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1、桥梁安全耐久性和全寿命设计研究概况桥梁安全耐久性和全寿命设计研究概况土木工程学院桥梁工程系土木工程学院桥梁工程系赵人达赵人达 博士博士 教授教授 博导博导7/29/20241Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 近年来，世界各国、特别是主要处于基础设施维护阶段的欧美等发达国家普遍发现，桥梁耐久性差、服务寿命短、全寿命经济性指标差等问题(与人们最初的设计和规划预期有很大差异)，已经严重影响了其正常服务功能的发挥，并且给养护、维修等后期运营管理工作带来难以承受的巨大经济和社会负担。7/29/20242Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 我国正处于桥
2、梁等基础设施建设的高峰时期，大量的桥梁面临着如何保证其使用寿命及使用期间的安全、耐久及维护管理的经济性问题。许多服役桥梁也暴露出病害和缺陷，因此，关于桥梁安全耐久性和全寿命设计研究有十分重要的现实意义和深远的历史意义。7/29/20243Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 0.1 关于耐久性的定义关于耐久性的定义1 耐久性的定义直接关系到对耐久性研究范围及对象的界定，是需要首先明确的问题。由于耐久性的影响因素众多，加之人们对结构耐久性的认识多种多样，因此，很难给它一个公认准确的定义。在众多的定义中，以下几种说法较有代表性：7/29/20244Renda ZHAO, P
3、hD. Prof. SWJTU引言 l) 国内一般认为，结构耐久性是指结构在设计要求的目标使用期结构在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要而保持其安全、使用功能和外观要求的能力求的能力金伟良等：混凝土结构耐久性，2002.09。7/29/20245Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 2) 国外对于耐久性的一个较好的定义是由Holland于 1993年给出的，耐久性是指在正常维护条件下，经在正常维护条件下，经过一段时间，材料和结构的承载能过一段时间，材料和结构的承载能力和使用性能没有大的变化的能力
4、。力和使用性能没有大的变化的能力。亦即：耐久性是指构件和材料抵抗衰退和腐蚀的能力M.J.Ryall，2002。7/29/20246Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 3) 我国建设部的混凝土结构的耐久性及耐久性设计指南中定义结构耐久性为：结结构在规定期限内，在各种作用下维持其应用构在规定期限内，在各种作用下维持其应用功能的能力。功能的能力。这里的作用主要指大气、化学侵蚀等导致材料性能退化的环境作用；功能则主要指与结构承载力极限状态有关的安全性(如足够的强度与稳定性)以及与结构使用极限状态有关的适用性(如有限的变形、裂缝宽度以及美观要求等)，即耐久性包括耐久的安全性与耐
5、久的适用性。7/29/20247Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 4)欧洲Duracrete【2001】定义耐久性为：混凝土结构应以这样的方式设计、建造混凝土结构应以这样的方式设计、建造及运作及运作( (运营运营) )，在可以预期的环境影响，在可以预期的环境影响下，结构在一个明确的下，结构在一个明确的( (或隐含的或隐含的) )时间时间段内，在不需要超出预期的维护和维修段内，在不需要超出预期的维护和维修费用的情况下，能够保持其安全性、适费用的情况下，能够保持其安全性、适用性及可接受的外观。用性及可接受的外观。7/29/20248Renda ZHAO, PhD. Pr
6、of. SWJTU引言 几种定义：侧重点不同，本质相近。几种定义：侧重点不同，本质相近。 有学者认为：既应该明确耐久性研究的有学者认为：既应该明确耐久性研究的主要对象，也应该明确耐久性与承载力及安全性的主要对象，也应该明确耐久性与承载力及安全性的区别。区别。 原因在于：原因在于：l)l)影响结构影响结构“安全、使用功安全、使用功能和外观能和外观”的因素很多，如果都将其看作耐久性的的因素很多，如果都将其看作耐久性的研究对象，将使得研究范围过于宽泛，缺乏可操作研究对象，将使得研究范围过于宽泛，缺乏可操作性；性；2)2)目前，不少研究和文献在一定程度上混淆了目前，不少研究和文献在一定程度上混淆了结构
7、耐久性与承载力之间的区别，这两个概念、两结构耐久性与承载力之间的区别，这两个概念、两种性能对于结构都至关重要，但耐久性主要表示结种性能对于结构都至关重要，但耐久性主要表示结构保持其特定性能的能力，承载力是其中的一种性构保持其特定性能的能力，承载力是其中的一种性能。能。 7/29/20249Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言表表0.1 4种耐久性定义的比较种耐久性定义的比较 7/29/202410Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 吴海军认为结构耐久性可以从两个层次界定吴海军认为结构耐久性可以从两个层次界定1： l)l)在最普遍的意义上，为了认
8、识其本质，结构在最普遍的意义上，为了认识其本质，结构的耐久性就是指其维持初始性能的耐久性就是指其维持初始性能( (包括安全性、适包括安全性、适用性及美观用性及美观) )的能力；的能力； 2)2)从专业研究及便于量化的角度，结构从专业研究及便于量化的角度，结构的耐久性可更具体地定义为：结构在外界环境及其的耐久性可更具体地定义为：结构在外界环境及其他因素他因素( (设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事件不应多考虑件不应多考虑) )共同作用下，在同样共同作用下，在同样( (或等效或等效) )的建的建设和运营维护总成本设和运营维护总成本( (寿命周期总成本寿命周期总
9、成本) )下，在设计下，在设计使用寿命期内，保持预期的安全性、适用性的能力。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。即耐久性的内涵应包括耐久的长寿命及经济地耐久。7/29/202411Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 该该提提法法的的特特点点：l)耐耐久久性性的的核核心心是是结结构构的的寿寿命命问问题题；2)避避免免了了较较模模糊糊的的因因素素，例例如如关关于于正正常常维维护护条条件件以以及及正正常常维维护护费费用用的的定定义义；3)耐耐久久性性的的优优劣劣不不可可避避免免地地要要涉涉及及到到经经济济性性的的问问题
10、题，只只有有以以考考虑虑了了建建设设成成本本、维维护护管管理理成成本本的的桥桥梁梁全全寿寿命命经经济济性性最最优优作作为为控控制制条条件件才才可可以以对对耐久性做出全面、公正的评价。耐久性做出全面、公正的评价。7/29/202412Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 运运用用该该提提法法可可以以方方便便地地进进行行耐耐久久性性的的比比较较和和评评价价，当当明明确确了了使使用用条条件件(外外界界环环境境及及其其他他因因素素)和和总总体体成成本本，可可以以通通过过计计算算其其实实际际使使用用寿寿命命来来评评估估一一个个具具体体结结构构的的耐耐久久性性能能否否满满足足使使用
11、用寿寿命命的的要要求求；当当明明确确了了使使用用条条件件和和使使用用寿寿命命后后，则则可可以以通通过过计计算算总总体体成成本本来来评评估估不不同同耐耐久性设计方案的优劣。久性设计方案的优劣。 7/29/202413Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 此外，还必须认识到正如英国标准 BS7543，1992中指出的那样：“耐久性预测不可能是一门精确的科学，建筑物的寿命预测只能是个估计”。该观点至少在当前阶段仍然是符合实际的。但是，考虑到现阶段在结构设计中所强调的只是结构在荷载作用下的承载能力，它基本上不考虑材料性能在长期使用过程中的劣化(除疲劳荷载作用外)，不直接考虑因耐
