桥梁结构的安全度和耐久性Word格式.docx

1、实际 上,目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有 明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计（从材料、结构措施及 设计程序上上保证耐久性，并明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种 程度的耐久性L这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性 能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、 适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性（考虑结构建设、使用、 维护等整个周期的费用）的要求。人类进入二十一世纪后，世界各地纷纷建造大规模的桥梁（特别是大跨径桥 梁和立交桥梁）,随着我国现代化进程的加快，桥梁建设进入新的发展阶段

2、。桥 梁做为建桥所在地城市景观的重要组成部分,依其工程寿命将存在相当长的时 间。因此桥梁结构的安全度和耐久性问题已引起人们的高度重视。近年来国内外 发生不少桥梁倒塌事故，很多是属于非正常设计和非正常施工造成的，其中包含 看工程建设出现的腐败现象（如重庆棊江虹桥倒塌事故）,亟需加强法治,严格 执行基建程序，确保工程质量。国外专家曾说过：规范的超载系数,绝不可能 达到足以防备设计可能的大错误，但是许许多多的中小错误都可以用规范的超载 系数来防备。规范是分析、设计和偏于安全的思路的结合。桥梁结构的安全 度与耐久性是一对李生兄弟，需慎重研究，统筹考虑。近些年我们面临的情况是: 桥梁结构安全问题虽已受到

3、重视，但各种事故却时有发生;耐久性常被忽略,却 潜伏看不安全的隐患,影响看桥梁结构的使用年限。2桥梁安全度和耐久性的内涵何谓桥梁结构的安度?桥梁结构的安全度亦是合理地确定桥梁的结构可靠 度。结构可靠性的定义为：结构在规定的时间内（即设计基准期），在规定的条 件下，完成预定功能的能力它包括安全性、适用性、耐久性三个方面。用概率 来研究和描述就是所谓的结构可靠度。其安全性就是指结构在正常施工和正常使 用条件下,承受可能出现的各种作用的能力以及在偶然事件发生和发生后仍保持 必要的整体稳定性的能力;适用性是指结构在正常使用条件下满足预定使用要求 的能力;耐久性是指结构在正常使用条件下,随时间变化而仍能

4、满足预定功能要 求的能力。我们所关注的桥梁结构的安全度亦既桥梁结构的可靠度评价，主要是 其承载能力的评定和确定。在这方面公路桥梁结构做了深入的研究。其结构可靠 度指标B作为概率极限状态设计下结构安全度的主要度量指标,是衡量桥梁结构 可靠性相对统一的数量化指标。我国现行的公路桥梁结构按承载能力极限状态 下，采用目标可靠度评价指标,反映了我国公路桥梁结构设计的可靠度水平。目 前我国桥梁在结构安全度亦既可靠度评价方面主要参照公路桥涵设计规范。何谓桥梁的耐久性问题？应该说此问题是近20年来逐渐被人们所重视。我 国桥梁结构要略晚于建筑结构领域对此问题的研究。在世界范围内”对混凝土耐 久性的重视始于上世纪

5、70年代末。清华大学陈筆元院士曾撰文指出：健筑物 的耐久性是建筑物及其构件在给定的期限内并在各种作用下维持其功能的能力, 而建筑物及其构件的使用寿命则是在其建造完工或生产制成以后,仅在一般的维 护条件下，其所有性能均能满足原定要求的期限。”英国学者也提出：耐久性预 测不可能是一门精确的科学，建筑物的预测寿命只能是个估计。国内外专家近 年来十分关注桥梁结构在设计基准期内，是否满足预定的功能要求作为桥梁可靠 性评价的重要I詬。如美国的北卡罗来那和明尼苏达等州，将桥梁剩余寿命作为 评价桥梁的重要因素。研究成果表明,耐久性的研究和评价对桥梁结构寿命的延 长和防止重大事故的发生将会产生巨大的经济效益和社

6、会效益。总体说来，桥梁 耐久性是对未来的预测。国际标准ISO2394:1998结构可靠性总原则中明确： ”结构设计的目的是尽量减小结构或结构构件的失效概率，保证其可靠度.。结构与结构构件的耐久性是指其在工作寿命期内，在适当的维护条件下在其所处 环境中保持正常工作的能力。并提出要注意一些相关因素的影响，如结构预期 用途、要求的性能、环境条件、材料性能、结构体系、构件形状、结构细部构造、 工艺质量和控制水平、专门的防护措施以及在设计工作寿命期的维护等。3应关注的有关问题近些年来国内外在桥梁建设上,涉及安全度和耐久性出现的问题屡见不鲜甚至出 现危急公众的安全事件。因此如下若干问题应引起桥梁建设者的高

