橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害現(xiàn)象與成因
2015-04-15
混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害是許多橋梁存在的問(wèn)題。從結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)涵出發(fā)，首先介紹當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害現(xiàn)象，然后對(duì)引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素分析。
經(jīng)過(guò)近幾十年的快速發(fā)展，我國(guó)橋梁的數(shù)量已十分龐大。其中有不少橋梁暴露出病害，更有一些橋梁在遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期使用壽命時(shí)，就出現(xiàn)耐久性能?chē)?yán)重退化的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)倒塌等毀滅性事故。使用壽命及耐久性能的提高將是21世紀(jì)橋梁技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。
一、結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)涵
在最普遍的意義上，結(jié)構(gòu)的耐久性就是指其維持初始性能(包括安全性、適用性及美觀)的能力。從專(zhuān)業(yè)研究及便于量化的角度，結(jié)構(gòu)的耐久性可更具體的定義為：結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境及其他因素(設(shè)計(jì)預(yù)期的正常荷載，對(duì)于突發(fā)性災(zāi)害事件不應(yīng)多考慮)共同作用下，在同樣(或等效的)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)總成本(壽命周期總成本)下，在設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)，保持預(yù)期的安全性、適用性的能力。即耐久性的內(nèi)涵應(yīng)包括耐久的長(zhǎng)壽命及經(jīng)濟(jì)地耐久性。
二、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害現(xiàn)象
?。ㄒ唬蛎驿佈b破壞
在車(chē)輛(尤其是超載、超限車(chē)輛)的長(zhǎng)期作用下，尚未達(dá)到預(yù)期年限的橋面板經(jīng)常出現(xiàn)凸凹不平或網(wǎng)狀開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象。橋面鋪裝的過(guò)早破壞是世界范圍的難題，特別是在氣候寒冷需要采用除冰鹽消除橋面積雪的國(guó)家和地區(qū)，因?yàn)槁塞}侵蝕和凍融破壞的共同作用，橋面鋪裝壽命短、病害嚴(yán)重的情況非常普遍。橋面鋪裝損壞的問(wèn)題在我國(guó)也非常嚴(yán)重，不僅在早期修建的橋梁中大量存在，而且國(guó)內(nèi)近年來(lái)修建的幾座特大型橋梁(如虎門(mén)大橋、廈門(mén)海滄大橋、江陰大橋等)在運(yùn)營(yíng)不到5年就紛紛出現(xiàn)橋面鋪裝損壞的問(wèn)題。
?。ǘ蝾^跳車(chē)
橋梁運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，普遍存在臺(tái)后填土下沉的現(xiàn)象，使橋頭跳車(chē)成為一種常見(jiàn)的病害。跳車(chē)產(chǎn)生的劇烈沖擊和振動(dòng)降低了行車(chē)的舒適性、增加了汽車(chē)的故障率，車(chē)輛對(duì)橋臺(tái)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊力，又會(huì)使跳車(chē)現(xiàn)象更加嚴(yán)重，并影響橋梁的耐久性與使用壽命。
?。ㄈ┗炷灵_(kāi)裂
在混凝土橋梁中，梁體開(kāi)裂是一種影響耐久性的較為普遍的現(xiàn)象?；炷亮芽p按開(kāi)裂部位可分為：主梁頂、底板開(kāi)裂，腹板開(kāi)裂，齒板開(kāi)裂，預(yù)應(yīng)力錨頭區(qū)開(kāi)裂等。按成因可分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫是指混凝土所受拉應(yīng)變超過(guò)極限應(yīng)變而出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象，它的寬度可隨著荷載的變化而變化。非結(jié)構(gòu)裂縫一般是指由于變形受到約束而出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象。
?。ㄋ模╀摻钿P蝕
受力鋼筋的銹蝕將導(dǎo)致其有效截面的下降；銹蝕后鋼筋的體積膨脹又會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂或表面混凝土成塊脫落，從而削弱構(gòu)件整個(gè)截面的面積；隨著鋼筋銹蝕程度的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力減小、共同作用受到損害，從而引起構(gòu)件承載力下降。混凝土開(kāi)裂后又使原來(lái)處于混凝土保護(hù)層下的鋼筋暴露于空氣中，加快了鋼筋銹蝕速度，造成惡性循環(huán)。引起鋼筋銹蝕的兩個(gè)主要原因是混凝土的碳化及氯離子的侵蝕。
三、引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素分析