12、久性不足导致的性能失效的可能；所以，关于耐久性及使用寿命的计算尽管是近似的估算，但对于设计者、业主或使用者来说仍然有其必要性。7/29/202414Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1 各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 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。7/29/202415Renda ZHAO, PhD. P
13、rof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.1混凝土桥梁的耐久性问题混凝土桥梁的耐久性问题 混凝土桥梁(主要指梁式桥)的使用历经整个20世纪，但大规模发展应用开始于第二次世界大战之后。而发现混凝土结构的耐久性问题则在战后的六、七十年代，一些发达国家的混凝土桥梁在使用了约三、四十年后，纷纷进入老化期，引发对原有混凝土桥梁的评估。人们始料不及的是：混凝土材料在混凝土材料在环境及使用条件下，出现了一系列影响结构耐久性环境及使用条件下，出现了一系列影响结构耐久性的物理、化学变化，如结构混凝土的碳化、保护层的物理、化学变化，如结构混凝土的碳化、保护层剥落、裂缝的发展、钢筋锈
14、蚀、渗透冻融破坏等等。剥落、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏等等。 7/29/202416Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 在各类桥梁中，混凝土桥梁的数量占绝对多数，1989年欧洲混凝土桥梁占桥梁总数的70%，我国混凝土桥梁占90%以上【周履，1998】。近年来，国内外关于混凝土桥梁病害和破坏事故的报道屡见不鲜。此外，尽管在各类桥梁中预应力混凝土桥梁的缺陷率最低，而使用寿命的期望值最高【周履，2000】。 7/29/202417Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 但自70年代以来，国内外都发现一些预
15、应力混凝土桥梁发生损伤的情况，不但影响桥梁结构的正常使用，还危及使用者和结构的安全。混凝土桥梁的病害由于其数量大，涉及地域广，对交通的安全畅通影响严重，修复费用巨大，成为世界各国共同关注的问题。美国联邦公路局(FHWA)所支持的一项研究项目曾对美国既有桥梁(共有约470 000座)的缺陷情况进行了调查，缺陷比例近1/3。 各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题7/29/202418Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题表表1.1 美国不同材料桥梁结构缺陷分布情况美国不同材料桥梁结构缺陷分布情况7/29/202419Re
16、nda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 我国交通部我国交通部20032003年年底的统计数字年年底的统计数字显示，全国共有公路桥梁显示，全国共有公路桥梁310 773310 773座，座，计计12 466 14312 466 143延米，按延米，按公路桥梁养护公路桥梁养护技术规范技术规范归类为危险等级的桥梁为归类为危险等级的桥梁为10 10 443443座，计座，计378 439378 439延米延米1414。此外，根据。此外，根据目前工程实践反馈的信息，我国桥梁耐目前工程实践反馈的信息，我国桥梁耐久性差的情况十分严峻。桥梁耐久性不
17、久性差的情况十分严峻。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了沉重的负足给后期的维护和管理造成了沉重的负担。担。 7/29/202420Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 美国联邦公路署在1989年提交美国国会的一份报告国家公路和桥梁现状中提到：“现积压有待修补的混凝土桥梁的维修费用为1 550亿美元”【洪乃丰，2002】。美国土木工程学会在2001年指出，美国在随后的5年需要花费1.3万亿美元来解决当时基础设施中存在的缺陷。就桥梁而言，29%的桥梁被界定为具有功能性缺陷，将需要在随后的10年中每年耗费106亿美元来解决这一问
18、题贡金鑫，1999。 7/29/202421Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1）立柱钢筋锈蚀、保护层剥落 2）主梁端部受到雨水等有害物质侵蚀图1.1 混凝土桥梁立柱和主梁耐久性退化的典型例子7/29/202422Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 在世界范围内，钢筋腐蚀对混凝土桥梁的破坏和影响最为突出，特别是沿海、跨海桥，采用除冰盐的公路桥、城市立交桥以及处于盐碱地区的桥梁，其腐蚀破坏是相当严重的，甚至在几年、十几年内就不得不修复或重建，远远达不到预期
19、使用年限的要求，已经成为世界瞩目的大问题。我国基础设施的腐蚀破坏以沿海地区较为明显，有些码头桥梁使用310年就要修复。而北方撒盐除冰的危害也己经显露出来，如北京西直门立交桥，使用19年就因严重腐蚀而报废(己经于1999年另建新桥)；东直门桥等数座桥的“盐害”也很明显和严重，不得不作修复、加固处理王媛俐，2001 。7/29/202423Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.2 缆索承重桥梁的耐久性问题缆索承重桥梁的耐久性问题 缆索(拉索或吊杆)一般布置在梁体外部，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感，主要表现在悬索桥
20、钢索的锈蚀和斜拉桥拉索的损坏。 7/29/202424Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 大跨度桥梁结构中经常使用缆索承重体系来跨越江河，主要的桥型包括各种吊杆(系杆)拱桥、斜拉桥和悬索桥等。缆索(拉索或吊杆)一般布置在梁体外部，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感；加之当时使用的缆索防护体系不易检查，因此，缆索和吊杆的防护与耐久性极为重要，它直接关系到桥梁的使用寿命和使用性能，是缆索承重桥梁的生命线。7/29/202425Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐
21、久性问题 自二战以来，以斜拉桥的复兴为标志，世界各地陆续修建了大量的大跨缆索承重桥梁结构悬索桥与斜拉桥。至上世纪末，己发现悬索桥在使用十年左右后，钢索己出现锈蚀；斜拉桥的拉索损坏更严重，国内外不少斜拉桥的拉索甚至在使用不到十年就损坏了。7/29/202426Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 例如，美国在1903年建世界上第一座现代化长跨度悬索桥Williamsburg桥，由于当时技术原因和造价，没有对钢丝进行镀锌处理，而代之以亚麻油和石墨来涂覆钢丝，建成后仅7年就发现钢丝锈蚀断裂。1922年将缆索补缠镀锌钢丝，但是到了19
22、34年，发现主缆内有水从锚锭处流出；10年后，从塔顶向缆索内注入400加仑的亚麻油，1968年又注入鱼油和矿物酒清。但是所有这些措施都没有能够阻止锈蚀的发展。1992年，被迫进行为期3年的主缆维护工作，耗资7300万美元。近年来先后有多座桥梁的拉索(或吊杆)因为耐久性不足而更换（见表1.2）吴海军，2003。 7/29/202427Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题表表1.2 部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录 7/29/202428Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各