7、度关注：3.1已建常规桥梁设计标准低,造成安全隐患我国在20世纪60 70年代修建的桥梁,限于当时的社会经济发展水平， 其设计荷载标准较低，而且大部分城市和公路桥梁如今仍在服役,已不适应交通 量日益增长的需要，面临看恢复和提高现有旧桥的承载能力及通行能力，延长桥 梁的使用寿命，消除交通安全隐患。我们知道桥梁安全性的评价实质就是其承载能力评定,它是桥梁可靠性评价 的主要内容。通过调查发现,不少城市已建的常规桥梁结构（指一般结构）因设 计、施工、材料、养护管理、交通荷载的变化以及所在环境的浸蚀、偶然事故等 原因所引起桥梁整体或组成它的基本部件，在强度、变形、刚度等方面的损坏而 影响桥梁结构在正常使

8、用条件下的安全性和耐久性方面存在相当多的问题。3.2车辆超载对桥梁结构的损害近年来车辆严重超载对桥梁的安全度和耐久性带来很大的隐患。我国华寸饼口 华南地区的一些桥梁，由于经常过往超载的车辆（如运煤车，货柜车）,造成 桥梁结构严重受损,其使用寿命大大缩短,甚至出现危及人民群众生命财产安全 的重大隐患。3.3混凝土品质的变化造成桥梁使用寿命和耐久性降低在过去的一个时期，人们关注混凝土的质量往往是以单一的强度指标作为标 准,导致了我国水泥工业对水泥强度的片面追求。而水泥细度的增加,水泥熟料 中早期强度的提高，足使水泥矿物成份含量增大。这些措施虽有利于提高混凝土 的强度，但不利其耐久性。而混凝土养护不

9、利,以及外部环境的恶化（酸雨等）, 都对混凝土造成严重腐蚀,造成桥梁使用寿命和耐久性的降低。自20世纪80年代以来,工程建设领域以提高耐久性为目标,广泛采用高 性能混凝土，已在世界各地引起人们的广泛重视。桥梁结构从下部结构到上部结 构,从中小跨径到大跨径，高性能混凝土得到了广泛的应用,耐久性和结构强度 均提高了一倍左右。研究成果表明，高性能混凝土通过增加活性掺料减少水泥用 量，具有良好的耐久性、工作性、强度和体积的稳定性。3.4北方桥梁除冰盐对桥梁耐久性产生不利影响自20世纪70年代开始,我国北方地区为保证冬季雪后道路交通畅通,在立交 桥梁上为融化冰雪大量采用除冰盐。通过调查发现，使用10 2

10、0年左右的桥梁, 除冰盐对桥梁结构的钢筋产生严重的腐蚀，使用不到10年的桥梁，在氯离子影 响范围，钢筋也处于锈蚀状态。由于我国北方冬季气候非常干燥，使用除冰盐后, 盐水很容易进入结构混凝土中而达到饱和，当外界环境非常干燥时，混凝土中的 水流方向发生逆转，纯水通过混凝土的毛细孔向外蒸发，混凝土内部的盐分浓度 增加，又使其向混凝土内部扩散,并形成恶性循环。据调查，除冰盐引起的钢筋 锈蚀是北方桥梁结构破坏的重要原因。按照欧洲国家对混凝中钢筋腐蚀速度的研 究成果，钢筋开始锈蚀至破坏的时间约为总寿命的1/3。近年来在部分城市推广 的新型除雪剂仍含有盐分，对桥梁耐久性亦造成不利的影响。3.5桥梁结构防水不

11、当影响结构的安全性和耐久性从20世纪90年代初,人们对桥梁防水技术开始关注并进行专题研究不少 桥梁不做防水或防水不利造成桥面渗水、钢筋锈蚀、铺装层剥落、碱骨料反应等, 引起混凝土胀裂等严重损坏问题严重影响了桥梁的耐久性和正常使用寿命，以 及行车的舒适性和安全性。3.6施工和管理水平低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。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短 期内发生的诸如突然破坏与倒塌,多是由于施工质量没有达到规范和设计要求, 典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等;也有个别桥梁存在诸如偷工 减料、以次充好等严重的管理问题,更

12、是对桥梁安全造成致命的损害。而大量的 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 些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题，这 也与施工质量氐下有重要关系，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于 施工现场的严重的构件开裂问题（主要原因包括：水泥选用、混凝土配合比、振 捣、养护不当及预应力施加不合理等）。这些施工上的缺陷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。 3.7设计理论和结构构造体系不够完善在承认施工存在问题的同时,也不可否认，在桥梁设计领域,特别是关于桥 梁施工和使用期安全性的问题还