引起橋梁病害的因素很多，涉及到橋梁的勘探、設(shè)計(jì)、施工、使用、養(yǎng)護(hù)等各個(gè)方面，且因橋梁的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、使用環(huán)境等的不同而不同。許多設(shè)計(jì)人員往往只滿(mǎn)足于規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)以及從設(shè)計(jì)、施工到使用全過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤等方面去加強(qiáng)和保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。當(dāng)然使用方面也存在造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的原因。總的來(lái)，主要有下面幾個(gè)方面。
?。ㄒ唬┰O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低
我國(guó)公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過(guò)多次修改逐步提高的，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，舊有橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)不能滿(mǎn)足當(dāng)前汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，由此可能導(dǎo)致橋梁耐久性加速劣化，這種情況在世界各國(guó)都普遍存在。此外，長(zhǎng)期以來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)及社會(huì)條件的限制，我國(guó)規(guī)范在橋梁性能及構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面的要求一直較低，也在客觀上影響了橋梁的耐久性。
?。ǘ┙Y(jié)構(gòu)與構(gòu)造細(xì)節(jié)不合理
在國(guó)內(nèi)橋梁總體設(shè)計(jì)方案的比選過(guò)程中，一般由地質(zhì)條件、施工方法、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素來(lái)決定方案的取舍，而很少?gòu)哪途眯缘慕嵌葋?lái)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。例如采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)支或連續(xù)，T型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結(jié)構(gòu)與構(gòu)造問(wèn)題，不但影響經(jīng)濟(jì)性，對(duì)橋梁的耐久性能也有很大影響，評(píng)價(jià)指標(biāo)的缺失，可能導(dǎo)致中選方案的結(jié)構(gòu)耐久性能不足，為運(yùn)營(yíng)后橋梁出現(xiàn)病害埋下了病根。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性??；有的計(jì)算圖式和受力路線(xiàn)不明確，造成局部受力過(guò)大；有的混凝土強(qiáng)度等級(jí)過(guò)低、保護(hù)層厚度過(guò)小、鋼筋直徑過(guò)細(xì)、構(gòu)件截面過(guò)薄；這些都會(huì)削弱結(jié)構(gòu)耐久性，增加橋梁的病害。
?。ㄈ┯?jì)算的因素
在橋梁設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程中，未充分考慮混凝土徐變、收縮及溫度應(yīng)力等非荷載因素的影響；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)過(guò)度強(qiáng)調(diào)局部性單元?jiǎng)澐值木?xì)化，對(duì)結(jié)構(gòu)邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠；對(duì)施工方法、順序和施工荷載對(duì)結(jié)構(gòu)成橋性能的影響重視不夠：在構(gòu)件的特殊部位，如構(gòu)件的角隅處，預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固處，在局部應(yīng)力傳遞與分布的影響下，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力突變，由于計(jì)算手段和理論的局限，往往出現(xiàn)構(gòu)造配筋布置不足或不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。
?。ㄋ模┢?chē)超載運(yùn)行
汽車(chē)超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營(yíng)；其二是橋梁通行的車(chē)流量超過(guò)原設(shè)計(jì)預(yù)期；另一種是車(chē)輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和交通量的增加所導(dǎo)致；后者是車(chē)輛使用者違法超載營(yíng)運(yùn)，后兩種超載現(xiàn)象在我國(guó)公路交通運(yùn)輸中較為普遍。一方面，橋梁的超載使用可能引發(fā)疲勞問(wèn)題。超載會(huì)使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些由超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使橋梁在此后正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。
?。ㄎ澹┢渌蛩?br />
其他對(duì)橋梁造成的危害的因素包括風(fēng)雨侵襲及自然環(huán)境作用、受到意外強(qiáng)烈沖擊、溫度的變化導(dǎo)致的力及應(yīng)力重分布、地震、洪水等自然災(zāi)害等。橋梁的耐久性病害和原因并不完全是一一對(duì)應(yīng)的，往往一個(gè)因素是誘發(fā)病害的主要起因，其他因素則加速或促進(jìn)病害的發(fā)展。
