桥墩、桥台缺陷和病害主要表现为：水平、竖向和网状裂缝；混凝土
12、脱落、空洞、材料老化；受外力冲击产生破坏；钢筋外漏和锈蚀；结构变形、位移等。2.2 起因归类9引起混凝土病害是一个复杂的问题，不考虑洪水、地震、超载及船舶的撞击，主要取决于以下几方面因素：(1)钢筋锈蚀钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应的过程，主要是因为钢筋表面的钝化膜破损而引起钢筋锈蚀。(2)冻融破坏由于混凝土结构内部各种毛细孔的存在，水存在于这些毛细孔中，当温度下降至冰点，结构孔隙中的水份逐渐变成冰时，体积逐渐膨胀，这种膨胀会产生一种局部张力，使其周围的水泥基质断裂，造成结构破损而引起钢筋锈蚀。(3)碱骨料反应碱骨料反应可以导致混凝土结构膨胀并产生严重开裂，主要是由于混凝土中的某些骨料，如某些
13、硅质类骨料，它们与水泥中的、等成分发生反应，在骨料表面生成一种凝胶KOH2Ca OHNaOH体遇水后发生膨胀，产生张力而导致周围混凝土发生开裂，一旦发生开裂，就会有更多的水渗透进入混凝土结构内部加速碱骨料反应的发生和发展，同时还会导致冻融破坏进入恶性循环。(4)混凝土碳化空气中的二氧化碳气体，逐渐中和混凝土的水泥水化物，把结硬的水泥浆中的氢氧化碳转化为碳酸钙，使混凝土失去碱性而变成中性化。这种现象称为“碳化” 。当碳化深度达到超过钢筋保护层时，使表层混凝土丧失碱性环境，其 ph 值低于 10，保护作用就消失了。10(5)氯离子侵蚀氯离子对钢筋钝化膜的破坏作用最强，氯盐通过混凝土中的毛细孔或微裂
14、缝渗入到钢筋的表面，直接攻击钝化膜。当钢筋表面的氯离子量超过临界值，钢筋保护膜遭到破坏，如果能供给氧气和水，就会造成钢筋局部发生腐蚀，较典型的是含盐环境。如化冰盐、海洋环境、含盐地下水等，并且其渗透深度很可能超过钢筋的深度。因此氯盐是威胁桥梁耐久性最危险的化学物质，且对钝化膜产生局部性的破坏，使钢筋表面产生点状坑蚀。(6)设计荷载标准偏低桥梁的承载能力是根据设计时所采用的荷载等级来确定的，早期建造的桥梁，特别是二十世纪六、七十年代建造的桥梁，设计荷载大多偏低。随着交通量的增加和荷载等级的提高，原有桥梁已经无法满足现今交通的需要，有些桥梁已经出现严重病害。(7)通行能力不足这主要表现在桥面宽度不
15、足；桥梁平面线形、纵断面线形标准太低；桥上通车净空或桥下通车净空不足。(8)人为及自然因素引起结构的损坏比如超出设计最高水位的洪水、泥石流、浮冰、冰冻、地震、强风、船舶撞击等作用，河道不恰当开挖，桥梁基础下存在岩溶、矿山坑道等，引起桥梁结构的局部损坏。11(9)自然老化早期公路桥梁的设计龄期为 50 年，随着时间的推移，已建桥梁会不断损坏和老化，其承载力、刚度、延性和稳定性不断下降，这是一个不可改变的客观。(10)超期服役这部分桥梁并不是太多，但主要是建造时期较早，比如五、六十年代建造的桥梁，设计使用寿命只有 30 年到 50 年，这些桥梁目前仍有部分在使用当中。(11)超负荷使用随着我国改革
16、开放的深入，运输业竞争在不断加剧。按路线等级或者预期设计荷载等级来说，这一部分设计荷载等级并不低，但由于一些特殊的原因，桥梁使用荷载大大超出设计荷载，致使桥梁长期处于超重荷载作用下运营，加速了桥梁的损坏。(12)设计施工的先天不足有些桥梁设计上不是很合理，结构构造处理不合理，桥梁在早期运营时其缺陷并不明显，运营一定时间后，病害逐渐显现出来。有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等的限制和影响，存在一定的技术缺陷，随着运营时间的增加，其病害也逐渐显露。(13)养护维修及加固措施不当有些桥梁的技术缺陷则是由于养护维修不恰当引起的。比如桥面维修增加过大的恒载，致使桥梁本身自重过大，承载力相对提高较小或未提高；桥面排水处理不当，桥面渗水；又如支座维修不当，12改变了整个结构的受力状态等。有些桥梁则是加固不当引起的。比如加固施加的预应力大小或者位置不恰当，引起结构的二次病害；又如结构体系改变不合理，致使结构的关键部位应力超限等。综上所述，我们可以看到：造成混凝土桥梁的损坏是个错综复杂的问题，但是基本上有害物质是以气体或水为载体，以混凝土的裂缝、毛细孔为通道在结构中扩