13、有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是 选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规 定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。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、结构材 料、结构维护、结构耐久性以及从设计、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。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线不明确,造成局部受力过大;有的混凝土强度等级过低、 保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性,会 严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强

14、度要求，仅用了 5 10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一 个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。不同的环境和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和 构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规 范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新 的要求。因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外,还要求设计人员具 有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。3.8施工监测不利产生的影响桥梁施工监测是针对工程施工过程中结构的关键部位,对主要施工方法及关 键技术进行控制。加

15、强对施工过程中的监测控制，是保证桥梁结构安全、可靠、 确保工程质量的必要措施。桥梁设计中应充分考虑施工过程的变化情况（如构件 运输、体系转换、振动荷载等）,并应满足正常使用的需要。如果未充分考虑桥 梁的结构储备和体系形成的各种不利因素，将桥梁结构视为正常使用情况的结 构，会产生十分不利的问题或危及桥梁结构的安全，这方面的经验、教训在国内 外的建桥史上屡见不鲜。桥梁（特别是大跨径桥梁）的施工监控问题，是桥梁建 设中十分重要的问题，关系到其结构安全度和耐久性。譬如,悬索桥的施工特点 是一旦主缆安装就位，主缆内力、挠度则完全取决于结构体系的形成过程、索鞍 和塔顶及主梁之间相互连接情况、结构自重、施工

16、荷载和温度场变化过程”因为 后期将无法人为地再调整主缆内力和位型。因此在悬索桥的施工中，控制主缆无 应力下料长度、主缆在自重作用下的初始安装位置（初始垂度和线型索鞍初 始预偏量的计算等将成为悬索桥施工过程计算的关键。必须根据实际观测结果经 分析识别得到结构实际参数，并计算和调整各施工阶段控制点标高、位移量、内 力和应力的理论值,这是悬索桥施工监控的重要环节若施工监控不利则后患无 穷。又如斜拉桥施工中必须建立监测系统，一切施工步骤都必须按预定的程序严 格执行。施工过程中（如混凝土斜拉桥的现浇工艺）每个步骤内力和变位都是可 以预报的,因此应不断进行监测,并提高预报的可靠性,这也是一个安全警报系 统

17、,如果预报与实测值相差较大,必须停工检查,分析原因,以确保桥梁结构的 安全。3.9桥梁结构新发展所带来的问题近些年来，我国桥梁（主要是立交桥梁）因交通功能需要,各犬中城市在修 建道路立交时，采用了一批弯桥、坡桥、斜桥、独柱弯桥及异型结构（如点支承 的异型平板桥），反映了我国城市立交桥梁结构的新发展。由于我国尚未有成熟 的设计规范来指导设计，致使一段时间不少桥梁出现了问题。桥梁加固投入了大 量资金。究其原因，主要是其桥较长，抗扭跨径较大，在温度力长期反复作用下, 随看结构发生侧向水平位移翻转的时间增加;因此结构的横桥向累计位移是造成 梁体水平位移及翻转变化的重要因素,而人们事先对此问题的认识是不

18、够的。过 去一段时间，在桥梁建设上曾一度出现单纯追求结构上轻巧，单薄的倾向,也严 重影响其耐久性。此外，我国部分城市的独柱支承预应力弯桥发生支座脱空的现 象也比较严重，主要原因是对预应力钢束产生的扭矩认识不足，结构计算分析中 未计入预应力对扭矩的影响；支座预偏心设置和支承体系设计不合理；设计中对 长期荷载，特别是对温度力、制动力、收缩、徐变引起的平面外水平变位认识不 足水平限位措施不利等导致了上部结构在长期荷载作用下的水平爬行现象。 由于不少独柱弯梁桥的部分支座脱空现象，对其结构的安全度和耐久性等将产生 十分不利的影响。此外，桥梁的支座由于橡胶老化（板式，圆板式和盆式支座）,如何进行支 座的更

19、换和不少地方的建设方（业主）在工程招标中追求低价选择中标方以及桥 梁建设中设计、施工等配合不利,都对桥梁的安全度和耐久性产生重要影响,亦 应引起我们的高度关注。4研究趋势桥梁结构的安全度（结构可靠度）和耐久性问题是涉及多学科并与工程应用 有看极为密切关系的问题,研究和逐渐深化认识该问题,对桥梁结构能否符合安 全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进，确保质量的要求，起看重要的作用。 近年来，国内外学者和桥梁建设者对桥梁结构的安全度和耐久性问题给予了充分 重视,并取得显著成果，研究的趋势综述如下：4.1近年来我国在工程结构可靠性的研究方面取得很大进展，即由正常使用期可 靠性的研究,拓展为结构生命全过