23、类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题表表1.2（续）（续） 部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录部分缆索承重桥梁拉索或吊杆更换记录 广西来广西来宾宾1980.11建成建成,1981.09通车通车7/29/202429Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.3 拱桥的耐久性问题拱桥的耐久性问题 拱桥在我国历史久远、源远流长，一直在我国桥梁中占有非常重要的地位。我国在上世纪六七十年代修建了大量的石拱桥和混凝土拱桥，特别是众多混凝土双曲拱桥因为严重的开裂问题，而不得不加固或拆除重建。而在上世纪八九十年代修建的二十余座预应力
24、混凝土桁式组合拱桥，在平均使用不到15年的时间，因为严重的病害，已经有约1/4的桥梁被炸掉或封闭弃用，另有约1/4的桥梁被严格限载，降级使用。7/29/202430Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 1.4 钢桥的耐久性问题钢桥的耐久性问题 公路钢桥运营期间的损伤形式主要有：钢材腐蚀与劣化、活载引发的破损、疲劳和失稳等。钢桥大国日本对1 691座钢桥重建与改建原因的调查结果表明：道路线形改变、道路等级的提高、河道改修和交通量增加桥宽太窄等桥梁使用功能性问题占总数的约60%，这从一个侧面反映了影响桥梁使用寿命的因素的多样性。7
25、/29/202431Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 图图1.2 日本对日本对69座桥梁上部结构损伤形式的调查结果座桥梁上部结构损伤形式的调查结果7/29/202432Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 钢桥的腐蚀、劣化、疲劳损伤的影响因素较钢桥的腐蚀、劣化、疲劳损伤的影响因素较复杂，主要因素有：复杂，主要因素有： 1)材料；材料； 2)结构构造的设计、加工工艺和施工方法；结构构造的设计、加工工艺和施工方法； 3)作用荷载；作用荷载； 4)环境；环境；
26、5)桥梁的运营管理等。桥梁的运营管理等。 7/29/202433Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各类桥梁面临的耐久性问题各类桥梁面临的耐久性问题 综上所述，当我们将精力主要放在高速综上所述，当我们将精力主要放在高速建设新桥的时候，可能想象不到若干年后我建设新桥的时候，可能想象不到若干年后我们将不得不为了这些桥梁的维修、加固付出们将不得不为了这些桥梁的维修、加固付出难以想象的沉重代价。从桥梁整个寿命周期难以想象的沉重代价。从桥梁整个寿命周期的综合社会效益和经济效益的角度看，以当的综合社会效益和经济效益的角度看，以当前的桥梁建设现状，每年新建桥梁越多，后前的桥梁建设现状，每
27、年新建桥梁越多，后期因为耐久性不足导致的维护和加固的负担期因为耐久性不足导致的维护和加固的负担就越重，总体社会和经济效益就越差。这是就越重，总体社会和经济效益就越差。这是必须认真研究解决的问题。必须认真研究解决的问题。7/29/202434Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2 桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.1 桥面铺装破坏桥面铺装破坏 在车辆在车辆( (尤其是超载、超限车辆尤其是超载、超限车辆) )的长期的长期作用下，尚未达到预期年限的桥面板经常出作用下，尚未达到预期年限的桥面板经常出现凸凹
28、不平或网状开裂等破坏现象。桥面铺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、病害严重的情况非作用，桥面铺装寿命短、病害严重的情况非常普遍。常普遍。7/29/202435Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2 桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.1 桥面铺装破坏
29、桥面铺装破坏 桥面铺装损坏的问题在我国也非常严重，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，而且国不仅在早期修建的桥梁中大量存在，而且国内近期修建的几座特大型桥梁内近期修建的几座特大型桥梁( (如虎门大桥、如虎门大桥、厦门海沧大桥、江阴大桥等厦门海沧大桥、江阴大桥等) )在运营几年后就在运营几年后就纷纷出现桥面铺装损坏的问题。纷纷出现桥面铺装损坏的问题。7/29/202436Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.2 桥头跳车桥头跳车 桥梁运营一段时间后，普遍存在台桥梁运营一段时间后，普遍存在台
30、后填土下沉的现象，使桥头跳车成为一后填土下沉的现象，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，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。并影响桥梁的耐久性与使用寿命。7/29/202437Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.3 混凝土开裂混凝土开裂 在混凝土桥梁中，梁体开裂是一种影响在混
31、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，腹板开裂部位可分为：主梁顶、底板开裂，腹板开裂，齿板开裂，预应力锚固区域开裂等。按裂，齿板开裂，预应力锚固区域开裂等。按成因可分为结构裂缝和非结构裂缝。成因可分为结构裂缝和非结构裂缝。结构裂结构裂缝是指混凝土所受拉应变超过极限应变而出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现的开裂现象，它的宽度可随着荷载的变化而变化。而变化。非结构裂缝一般是指由于变形受到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。约束而出现的开裂
32、现象。 7/29/202438Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 混凝土结构中非结构裂缝产生的主要原因一般混凝土结构中非结构裂缝产生的主要原因一般有：有： l) l) 构造处理不当造成的混凝土裂缝；构造处理不当造成的混凝土裂缝； 2) 2) 混凝土的干缩引起的裂缝；混凝土的干缩引起的裂缝； 3) 3) 由于碱由于碱骨料反应骨料反应(AAR)(AAR)引起的裂缝；引起的裂缝； 4) 4) 由于外界温度变化引起的裂缝；由于外界温度变化引起的裂缝； 5) 5) 由于钢筋锈蚀引起的裂缝；由于钢筋锈蚀引起的裂缝； 6) 6) 由于
33、荷载作用引起的裂缝；由于荷载作用引起的裂缝； 7) 7) 太阳辐射、混凝土老化、徐变及疲劳太阳辐射、混凝土老化、徐变及疲劳作用引起的裂缝。作用引起的裂缝。 7/29/202439Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 由由于于其其成成因因不不同同，对对结结构构的的耐耐久久性性影影响响也也不不同同。第第l)l)种种裂裂缝缝，由由于于其其深深度度通通常常较较浅浅，对对耐耐久久性性的的影影响响是是可可以以忽忽略略的的；第第3)3)种种裂裂缝缝，在在正正常常结结构构中中是是不不允允许许的的，属属于于特特殊殊问问题题；第第5)5)种种
