橋梁結構耐久性病害現(xiàn)象與成因分析
[關鍵詞]橋梁 結構耐久性 病害
經過近幾十年的快速發(fā)展,我國橋梁的數(shù)量已十分龐大。其中有不少橋梁暴露出病害,更有一些橋梁在遠沒有達到預期使用壽命時,就出現(xiàn)耐久性能嚴重退化的現(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世紀橋梁技術進步的重要標志。
一、結構耐久性的內涵
在最普遍的意義上,結構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。從專業(yè)研究及便于量化的角度,結構的耐久性可更具體的定義為:結構在外界環(huán)境及其他因素(設計預期的正常荷載,對于突發(fā)性災害事件不應多考慮)共同作用下,在同樣(或等效的)的建設和運營維護總成本(壽命周期總成本)下,在設計使用壽命期內,保持預期的安全性、適用性的能力。即耐久性的內涵應包括耐久的長壽命及經濟地耐久。
二、橋梁結構耐久性病害現(xiàn)象
?。ㄒ唬蛎驿佈b破壞
在車輛(尤其是超載、超限車輛)的長期作用下,尚未達到預期年限的橋面板經常出現(xiàn)凸凹不平或網狀開裂等破壞現(xiàn)象。橋面鋪裝的過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家和地區(qū),因為氯鹽侵蝕和凍融破壞的共同作用,橋面鋪裝壽命短、病害嚴重的情況非常普遍。橋面鋪裝損壞的問題在我國也非常嚴重,不僅在早期修建的橋梁中大量存在,而且國內近年來修建的幾座特大型橋梁(如虎門大橋、廈門海滄大橋、江陰大橋等)在運營不到5年就紛紛出現(xiàn)橋面鋪裝損壞的問題。
?。ǘ蝾^跳車
橋梁運營一段時間后,普遍存在臺后填土下沉的現(xiàn)象,使橋頭跳車成為一種常見的病害。跳車產生的劇烈沖擊和振動降低了行車的舒適性、增加了汽車的故障率,車輛對橋臺和結構產生過大的沖擊力,又會使跳車現(xiàn)象更加嚴重,并影響橋梁的耐久性與使用壽命。
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在混凝土橋梁中,梁體開裂是一種影響耐久性的較為普遍的現(xiàn)象?;炷亮芽p按開裂部位可分為:主梁頂、底板開裂,腹板開裂,齒板開裂,預應力錨頭區(qū)開裂等。按成因可分為結構裂縫和非結構裂縫。結構裂縫是指混凝土所受拉應變超過極限應變而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象,它的寬度可隨著荷載的變化而變化。非結構裂縫一般是指由于變形受到約束而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。
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受力鋼筋的銹蝕將導致其有效截面的下降;銹蝕后鋼筋的體積膨脹又會導致混凝土開裂或表面混凝土成塊脫落,從而削弱構件整個截面的面積;隨著鋼筋銹蝕程度的增大,鋼筋與混凝土之間的粘結力減小、共同作用受到損害,從而引起構件承載力下降?;炷灵_裂后又使原來處于混凝土保護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主要原因是混凝土的碳化及氯離子的侵蝕。
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三、引起橋梁結構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、設計、施工、使用、養(yǎng)護等各個方面,且因橋梁的結構類型、使用環(huán)境等的不同而不同。許多設計人員往往只滿足于規(guī)范對結構強度計算上的安全度需要,而忽視從結構體系、結構構造、材料、結構維護以及從設計、施工到使用全過程中經常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結構的安全性、耐久性。當然使用方面也存在著造成橋梁結構耐久性病害的原因??偟膩恚饕邢旅鎺讉€方面。
?。ㄒ唬┰O計標準低
我國公路橋梁荷載標準是經過多次修改逐步提高的,隨著交通事業(yè)的發(fā)展,舊有橋梁的荷載標準不能滿足當前汽車荷載標準的要求,由此可能導致橋梁耐久性加速劣化,這種情況在世界各國都普遍存在。此外,長期以來,由于經濟及社會條件的限制,我國規(guī)范在橋梁性能及構造細節(jié)設計方面的要求一直較低,也在客觀上影響了橋梁的耐久性。
(二)結構與構造細節(jié)不合理
在國內橋梁總體設計方案的比選過程中,一般由地質條件、施工方法、經濟指標等因素來決定方案的取舍,而很少從耐久性的角度來進行分析和評價。例如采用預應力結構或鋼筋混凝土結構,簡支或連續(xù),T型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結構與構造問題,不但影響經濟性,對橋梁的耐久J勝能也有很大影響,評價指標的缺失,可能導致中選方案的結構耐久性能不足,為運營后橋梁出現(xiàn)病害埋下了病根。有的結構整體性和延性不足,冗余性??;有的計算圖式和受力路線不明確,造成局部受力過大;有的混凝土強度等級過低、保護層厚度過小、鋼筋直徑過細、構件截面過??;這些都會削弱結構耐久性,增加橋梁的病害。
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在橋梁設計和計算過程中,未充分考慮混凝土徐變、收縮及溫度應力等非荷載因素的影響;在進行結構有限元分析時過度強調局部性單元劃分的精細化,對結構邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問題認識不夠;對施工方法、順序和施工荷載對結構成橋性能的影響重視不夠:在構件的特殊部位,如構件的角隅處,預應力鋼筋的錨固處,在局部應力傳遞與分布的影響下,會出現(xiàn)應力突變,由于計算手段和理論的局限,往往出現(xiàn)構造配筋布置不足或不當?shù)膯栴}。
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汽車超載主要有三種情況:其一是早期修建的老橋超齡負載運營;其二是橋梁通行的車流量超過原設計預期;另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產生的原因主要是設計荷載的變化和交通量的增加所導致;后者是車輛使用者違法超載營運,后兩種超載現(xiàn)象在我國公路交通運輸中較為普遍。一方面,橋梁的超載使用可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應力幅度加大、損傷加劇,甚至會出現(xiàn)一些由超載引發(fā)的結構破壞事故。另一方面,由于超載造成的橋梁內部損傷不能恢復,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。
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其他對橋梁造成的危害的因素包括風雨侵襲及自然環(huán)境作用、受到意外強烈沖擊、溫度的變化導致的力及應力重分布、地震、洪水等自然災害等。橋梁的耐久性病害和原因并不完全是一一對應的,往往一個因素是誘發(fā)病害的主要起因,其他因素則加速或促進病害的發(fā)展。
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