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1、桥梁病害分析摘要桥梁是道路的咽喉，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
2、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
3、，桥梁病害的检测与病害原因分析就显得尤为重要。引言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
4、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。第1章病害的起因1.1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
5、、竖向和网状裂缝;混凝 土脱落、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。1.2起因归类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
6、要是由 于混凝土中的某些骨料,如某些硅质类骨料，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。（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
7、细 孔或微裂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
8、足这主要表现在桥面宽度不足;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。（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）
9、超负荷使用随着我国改革开放的深入，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，
10、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，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 散，和混凝土中的一些物质发生反应，使结构发生破坏。病害混凝土桥 梁的处理措施包括提高混凝土密实度和防水抗渗性以及钢筋的耐蚀 性，对防止病害的发生、提高桥梁的使用寿命有着重要的意义。1
11、.3深入考究裂缝与腐蚀问题由于混凝土的裂缝与钢筋的腐蚀是整个病害中重要的两个角色， 故需要进行更深入的探索。（1）混凝土的裂缝实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝 土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引 起的。引起裂缝的原因很多,但可归纳为两大类：第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝又称为受力裂缝, 其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载 力可能不足或存在其他严重问题。第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混 凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时,在结构内部就会
12、产生自 应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝， 裂缝一旦出现，变形得到释放，自应力也就消失了。两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在 一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占 80%;以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝 危害性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目 进行处理，不仅达不到预期的效果,还可能潜藏着突发性事故的危险。(2) 结构性裂缝受力裂缝事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于标准值，所以说在正 常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是必不可免的。因而，习惯上又 将这种裂缝称为正常裂缝。
13、实践证明,在正常条件下，裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不致生 锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新修订的公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2003以下简称桥规JTGD62 规定:钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限 值：I类及II类环境0.2mmIII类及W类环境0.15mm结构性裂缝可根据构件的受力特征判断。跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝,是最常见的结构性裂缝。在正 常设计和使用情况下，裂缝宽度不大，间距较密，分布均匀。若竖直裂缝宽度过大,超过规范规定的限值,预示结构正截面承 载力不足；支点或腹板宽度变化处附近截面由主拉应力引起的斜裂 缝。在正常
14、设计和使用情况下很少出现斜裂缝,即使出现裂缝宽度也 很小。若斜裂缝宽度过大,预示结构的斜截面承载力不足,存在发生斜 截面脆性破坏的潜在危险,应引起足够的重视。有些结构性裂缝受力裂缝是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如:钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、构件刚度 不足、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构 件产生裂缝。美国纽约一座高架桥桥梁通车后发现桥墩盖梁悬臂出现严重裂 缝，裂缝从上层受拉钢筋端头处开始，向下沿伸至悬臂根部。显然,这种裂缝是由于钢筋锚固长度不够所引起的结构性裂缝， 这种结构性裂缝对结构安全构成潜在危险,应及时加以处理。该桥采 用了预加应力的方法进行
15、了补强处理。在超静结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内力变化，可能导 致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属 于结构性裂缝受力裂缝范畴,裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不 均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大, 应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能进行上部 结构的裂缝处理。我国南方某城市立交匝道桥，其中第三联1018号墩为8 X 25m钢 筋混凝土连续箱梁结构,软土地基，钻孔桩基础，采用满堂支架就地浇 筑混凝土施工。该桥施工中出现严重裂缝,第三联1816号墩+1/41615号墩跨 拆模后，发现边跨1718号墩出现25条竖直裂缝，最大
16、裂缝宽度为 0.15mm,三个月后发现其余各跨都出现了裂缝，跨中部分的裂缝已由 腹板向底板沿伸200mm,个别裂缝已贯穿底板，在墩顶负弯矩区段也出 现了由腹板向翼缘端部延伸的横向裂缝。在该桥的事故分析中，通过对施工、检测、监理原始资料的分析， 排除了由施工方法不当和材料强度不足造成如此严重裂缝的可能。通 过对设计资料审核发现，原设计在计算基础不均匀沉降时，只考虑第 三联中间支点14号墩下沉20mm 一种工况。显然这样处理是不全面的。 若按9个支座分别下沉20mm共9种工况计算结果，进行最不利内力组 合,17号墩顶截面负弯矩最大。按此内力计算,该截面原设计配筋严 重不足，比计算需要值少32.2%,正截面抗弯承载力不足,致使箱梁顶 板出现严