34、裂裂缝缝的的出出现现往往往往意意味味着着结结构构混混凝凝土土耐耐久久性性失失效效；第第2)2)、4)4)、6)6)和和7)7)类类裂缝对结构耐久性的影响一般容易被忽视。裂缝对结构耐久性的影响一般容易被忽视。 混混凝凝土土裂裂缝缝对对结结构构耐耐久久性性产产生生影影响响主主要要是是因因为为裂裂缝缝增增大大了了混混凝凝土土的的渗渗透透性性，使使空空气气中中的的有有害害气气体体或或物物质质容容易易渗渗入入混混凝凝土土内内，致致使使钢钢筋筋钝钝化化膜膜较早破坏而产生锈蚀。较早破坏而产生锈蚀。7/29/202440Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构
35、常见耐久性病害现象 2.4 钢筋锈蚀钢筋锈蚀 受力钢筋的锈蚀将导致其有效截面的下降；锈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
36、的速度，造的钢筋暴露于空气中，加快了钢筋锈蚀的速度，造成恶性循环。引起钢筋锈蚀的两个主要原因是混凝成恶性循环。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。土的碳化及氯离子的侵蚀。7/29/202441Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 (l)碳化碳化15 影响结构耐久性的因素很多，其中混凝影响结构耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早土碳化是一个重要的因素。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其期混凝土具有很高的碱性，其pHpH值一般大于值一般大于12.512.5，在这样高的碱性环
37、境中埋置的钢筋容，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，与混凝土材料中的碱性物入混凝土内部时，与混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土的质中和，会导致混凝土的pHpH值降低。值降低。 7/29/202442Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 当混凝土完全碳化后，就出现当混凝土完全碳化后
38、，就出现pHpH 9 9的情况，在这种环境下，混凝土中的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。等一系列不良后果。7/29/202443Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 混凝土的
39、碳化机理：混凝土的碳化机理：混凝土的基本组成成分是水泥、水、砂和石子，其中的水泥与水发生水化反应，生成的水化物自身具有强度(称为水泥石)，同时将散粒状的砂和石子粘结起来，成为一个坚硬的整体。在混凝土的硬化过程中，约占水泥用量的三分之一将生成氢氧化钙Ca(OH)2，此氢氧化钙在硬化水泥浆体中结晶，或者在其空隙中以饱和水溶液的形式存在。因为氢氧化钙的饱和水溶液是pH值为12.6的碱性物质，所以新鲜的混凝土呈碱性。7/29/202444Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 然而，大气中的二氧化碳却时刻在向混凝土的内部扩散，与混凝
40、土中的氢氧化钙发生作用，生成碳酸盐物质，从而使水泥石原有的强碱性降低，pH值下降到8.5左右，这种现象就称为混凝土的碳化（中性化）。这是混凝土中性化最常见的一种形式。7/29/202445Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象混凝土碳化的主要化学反应式为：CO2+H2O H2CO3 Ca(OH)2+H2CO3 CaCO3+2H2O7/29/202446Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 影响混凝土碳化的因素影响混凝土碳化的因素：混凝土的碳化是伴随着CO
41、2气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的水中，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。研究表明，混凝土的碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。而CO2气体的扩散速度又受混凝土本身的组织密实性、CO2气体的浓度、环境湿度、试件的含水率等因素的影响。 7/29/202447Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 所以碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些影响因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素和与环境相关的外界因素。对于服役结构物来说，由于其内部因素已经确定
42、，因此影响其碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的浓度、环境温度和湿度。 7/29/202448Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 快速碳化试验表明，CO2的浓度越高，且压力越大，碳化深度越大，因为高浓度，高压力的CO2气体能较快地向混凝土内部扩散，使碳化反应迅速进行。因此，在城市交通繁忙路段处的结构物或CO2浓度较高的工业厂房往往碳化现象较严重。 另外，碳化较易发生在潮湿的环境中，尤其是干湿交替的环境，因此南方的建筑物容易产生碳化现象，且随着温度的升高，混凝土的碳化加速。7/29/202449Renda ZHAO,
43、PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 (2)氯离子的侵入氯离子的侵入 混凝土中的高碱性溶液对钢筋起保护作用，而氯离子会通过扩散和毛细作用进入混凝土内，当溶入混凝土中的氯盐含量达到混凝土重量的0.1%0.2%时，钢筋开始锈蚀；当氯盐含量超过1%后，钢筋的锈蚀面积将急速增加。7/29/202450Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 氯离子导致钢筋腐蚀需要有以下条件： l)钢筋表面钝化膜被破坏； 2)有充足的氧的供应； 3)有适宜的湿度。 大量的工程实践表明：干燥环境下的钢筋不易
44、腐蚀，潮湿或干湿交替环境下腐蚀发展较快，而长期处于海水下的结构，虽然氯离子浓度很大，但由于缺氧也不易腐蚀。7/29/202451Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 2.5 桥梁附属设施的病害桥梁附属设施的病害 包括伸缩缝和支座等的病害。 (l)伸缩缝 伸缩缝设置在梁端相对薄弱的部位，受桥面温度变化的影响和车辆荷载的作用频繁地伸缩变形，极易损坏。伸缩缝损坏后，不仅影响行车的舒适性，而且可能造成水的下渗，进而导致桥梁主体结构和支座的腐蚀及老化。7/29/202452Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU桥梁
45、结构常见耐久性病害现象桥梁结构常见耐久性病害现象 (2)支座 活动支座应能保证上部主梁结构的自由变形(转动或移动等)。当有异物填充，或钢板支座锈蚀、螺母松动或螺栓脱落及橡胶支座出现老化时，上部主梁结构可能会丧失自由伸缩的能力，导致应力重新分布，可能引起开裂等病害。7/29/202453Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 3 引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 3.1 设计方面的因素设计方面的因素1 很多桥梁病害与施工质量低劣有关，但在承认施工存在问题的同时，也不可否认，在