20、程可靠性的研究,以可靠度为尺度来分析、估 计结构的耐久性，进而为结构的耐久性设计和已有结构的维修加固提供依据，这 是工程结构可靠度的主导研究趋势。4.2国内外学者对结构物（建筑、桥梁结构等）的耐久性和使用寿命的研究已成 为结构工程学科的主要发展前沿。国际上一些权威的混凝土结构设计规范和规程 都修改了与耐久性有关的规定,有的规范明确了不同结构的设计使用寿命,有的 则提高了对混凝土强度等级、水灰比、保护层厚度及配比等方面的要求。美国公 路桥梁规范规定在盐分的环境下混凝土水胶比不高于0.5 ,欧洲规范规定桥梁结 构的混凝土的水胶比不高于0.4。国外对一些大跨梁桥梁结构,针对其具体的侵 蚀环境，规定了

21、其耐久性和使用寿命的分析预测的内容，并提出了量化的指标。4.3国内外学者积极开展桥梁结构耐久性评定标准的研究。研究成果表明，桥梁 结构耐久性评定标准不仅考虑承载力的可靠性，还应综合考虑结构的经济、社会 和环境效益，结构破坏和功能丧失所造成的损失，以及社会经济发展水平和公众 对风险的承受力等诸多因素。还将开展对耐久性机理的研究,各类结构损失数据 的统计、社会发展水平以及公众承受力对标准的制约，性工作等研究。4.4高性能混凝土（大于C60级，称为HPC）自20世纪80年代在桥梁建设领 域得到迅速推广。HPC是利用超细矿物掺料（粉煤灰、碱矿渣、硅灰等）替换 混凝土中的一部分水泥，再掺加高效减水剂，使

22、混凝土在大量减少水泥用量和水 化热的同时，具有高流动度、高密实度与高后期强度。HPC桥梁的耐久性是一般 混凝土的2倍，并具有节约资源，减少空气中C02 ,且利用了工业废料，有利 于环境保护,这项研究成果在铁路和公路桥梁建设中已得到广泛的应用。4.5针对近年来一些桥梁中的弯桥,特别是独柱预应力弯梁接连出现问题的情 况,有关部门正在编制我国曲线梁桥设计指南，并适时纳入相应设计规范中。将 通过综合分析研究,明确曲线梁桥上部结构的合理跨径，包括扭转跨径与扭矩峰 值的合理分布，下部结构（墩柱、基础类型）的合理选择。通过对曲线梁桥结构 体系的研究，提出结构体系稳定性的相关措施和规定，以满足正常使用的需要,

23、 提高该类桥型的安全度和耐久性。4.6桥梁防水问题日益受到各方面的关注，桥梁防水问题作为提高结构的耐久性 措施已摆到十分重要的位置，且发展前景十分广阔。目前不少桥梁设计人员对防 水材料,特别是对一些新型防水材料缺乏系统的了解,在设计图纸上无细化的防 水设计、无选材说明,往往造成选材不利,影响桥梁使用寿命和耐久性；应逐步 与国际接轨，借鉴国外的_些成功经验。今后几年桥梁专用防水材料的研制、开 发和生产将有极大的发展。科研、材料、设计、施工和管理等部门将加大合作力 度。开发一批桥梁专用防水卷材和防水涂料将指日可待。同时，高性能碇在桥梁 结构中广泛应用将提高桥梁结构的自身防水能力。国内和国际间的交流

24、与合作将 更加广泛，我国桥梁防水技术将广泛吸取其它行业防水技术的成功经验，促进桥 梁建设的发展。5相关对策措施5.1提高常规混凝土（ C40级）的品质由于我国还是一个发展中国家，地域广阔，经济发展很不平衡，因此常规混凝土 仍广泛应用。因此应依据使用条件对混凝土的各项性能指标及结构构造提出具体 要求。如水灰比的控制要求、混凝土的抗冻性、抗渗性能要求、保护层厚度要求、 裂缝控制要求、设计使用寿命期间受到的氯离子侵害的保护措施。并在施工期间, 严格控制原材料质量和生产程序，从而减少混凝土性能上的变异，提高混凝土的 品质整体质量，以确保桥梁结构的安全度和提高耐久性。5.2应加快我国高性能混凝土的研究和