46、桥梁设计中还有许多可以改进的地方。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。设计方面的问题从大的方面可以简单地归纳为：7/29/202454Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (l)(l)设计标准低设计标准低 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，既有桥梁的荷载标准高的，随着交通事业的发展，既有
47、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。求一直较低，也在客观上影响了桥梁的耐久性。7/29/202455Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (
48、2)(2)结构与构造细节不合理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案的取舍，而很少从耐久性的角度来进行分析和评价。价。例如采用预应力结构或钢筋混凝土结构，简支或连续，例如采用预应力结构或钢筋混凝土结构，简支或连续，T 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构造问题，不但影响经济性，对桥
49、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径不明确，造延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路径不明确，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。性，增加桥梁的病害。7/29/2024
50、56Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 吴海军总结的混凝土桥梁耐久性设吴海军总结的混凝土桥梁耐久性设计原则与构造措施计原则与构造措施1010： 1)1)力线平滑、应力均匀流畅的原则；力线平滑、应力均匀流畅的原则； 2)2)结构应保证整体性、连续性和冗余性；结构应保证整体性、连续性和冗余性； 3)3)结构应具有可检性、可修性和可替换结构应具有可检性、可修性和可替换性；性； 4)4)结构应具有良好的防水能力；结构应具有良好的防水能力； 5)5)结构设计应保证可施工性。结构设计应保证可施工性。7/29/2024
51、57Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (3)(3)计算的因素计算的因素 l)l)在桥梁设计和计算过程中，未充分考虑混凝土徐变、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；收缩及温度应力等非荷载因素的影响； 2)2)在进行结构有限元分析时，过度强调局部性单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；全局性问题认识不够； 3)3)就施工方法、施工顺序和施
52、工荷载对结构成桥就施工方法、施工顺序和施工荷载对结构成桥性能的影响重视不够；性能的影响重视不够； 4)4)在构件的特殊部位，如构件的角隅处、预应力在构件的特殊部位，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。置不足或不当的问题。7/29/202458Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 3.2 施工和管理
53、的因素施工和管理的因素1 (l)施工质量低施工质量低 大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出现了影响正常使用的病害与劣化。特别是一些桥梁现了影响正常使用的病害与劣化。特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题，这与施工质量低下有重要关系，久性不足的问题，这与施工质量低下有重要关系，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题。这些施工上的缺陷工现场的严重的构件开裂问题。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使
54、用产生明显的影响，虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。7/29/202459Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 主要问题有：主要问题有： l)l)材料质量控制的问题；材料质量控制的问题； 2)2)预应力材料防护问题；预应力材料防护问题； 3)3)压浆不及时或操作不合理；压浆不及时或操作不合理； 4)4)张拉力不足，张拉程序不合理；张拉力不足，张拉程序不合理； 5)5)锚头防护不够；锚头防护不够； 6)6)施工缝
55、处理不当等。施工缝处理不当等。7/29/202460Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析(2)(2)管理制度欠完善管理制度欠完善 l)l)只注重建设初期的成本，而忽视桥梁只注重建设初期的成本，而忽视桥梁从规划、建设到运营、破坏整个寿命周期的从规划、建设到运营、破坏整个寿命周期的总体成本。国内桥梁工程招投标中经常是报总体成本。国内桥梁工程招投标中经常是报价越低，得分越高，中标的希望越大。价越低，得分越高，中标的希望越大。 2)2)对工期的不合理要求。对工期的不合理要求。 3)3)工程移交方式不够合理。工程移交
56、方式不够合理。7/29/202461Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析3.3 3.3 使用的因素使用的因素(l)汽车超载运行汽车超载运行1 汽车超载主要有三种情况：其一是早期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；其三是车辆违规的车流量超过原设计预期；其三是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的超载。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；后者是车辆使变化和交通量的增加所导致；后者是车辆
57、使用者违法超载营运，后两种超载现象在我国用者违法超载营运，后两种超载现象在我国公路交通运输中较为普遍。公路交通运输中较为普遍。7/29/202462Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 一方面，桥梁的超载使用可能引发一方面，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，于超载造成的桥梁内部损伤不能
58、恢复，将使桥梁在此后正常荷载下的工作状态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发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。和耐久性。 7/29/202463Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 例如，预应力混凝土桥梁一直被认为具有足够的耐久性，但在汽车超载作用下，可能发生开裂；裂缝即使在荷载卸除后能够闭合，但由于结构内部已经受到损伤，构件的开裂弯矩降低、刚度下降；于是在正常使用荷载作用下，本来不该开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝成为超出规范允许的裂缝或产生较大的变形吴海军，2
59、002。这些都会对结构长期的使用性能和耐久性产生不利的影响。因此，除了交管部门要加强管理外，也需要对超载带来的后果进行研究、分析。 7/29/202464Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析引起桥梁结构耐久性病害的因素及分析 (2)(2)其他因素其他因素 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、温度的变化导致的内力及应力重分布、地震、洪水等自然灾害等；又如桥上车辆拥堵使得拥堵车辆荷载效应大于设计车辆活载效应，从而影响桥梁的安全性和耐久性2；北方城市桥梁除冰盐对桥梁耐久性产生不利影响3。 桥梁的耐久性病害和原因
60、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。7/29/202465Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU提高结构耐久性的措施提高结构耐久性的措施4 提高结构耐久性的措施提高结构耐久性的措施44.1 提高设计质量提高设计质量 设计规范明确规定进行耐久性设计。贯设计规范明确规定进行耐久性设计。贯彻全寿命设计思想。彻全寿命设计思想。4.2 建立桥梁工程耐久性评估体系建立桥梁工程耐久性评估体系 桥梁工程使用年限较长，耐久性的好坏桥梁工程使用年限较长，耐久性的好坏难以在短期内鉴定，并且难以以单一的、精难以在短期内鉴定，并且难以以单一的、精确的
61、指标鉴定。确的指标鉴定。7/29/202466Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU提高结构耐久性的措施提高结构耐久性的措施4.3 建立桥梁资料库并将桥梁的监测与维护制度化建立桥梁资料库并将桥梁的监测与维护制度化 要确保结构的正常使用，及时发现安全隐患，必须建立定期监测的制度，及时发现问题，以便及时维修与加固。4.4 进一步加强提高耐久性方面的技术研究并积极借进一步加强提高耐久性方面的技术研究并积极借鉴国外的经验和成果鉴国外的经验和成果 一方面是材料的研究， 另一方面是关于设计理念的研究。44.5 从材料方面提高从材料方面提高12 控制材料品质、使用高性能材料、不锈钢材料、防
62、护涂层材料、环氧树脂包裹材料等。7/29/202467Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法5 耐久性设计方法耐久性设计方法 总体说来桥梁结构耐久性设计分为耐久总体说来桥梁结构耐久性设计分为耐久性材料设计、耐久性计算和验算、结构外观性材料设计、耐久性计算和验算、结构外观和构造措施三个部分：和构造措施三个部分： 1 1、耐久性材料设计就是基于材料耐久、耐久性材料设计就是基于材料耐久性退化机理，对桥梁建设中采用的材料提出性退化机理，对桥梁建设中采用的材料提出质量和施工要求，比如高强混凝土、防渗混质量和施工要求，比如高强混凝土、防渗混凝土、混凝土外加剂、
63、防锈钢筋的设计和混凝土、混凝土外加剂、防锈钢筋的设计和混合料的品质要求等。合料的品质要求等。7/29/202468Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 2 2、耐耐久久性性设设计计和和验验算算就就是是在在现现行行规规范范的的设设计计计计算算和和验验算算中中考考虑虑耐耐久久性性影影响响系系数数，表表征征结结构构抗抗力力随随时时间间衰衰减减变变化化的的规规律律，是是时时间间的的函函数数。利利用用它它在在桥桥梁梁设设计计基基准准期期内内预预测测结结构构承承载载能能力力的的变变化化规规律律，进进而而对对桥桥梁梁整整个寿命期的个寿命期的“健康状况健康状况”
64、做到适时控制。做到适时控制。7/29/202469Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法计算公式例子计算公式例子7/29/202470Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法计算公式例子计算公式例子7/29/202471Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 3、桥桥梁梁外外观观和和构构造造措措施施是是指指桥桥梁梁设设计计要要注注意意桥桥梁梁结结构构与与自自然然地地理理环环境境条条件件相相和和谐谐、结结构构内内部部避避免免出现不利于桥梁耐久性的构造。出现不利于
65、桥梁耐久性的构造。 外外观观包包括括：对对于于各各种种地地形形条条件件桥桥梁梁跨跨径径的的布布置置和和结结构构形形式式的的选选择择，人人的的生生产产生生活活与与桥桥梁梁的的相相互互影影响响，以以及及远远期期各各种种环环境境条条件件的的变变化化与与桥桥梁梁的的相相互互影影响响等等等；等； 构构造造措措施施包包括括：桥桥梁梁结结构构构构造造应应避避免免计计算算出出现现不不利利于于耐耐久久的的内内力力、变变形形，在在荷荷载载作作用用下下传传力力路路径径简简洁洁明明确确、均均匀匀平平滑滑，杜杜绝绝应应力力应应变变集集中中和和突突变变、局局部集中裂缝等。部集中裂缝等。117/29/202472Renda
66、 ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 7/29/202473Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.1全面的耐久性设计方法全面的耐久性设计方法1 5.1.1 基于使用寿命及材料性能退化的耐久性设计方法基于使用寿命及材料性能退化的耐久性设计方法 基于使用寿命及材料性能退化的理论计算方法是目前唯基于使用寿命及材料性能退化的理论计算方法是目前唯一能够实现的定量的耐久性设计方法，通过调整保护层厚度、一能够实现的定量的耐久性设计方法，通过调整保护层厚度、钢筋数量、混凝土强度等耐久性设计参数可以使桥梁结构的钢筋数量、混
67、凝土强度等耐久性设计参数可以使桥梁结构的耐久性寿命满足设计要求。对于混凝土桥梁可以采用的耐久耐久性寿命满足设计要求。对于混凝土桥梁可以采用的耐久性措施包括：采用耐久性能优良的原材料，如水泥、砂及碎性措施包括：采用耐久性能优良的原材料，如水泥、砂及碎石；采用抗腐蚀和抗锈蚀性能良好的钢材，如采用不锈钢筋、石；采用抗腐蚀和抗锈蚀性能良好的钢材，如采用不锈钢筋、环氧涂层钢筋或采用环氧涂层钢筋或采用FRP筋等新型复合材料；优化混凝土的筋等新型复合材料；优化混凝土的配合比，减小水灰比、减少孔隙率，提高混凝土的密实性，配合比，减小水灰比、减少孔隙率，提高混凝土的密实性，增强混凝土抵抗外界有害物质侵蚀的能力。
68、增强混凝土抵抗外界有害物质侵蚀的能力。7/29/202474Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.1.2 基于桥梁结构构造与细节的耐久性设计方法基于桥梁结构构造与细节的耐久性设计方法 除了满足基于使用寿命的设计计算和规范建议除了满足基于使用寿命的设计计算和规范建议的措施外，在结构构造上需要满足：结构体系设计的措施外，在结构构造上需要满足：结构体系设计应简洁、结构型式应统一谐调，结构应具有良好的应简洁、结构型式应统一谐调，结构应具有良好的整体性、强健性和冗余性，结构力线的传递要均匀，整体性、强健性和冗余性，结构力线的传递要均匀，应充分做好结构的
69、防水问题，构造细节应充分考虑应充分做好结构的防水问题，构造细节应充分考虑到后期检查、维护和更换的需要。这是保证寿命期到后期检查、维护和更换的需要。这是保证寿命期良好耐久性的必要前提，也是桥梁全寿命经济性的良好耐久性的必要前提，也是桥梁全寿命经济性的可靠保证。可靠保证。 7/29/202475Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 具体地，在设计阶段可从下面几个方面具体衡具体地，在设计阶段可从下面几个方面具体衡量桥梁构造的耐久性能的优劣：量桥梁构造的耐久性能的优劣： l)在荷载作用下，结构应传力明确、传力路径较短； 2)力线平滑、应力均匀流畅； 3)
70、结构的整体性、连续性和冗余性； 4)结构应具有可检性、可修性和可替换性； 5)结构应具有良好的防水能力； 6)结构设计应保证可施工性，从而易于保证施工质量。7/29/202476Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.1.3 确保耐久性的施工质量控制要求确保耐久性的施工质量控制要求 施工是实现设计目标的关键步骤，良好施工是实现设计目标的关键步骤，良好的施工质量是保证桥梁结构耐久性的关键因的施工质量是保证桥梁结构耐久性的关键因素。以耐久性能为目标的施工质量要求肯定素。以耐久性能为目标的施工质量要求肯定不同于目前以承载能力为目标的控制要求，不同于目