25、推广应用高性能混凝土具有高工作性、高耐久性、高尺寸稳定性和高强度以及高抗氯离子 渗透性能；为延长桥烝吉构的使用寿命，应积极推广高性能混凝土和高强钢材， 以达到提高混凝土强度并加快其硬化过程的目标，提高混凝土的耐久性。我国工 程建设领域，特别是桥梁工程应将高性能混凝土的研究和推广应用作为确保桥梁 结构安全和提高耐久性的重要对策措施。5.3进一步完善桥梁结构耐久性的构造设计在材料、环境等因素相同的条件下,不断完善桥梁结构的混凝土耐久性设计,将 减少正常维修费用并延长结构使用寿命，譬如加大混凝土保护层的厚度，延缓钢 筋钝化膜的破坏,延迟氯化物对钢筋的腐蚀。适当加大桥梁结构的结构尺寸,解 决配筋密度过

26、密时,造成混凝土浇筑困难,骨料分布不均匀,混凝土密实度下降 等；并提高桥梁防撞能力，以确保防撞系统与主体结构的耐久性。5.4加快桥梁结构防水规范的编制和应用近年来桥梁建设者已取得共识,桥梁防水的设计和施工对其安全度和耐久性至关 重要。因此急需编写有关标准和规范,对设计人员提出具体的技术要求,规范设计和防水 施工的关键环节。应进一步改进我国桥梁防水结构设计，充分认识到桥梁结构自 身防水功能是解决桥面漏水问题的症结所在,在构造设计上应充分考虑桥梁的耐 久性要求，提高结构的防水性能和功能，从沿材料的选择?口施工技术方面进行硏 究。要提高碇本身的密实程度,抑制和减少碇内部孔隙的产生,堵塞和杜绝渗水 的

27、通道使外部水份无法渗入材料的内部。同时对碇外加剂也应进行系统的硏究。 目前不少桥梁施工采用旱强剂，产生大量水化热，增加碇干缩裂及徐变带来次应 力影响等,对此应予以充分的重视,并采取相应的对策措施。积极研制和开发适 合桥梁结构施工和工作环境专用的防水材料，开发出适应桥梁工作环境。应具有 较高的强度和优良的防水性、延伸性、抗裂性,能适应车辆荷载、温度变化等作 用下产生的变形功能;要具有良好的高遍耐热、耐寒性能,能适应较大的温度变 化;要具有良好的粘接性、抗剪切性和抗疲劳性,能使防水材料与桥梁主梁论和 桥面铺装间有可靠的联接;还应满足防水施工工艺简单、便于掌握、造价适中、 运输和储存方便,并确保防水

28、质量。5.5重视特殊环境下的钢筋混凝土的防护特殊环境的桥梁（如处于海洋环境下）,由于海水中氯离子浓度较高,约为 19000mg/L ,钢筋极易受腐蚀。主要是处于浪溅区的钢筋混凝土易发生钢筋腐 蚀破坏,其次是水位变动区和大气区。需在材料技术上采取相应对策措施。A ） 采用环氧涂层钢筋；B ）采用阴极保护技术；C ）混凝土表面涂层技术;D）采用 不同的外加剂。如高效减水剂、泵送剂、缓凝剂，以及外加阻锈剂防护等。5.6加强对弯、坡、斜，异型桥梁及大跨径桥梁（斜张桥、悬索桥、刚构桥及拱 式桥）安全度及耐久性的研究。应针对以往存在的问题，采取相应的对策措施， 确保桥梁结构的安全性、稳定性和耐久性。要修订

29、和完善桥梁相应的设计规范及 施工规程；加强对城市弯、坡、斜桥和异型桥梁及大跨径桥梁安全度及耐久性的 研究，以满足设计和施工符合耐久性的要求，确保桥梁结构的正常使用。5.6应该更加重视结构的耐久性问题桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀,并要承 受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的 自身性能也会不断退化，从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥 梁领域z国内从上世纪80年代以来,修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止出现 倒塌或严重损害的例子很少，但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不 提前换索，既影响了使用又增大了经济损失。 需要指出的是，很多这类问 题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问 题。大量的病害实例也证明，除了施工和材料方面的原因,影响结构耐久性的决 定性因素是来自构造上（也即设计上）的缺陷。国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究也取得了不少成果。 这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及 如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研 究。而且,长期以来,人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构 造和细节处理方面的关注。结构的耐久性设计与常规的结构设计有看本质的区 别,目前需要努力将耐久