71、前以承载能力为目标的控制要求，因此，确定施工质量控制标准也是耐久性设因此，确定施工质量控制标准也是耐久性设计的重要环节。计的重要环节。7/29/202477Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.1.4 基于耐久性及经济性的桥梁维护、管理策略基于耐久性及经济性的桥梁维护、管理策略 结构的维修、加固时机和方案不但影响桥梁的结构的维修、加固时机和方案不但影响桥梁的耐久性和安全性，还将直接影响全寿命的经济性，耐久性和安全性，还将直接影响全寿命的经济性，因此维修决策将不能简单地依靠经验来确定，必须因此维修决策将不能简单地依靠经验来确定，必须根据各种方案
72、的不同效果（性能与耐久性）、经济根据各种方案的不同效果（性能与耐久性）、经济性（加固的直接成本与交通扰动等的间接成本之和）性（加固的直接成本与交通扰动等的间接成本之和）来进行优化，从中选择最优的时机和方案。因此，来进行优化，从中选择最优的时机和方案。因此，基于耐久性和经济性的桥梁维护、管理策略与方案基于耐久性和经济性的桥梁维护、管理策略与方案也是需要在耐久性设计阶段考虑和明确的重要内容。也是需要在耐久性设计阶段考虑和明确的重要内容。7/29/202478Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法桥梁维护、管理对结构性能影响的图示桥梁维护、管理对结构性能
73、影响的图示 7/29/202479Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.1.5 基于全寿命成本分析耐久性设计评估与优化基于全寿命成本分析耐久性设计评估与优化 基于全寿命成本的经济性分析方法是评价和选基于全寿命成本的经济性分析方法是评价和选择耐久性设计方案及进行桥梁维护管理策略优化的择耐久性设计方案及进行桥梁维护管理策略优化的有力工具。在设计阶段就应综合考虑建设、运营、有力工具。在设计阶段就应综合考虑建设、运营、维护、管理等桥梁寿命全过程的费用。从全寿命经维护、管理等桥梁寿命全过程的费用。从全寿命经济性的观点规划桥梁耐久性设计、施工、维护管理济
74、性的观点规划桥梁耐久性设计、施工、维护管理等环节的具体方案。等环节的具体方案。7/29/202480Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 目前的常规桥梁设计过程主要考虑初始建设费目前的常规桥梁设计过程主要考虑初始建设费用，而很少考虑运营、维护、管理等费用，难于对用，而很少考虑运营、维护、管理等费用，难于对桥梁耐久性设计方案作出评估；它是通过承载能力桥梁耐久性设计方案作出评估；它是通过承载能力验算及建设成本比较来满足既安全、又经济的要求；验算及建设成本比较来满足既安全、又经济的要求；而桥梁耐久性设计是涉及全寿命使用周期的问题，而桥梁耐久性设计是涉及
75、全寿命使用周期的问题，相应地，可以通过耐久能力设计验算及全寿命经济相应地，可以通过耐久能力设计验算及全寿命经济性的比较与优化来满足既安全耐久又经济的目标。性的比较与优化来满足既安全耐久又经济的目标。 7/29/202481Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.2 桥梁全寿命设计桥梁全寿命设计6,13 5.2.1 概念概念 为寻求全寿命周期内桥梁的人文、生态、为寻求全寿命周期内桥梁的人文、生态、环境、技术、功能和经济效益等综合最优，环境、技术、功能和经济效益等综合最优，对结构、材料、耐久性、美学、环保、施工、对结构、材料、耐久性、美学、环保、施
76、工、管养以及全寿命成本等进行综合设计的方法管养以及全寿命成本等进行综合设计的方法66。7/29/202482Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.2.2 设计的主要内容设计的主要内容 (1)桥梁整体及各可更换部件的设计寿命的确桥梁整体及各可更换部件的设计寿命的确定。定。 (2)性能设计。性能设计。结构体系和部件的功能设计及其未来可能的灵活性设计；为满足桥梁安全性能的要求，需进行强度、稳定性等结构设计；为满足桥梁耐久性能的要求，需进行耐久性设计；进行行车安全性分析和设计，以满足使用者对出行安全的要求；风险分析和对策设计，使桥梁在遭遇一定概率的风
77、险事件后，不造成较大经济损失和人员伤亡，明确工程保险成本。7/29/202483Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 (3)美学设计。美学设计。包括造型设计和景观设计，以满足人们对桥梁美学和景观欣赏的需求。 (4)生态设计。生态设计。包括环境保护设计、回收与再利用设计。 (5)施工过程控制设计，以确保良好施工质量施工过程控制设计，以确保良好施工质量并忠实地表达设计成果。并忠实地表达设计成果。 (6)桥梁的管理、养护设计。桥梁的管理、养护设计。包括桥梁运营期内的监测、养护、维修、管理等，使桥梁在使用寿命期内始终保持良好性能，满足使用功能的要求。7/
78、29/202484Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 (7)全寿命周期成本分析是进行桥梁全寿全寿命周期成本分析是进行桥梁全寿命设计不可缺少的内容之一。命设计不可缺少的内容之一。要选择最优的设计方案，必须进行全寿命周期成本分析，对整个寿命周期内发生的所有成本(包括财务成本和环境成本)进行比较，在平衡各种需求的前提下，选择全寿命周期成本较低的方案。7/29/202485Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.2.3 桥梁工程全寿命设计的阶段划分桥梁工程全寿命设计的阶段划分6 桥梁工程全寿命设计从投资
79、规划开始，可分为工程可行性研究、初步设计和施工图设计3个阶段。分别如图5.1图5.3 所示。7/29/202486Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 图图5.1 工程可行性研究流程图工程可行性研究流程图7/29/202487Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 图图5.2 初步设计阶段流程图初步设计阶段流程图7/29/202488Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 图图5.3 施工图设计阶段流程图施工图设计阶段流程图7/29/202489Renda
80、 ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.2.4 吴海军提出的基于使用寿命设计和全寿命经吴海军提出的基于使用寿命设计和全寿命经济性控制的耐久性设计方法济性控制的耐久性设计方法 给出了耐久性设计的主要步骤7： 确定目标使用寿命和设计使用寿命； 环境效应分析； 劣化因素和机理的确定； 选择耐久性模型； 耐久性参数的计算； 对常规力学方法的计算进行修正； 耐久性参数应用到最终设计。7/29/202490Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法全面的桥梁结构耐久性设计方法框架全面的桥梁结构耐久性设计方法框架7/29/20
81、2491Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法 5.2.5邵旭东等提出基于寿命周期成本邵旭东等提出基于寿命周期成本(Life-Cycle Cost，简称，简称LCC)的设计方法的设计方法8 该方法是以桥梁服务水平为基础，寿命周期成该方法是以桥梁服务水平为基础，寿命周期成本总和现值最小为目标的设计方法。它是以最小的本总和现值最小为目标的设计方法。它是以最小的全寿命投入获取最优的桥梁长期服务水平这一性能全寿命投入获取最优的桥梁长期服务水平这一性能为目标的新设计方法。该方法的核心是在设计阶段为目标的新设计方法。该方法的核心是在设计阶段便考虑桥梁建成后的养
82、护、维护和管理问题，综合便考虑桥梁建成后的养护、维护和管理问题，综合评估桥梁建造成本、用户成本和社会成本，力求达评估桥梁建造成本、用户成本和社会成本，力求达到总体资源消耗最小为目的。桥梁全寿命设计流程到总体资源消耗最小为目的。桥梁全寿命设计流程如图如图5.45.4所示。所示。7/29/202492Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法图图5.4 桥梁全寿命设计流程桥梁全寿命设计流程7/29/202493Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法桥梁生命周期成本构成桥梁生命周期成本构成7/29/202494R
83、enda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法桥梁生命周期成本分析流程桥梁生命周期成本分析流程7/29/202495Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法5.2.6 马军海和陈艾荣等提出的桥梁全寿命设计总体马军海和陈艾荣等提出的桥梁全寿命设计总体框架框架9,13 他们的相关论文提出：把桥梁全他们的相关论文提出：把桥梁全寿命设计概括为使用寿命设计、美学设计、寿命设计概括为使用寿命设计、美学设计、性能设计、环境生态设计、监测养护与维修性能设计、环境生态设计、监测养护与维修设计及成本设计等六大过程的设计，提出一设计及成
84、本设计等六大过程的设计，提出一种包括三大设计阶段、六大设计过程的桥梁种包括三大设计阶段、六大设计过程的桥梁全寿命设计总体框架，如图全寿命设计总体框架，如图5.55.5和表和表5.15.1所示。所示。7/29/202496Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法图图5.5 桥梁全寿命设计的总体框架桥梁全寿命设计的总体框架7/29/202497Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性设计方法耐久性设计方法表表5.1 桥梁全寿命设计总体程序、工作与方法桥梁全寿命设计总体程序、工作与方法7/29/202498Renda ZHAO, Ph
85、D. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题6 结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题1 混凝土结构的应用范围很广，其耐久性研究受混凝土结构的应用范围很广，其耐久性研究受到国内外的极大重视，这些研究大致可分为两个层到国内外的极大重视，这些研究大致可分为两个层次：次： l)l)从材料机理上研究结构的老化损伤过从材料机理上研究结构的老化损伤过程及主要影响因素；程及主要影响因素； 2)2)从结构全局出发，以材料的耐久性研究从结构全局出发，以材料的耐久性研究为基础，研究耐久性设计、评估、维修决策等一系为基础，研究耐久性设计、评估、维修决策等一系
86、列应用问题。列应用问题。7/29/202499Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题 通过对现有混凝土结构耐久性研究成果的分析，通过对现有混凝土结构耐久性研究成果的分析，结合桥梁工程耐久性问题的特点，目前耐久性研究结合桥梁工程耐久性问题的特点，目前耐久性研究中主要存在及需要解决的问题有中主要存在及需要解决的问题有吴海军，吴海军，2005： l)l)在材料耐久性研究时，只能取得在某一因素在材料耐久性研究时，只能取得在某一因素影响下的材料耐久性退化过程，但实际结构在运营影响下的材料耐久性退化过程，但实际结构在运营过程中是多种
87、因素共同作用的，多个因素的耦合作过程中是多种因素共同作用的，多个因素的耦合作用通常不等同于单因素效应的简单叠加，仅通过研用通常不等同于单因素效应的简单叠加，仅通过研究某一究某一( (或某些或某些) )因素影响下某一具体材料的退化机因素影响下某一具体材料的退化机理来预测结构总体退化规律是困难的。理来预测结构总体退化规律是困难的。7/29/2024100Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题 2)2)绝大多数的试验是在构件绝大多数的试验是在构件( (试件试件) )不受力的情不受力的情况下进行的，不能正确反映桥梁运营期间的实际
88、工况下进行的，不能正确反映桥梁运营期间的实际工作情况，少数已有的研究表明结构受力状态对耐久作情况，少数已有的研究表明结构受力状态对耐久抗力退化的影响是明显和不可忽视的抗力退化的影响是明显和不可忽视的 A.CastelA.Castel，19991999。 3)3)研究工作集中于钢筋混凝土构件，对研究工作集中于钢筋混凝土构件，对于在桥梁结构中广泛应用的预应力混凝土构件很少于在桥梁结构中广泛应用的预应力混凝土构件很少进行研究，预应力混凝土构件在构造和受力上与钢进行研究，预应力混凝土构件在构造和受力上与钢筋混凝土构件有很大不同，同样也存在着较严重的筋混凝土构件有很大不同，同样也存在着较严重的耐久性问题
89、，也需要给予重视。耐久性问题，也需要给予重视。7/29/2024101Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题 4)现有的混凝土耐久性的研究成果与结构的设计、施工控制以及结构剩余寿命评估等存在脱节，即材料层面的研究成果未能与结构层次的研究有机结合，对实践中迫切需要解决的结构耐久性问题缺乏有效的指导。事实上，过分强调混凝土材料自身耐久性能的重要性，而忽视材料耐久性能只是形成实际结构耐久性的要素之一，这样不但不能有效地解决结构的耐久性问题，还可能在一定程度上误导人们的认识。例如，使用耐久年限为100年的混凝土建成的结构，其寿命
90、可能达到或超过100年，也可能只有50年或更短，这是因为结构的耐久性能取决于结构设计、构造、施工及使用、维护等结构全寿命过程的所有环节。7/29/2024102Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题 5)大量的研究主要针对房屋建筑结构而很少专门对桥梁结构的耐久性问题进行研究，而桥梁结构从运营环境、承受荷载及结构体系、构造细节等方面都有其独特之处，需要进行专题研究。 6)对如何从结构构造和设计的角度改善桥梁耐久性很少有人研究。大量的病害实例证明，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之一是构造和体系上的缺陷。
91、7/29/2024103Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题 7)耐久性研究较多地强调如何从材料和保护层的角度来增强结构的耐久抗力，而对于在建设阶段如何考虑后期养护和管理的问题则很少进行研究。实际上成桥耐久性能的提高不是无止境的，桥梁的耐久性不只依赖于前期的设计与施工。无论成桥耐久性多么优良，后期良好的维护管理是保证桥梁寿命及耐久性的不可或缺的重要因素。 8)进行耐久性设计的前提是有明确的设计目标，即结构或构件的耐久性设置标准、使用寿命及维护管理要求等。而目前对于桥梁结构及构件的耐久性寿命等问题没有明确的认识。7/29/2024104Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU结构耐久性研究存在的主要问题结构耐久性研究存在的主要问题 可见，现有研究成果只能解决结构耐久性局部问题而无法全面而有效地对耐久性问题进行处理。这些不足正是桥梁耐久性研究需要继续努力的方向。7/29/2024105Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU谢谢！谢谢！7/29/2024106Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU
