橋梁安全耐久性和全壽命設(shè)計研究概況課件

1、橋梁安全耐久性和全壽命設(shè)計研究概況土木工程學(xué)院橋梁工程系趙人達 博士 教授 博導(dǎo)7/19/20221Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 近年來，世界各國、特別是主要處于基礎(chǔ)設(shè)施維護階段的歐美等發(fā)達國家普遍發(fā)現(xiàn)，橋梁耐久性差、服務(wù)壽命短、全壽命經(jīng)濟性指標差等問題(與人們最初的設(shè)計和規(guī)劃預(yù)期有很大差異)，已經(jīng)嚴重影響了其正常服務(wù)功能的發(fā)揮，并且給養(yǎng)護、維修等后期運營管理工作帶來難以承受的巨大經(jīng)濟和社會負擔(dān)。7/19/20222Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 我國正處于橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰時期，大量的橋梁面臨著如何保證其使用壽命及使用期間的

2、安全、耐久及維護管理的經(jīng)濟性問題。許多服役橋梁也暴露出病害和缺陷，因此，關(guān)于橋梁安全耐久性和全壽命設(shè)計研究有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。7/19/20223Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 0.1 關(guān)于耐久性的定義1 耐久性的定義直接關(guān)系到對耐久性研究范圍及對象的界定，是需要首先明確的問題。由于耐久性的影響因素眾多，加之人們對結(jié)構(gòu)耐久性的認識多種多樣，因此，很難給它一個公認準確的定義。在眾多的定義中，以下幾種說法較有代表性：7/19/20224Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 l) 國內(nèi)一般認為，結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計要求的目標

3、使用期內(nèi)，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力金偉良等：混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，2002.09。7/19/20225Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 2) 國外對于耐久性的一個較好的定義是由Holland于 1993年給出的，耐久性是指在正常維護條件下，經(jīng)過一段時間，材料和結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能沒有大的變化的能力。亦即：耐久性是指構(gòu)件和材料抵抗衰退和腐蝕的能力M.J.Ryall，2002。7/19/20226Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 3) 我國建設(shè)部的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及耐久性設(shè)計指南中定義結(jié)構(gòu)耐久性為：結(jié)

4、構(gòu)在規(guī)定期限內(nèi)，在各種作用下維持其應(yīng)用功能的能力。這里的作用主要指大氣、化學(xué)侵蝕等導(dǎo)致材料性能退化的環(huán)境作用；功能則主要指與結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)有關(guān)的安全性(如足夠的強度與穩(wěn)定性)以及與結(jié)構(gòu)使用極限狀態(tài)有關(guān)的適用性(如有限的變形、裂縫寬度以及美觀要求等)，即耐久性包括耐久的安全性與耐久的適用性。7/19/20227Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 4)歐洲D(zhuǎn)uracrete【2001】定義耐久性為：混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)以這樣的方式設(shè)計、建造及運作(運營)，在可以預(yù)期的環(huán)境影響下，結(jié)構(gòu)在一個明確的(或隱含的)時間段內(nèi)，在不需要超出預(yù)期的維護和維修費用的情況下，能夠保持其安全性、

5、適用性及可接受的外觀。7/19/20228Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 幾種定義：側(cè)重點不同，本質(zhì)相近。 有學(xué)者認為：既應(yīng)該明確耐久性研究的主要對象，也應(yīng)該明確耐久性與承載力及安全性的區(qū)別。 原因在于：l)影響結(jié)構(gòu)“安全、使用功能和外觀”的因素很多，如果都將其看作耐久性的研究對象，將使得研究范圍過于寬泛，缺乏可操作性；2)目前，不少研究和文獻在一定程度上混淆了結(jié)構(gòu)耐久性與承載力之間的區(qū)別，這兩個概念、兩種性能對于結(jié)構(gòu)都至關(guān)重要，但耐久性主要表示結(jié)構(gòu)保持其特定性能的能力，承載力是其中的一種性能。 7/19/20229Renda ZHAO, PhD. Prof. S

6、WJTU引言表0.1 4種耐久性定義的比較 7/19/202210Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 吳海軍認為結(jié)構(gòu)耐久性可以從兩個層次界定1： l)在最普遍的意義上，為了認識其本質(zhì)，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； 2)從專業(yè)研究及便于量化的角度，結(jié)構(gòu)的耐久性可更具體地定義為：結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境及其他因素(設(shè)計預(yù)期的正常荷載，對于突發(fā)性災(zāi)害事件不應(yīng)多考慮)共同作用下，在同樣(或等效)的建設(shè)和運營維護總成本(壽命周期總成本)下，在設(shè)計使用壽命期內(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)包括耐久的長壽命及經(jīng)濟地耐久。7/19/2

7、02211Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 該提法的特點：l)耐久性的核心是結(jié)構(gòu)的壽命問題；2)避免了較模糊的因素，例如關(guān)于正常維護條件以及正常維護費用的定義；3)耐久性的優(yōu)劣不可避免地要涉及到經(jīng)濟性的問題，只有以考慮了建設(shè)成本、維護管理成本的橋梁全壽命經(jīng)濟性最優(yōu)作為控制條件才可以對耐久性做出全面、公正的評價。7/19/202212Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 運用該提法可以方便地進行耐久性的比較和評價，當(dāng)明確了使用條件(外界環(huán)境及其他因素)和總體成本，可以通過計算其實際使用壽命來評估一個具體結(jié)構(gòu)的耐久性能否滿足使用壽命的要求；當(dāng)明確

8、了使用條件和使用壽命后，則可以通過計算總體成本來評估不同耐久性設(shè)計方案的優(yōu)劣。 7/19/202213Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引言 此外，還必須認識到正如英國標準 BS7543，1992中指出的那樣：“耐久性預(yù)測不可能是一門精確的科學(xué)，建筑物的壽命預(yù)測只能是個估計”。該觀點至少在當(dāng)前階段仍然是符合實際的。但是，考慮到現(xiàn)階段在結(jié)構(gòu)設(shè)計中所強調(diào)的只是結(jié)構(gòu)在荷載作用下的承載能力，它基本上不考慮材料性能在長期使用過程中的劣化(除疲勞荷載作用外)，不直接考慮因耐久性不足導(dǎo)致的性能失效的可能；所以，關(guān)于耐久性及使用壽命的計算盡管是近似的估算，但對于設(shè)計者、業(yè)主或使用者來說仍

9、然有其必要性。7/19/202214Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 1 各類橋梁面臨的耐久性問題 經(jīng)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(yù)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(shù)進步的重要標志。7/19/202215Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 1.1混凝土橋梁的耐久性問題 混凝土橋梁(主要指梁式橋)的使用歷經(jīng)整個20世紀，但大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用開始于第二次世界大

10、戰(zhàn)之后。而發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題則在戰(zhàn)后的六、七十年代，一些發(fā)達國家的混凝土橋梁在使用了約三、四十年后，紛紛進入老化期，引發(fā)對原有混凝土橋梁的評估。人們始料不及的是：混凝土材料在環(huán)境及使用條件下，出現(xiàn)了一系列影響結(jié)構(gòu)耐久性的物理、化學(xué)變化，如結(jié)構(gòu)混凝土的碳化、保護層剝落、裂縫的發(fā)展、鋼筋銹蝕、滲透凍融破壞等等。 7/19/202216Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 在各類橋梁中，混凝土橋梁的數(shù)量占絕對多數(shù)，1989年歐洲混凝土橋梁占橋梁總數(shù)的70%，我國混凝土橋梁占90%以上【周履，1998】。近年來，國內(nèi)外關(guān)于混凝土橋梁病害和破壞事故的報

11、道屢見不鮮。此外，盡管在各類橋梁中預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的缺陷率最低，而使用壽命的期望值最高【周履，2000】。 7/19/202217Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU 但自70年代以來，國內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)一些預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)生損傷的情況，不但影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，還危及使用者和結(jié)構(gòu)的安全?；炷翗蛄旱牟『τ捎谄鋽?shù)量大，涉及地域廣，對交通的安全暢通影響嚴重，修復(fù)費用巨大，成為世界各國共同關(guān)注的問題。美國聯(lián)邦公路局(FHWA)所支持的一項研究項目曾對美國既有橋梁(共有約470 000座)的缺陷情況進行了調(diào)查，缺陷比例近1/3。 各類橋梁面臨的耐久性問題7/19/202218Ren

12、da ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題表1.1 美國不同材料橋梁結(jié)構(gòu)缺陷分布情況7/19/202219Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 我國交通部2003年年底的統(tǒng)計數(shù)字顯示，全國共有公路橋梁310 773座，計12 466 143延米，按公路橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范歸類為危險等級的橋梁為10 443座，計378 439延米14。此外，根據(jù)目前工程實踐反饋的信息，我國橋梁耐久性差的情況十分嚴峻。橋梁耐久性不足給后期的維護和管理造成了沉重的負擔(dān)。 7/19/202220Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJ

13、TU各類橋梁面臨的耐久性問題 美國聯(lián)邦公路署在1989年提交美國國會的一份報告國家公路和橋梁現(xiàn)狀中提到：“現(xiàn)積壓有待修補的混凝土橋梁的維修費用為1 550億美元”【洪乃豐，2002】。美國土木工程學(xué)會在2001年指出，美國在隨后的5年需要花費1.3萬億美元來解決當(dāng)時基礎(chǔ)設(shè)施中存在的缺陷。就橋梁而言，29%的橋梁被界定為具有功能性缺陷，將需要在隨后的10年中每年耗費106億美元來解決這一問題貢金鑫，1999。 7/19/202221Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 1）立柱鋼筋銹蝕、保護層剝落 2）主梁端部受到雨水等有害物質(zhì)侵蝕圖1.1 混凝土橋梁

14、立柱和主梁耐久性退化的典型例子7/19/202222Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 在世界范圍內(nèi)，鋼筋腐蝕對混凝土橋梁的破壞和影響最為突出，特別是沿海、跨海橋，采用除冰鹽的公路橋、城市立交橋以及處于鹽堿地區(qū)的橋梁，其腐蝕破壞是相當(dāng)嚴重的，甚至在幾年、十幾年內(nèi)就不得不修復(fù)或重建，遠遠達不到預(yù)期使用年限的要求，已經(jīng)成為世界矚目的大問題。我國基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕破壞以沿海地區(qū)較為明顯，有些碼頭橋梁使用310年就要修復(fù)。而北方撒鹽除冰的危害也己經(jīng)顯露出來，如北京西直門立交橋，使用19年就因嚴重腐蝕而報廢(己經(jīng)于1999年另建新橋)；東直門橋等數(shù)座橋的“鹽害”

15、也很明顯和嚴重，不得不作修復(fù)、加固處理王媛俐，2001 。7/19/202223Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 1.2 纜索承重橋梁的耐久性問題 纜索(拉索或吊桿)一般布置在梁體外部，且處于高應(yīng)力狀態(tài)，對銹蝕等外界侵害比較敏感，主要表現(xiàn)在懸索橋鋼索的銹蝕和斜拉橋拉索的損壞。 7/19/202224Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常使用纜索承重體系來跨越江河，主要的橋型包括各種吊桿(系桿)拱橋、斜拉橋和懸索橋等。纜索(拉索或吊桿)一般布置在梁體外部，且處于高應(yīng)力狀態(tài)，對銹蝕等外界

16、侵害比較敏感；加之當(dāng)時使用的纜索防護體系不易檢查，因此，纜索和吊桿的防護與耐久性極為重要，它直接關(guān)系到橋梁的使用壽命和使用性能，是纜索承重橋梁的生命線。7/19/202225Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 自二戰(zhàn)以來，以斜拉橋的復(fù)興為標志，世界各地陸續(xù)修建了大量的大跨纜索承重橋梁結(jié)構(gòu)懸索橋與斜拉橋。至上世紀末，己發(fā)現(xiàn)懸索橋在使用十年左右后，鋼索己出現(xiàn)銹蝕；斜拉橋的拉索損壞更嚴重，國內(nèi)外不少斜拉橋的拉索甚至在使用不到十年就損壞了。7/19/202226Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 例如，美國在1

17、903年建世界上第一座現(xiàn)代化長跨度懸索橋Williamsburg橋，由于當(dāng)時技術(shù)原因和造價，沒有對鋼絲進行鍍鋅處理，而代之以亞麻油和石墨來涂覆鋼絲，建成后僅7年就發(fā)現(xiàn)鋼絲銹蝕斷裂。1922年將纜索補纏鍍鋅鋼絲，但是到了1934年，發(fā)現(xiàn)主纜內(nèi)有水從錨錠處流出；10年后，從塔頂向纜索內(nèi)注入400加侖的亞麻油，1968年又注入魚油和礦物酒清。但是所有這些措施都沒有能夠阻止銹蝕的發(fā)展。1992年，被迫進行為期3年的主纜維護工作，耗資7300萬美元。近年來先后有多座橋梁的拉索(或吊桿)因為耐久性不足而更換（見表1.2）吳海軍，2003。 7/19/202227Renda ZHAO, PhD. Prof.

18、 SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題表1.2 部分纜索承重橋梁拉索或吊桿更換記錄 7/19/202228Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題表1.2（續(xù)） 部分纜索承重橋梁拉索或吊桿更換記錄 廣西來賓1980.11建成,1981.09通車7/19/202229Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 1.3 拱橋的耐久性問題 拱橋在我國歷史久遠、源遠流長，一直在我國橋梁中占有非常重要的地位。我國在上世紀六七十年代修建了大量的石拱橋和混凝土拱橋，特別是眾多混凝土雙曲拱橋因為嚴重的開裂問題，而不得不加固或拆除重建。

19、而在上世紀八九十年代修建的二十余座預(yù)應(yīng)力混凝土桁式組合拱橋，在平均使用不到15年的時間，因為嚴重的病害，已經(jīng)有約1/4的橋梁被炸掉或封閉棄用，另有約1/4的橋梁被嚴格限載，降級使用。7/19/202230Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 1.4 鋼橋的耐久性問題 公路鋼橋運營期間的損傷形式主要有：鋼材腐蝕與劣化、活載引發(fā)的破損、疲勞和失穩(wěn)等。鋼橋大國日本對1 691座鋼橋重建與改建原因的調(diào)查結(jié)果表明：道路線形改變、道路等級的提高、河道改修和交通量增加橋?qū)捥葮蛄菏褂霉δ苄詥栴}占總數(shù)的約60%，這從一個側(cè)面反映了影響橋梁使用壽命的因素的多樣性。7

20、/19/202231Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 圖1.2 日本對69座橋梁上部結(jié)構(gòu)損傷形式的調(diào)查結(jié)果7/19/202232Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 鋼橋的腐蝕、劣化、疲勞損傷的影響因素較復(fù)雜，主要因素有： 1)材料； 2)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的設(shè)計、加工工藝和施工方法； 3)作用荷載； 4)環(huán)境； 5)橋梁的運營管理等。 7/19/202233Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU各類橋梁面臨的耐久性問題 綜上所述，當(dāng)我們將精力主要放在高速建設(shè)新橋的時候，可能想象不到若干年后我們

21、將不得不為了這些橋梁的維修、加固付出難以想象的沉重代價。從橋梁整個壽命周期的綜合社會效益和經(jīng)濟效益的角度看，以當(dāng)前的橋梁建設(shè)現(xiàn)狀，每年新建橋梁越多，后期因為耐久性不足導(dǎo)致的維護和加固的負擔(dān)就越重，總體社會和經(jīng)濟效益就越差。這是必須認真研究解決的問題。7/19/202234Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2 橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2.1 橋面鋪裝破壞 在車輛(尤其是超載、超限車輛)的長期作用下，尚未達到預(yù)期年限的橋面板經(jīng)常出現(xiàn)凸凹不平或網(wǎng)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

22、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。7/19/202235Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2 橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2.1 橋面鋪裝破壞 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(nèi)近期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)在運營幾年后就紛紛出現(xiàn)橋面鋪裝損壞的問題。7/19/202236Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2.2 橋頭跳車 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

23、頭跳車成為一種常見的病害。跳車產(chǎn)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(jié)構(gòu)產(chǎn)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。7/19/202237Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2.3 混凝土開裂 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。混凝土裂縫按開裂部位可分為：主梁頂、底板開裂，腹板開裂，齒板開裂，預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)域開裂等。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)變超過極限應(yīng)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(jié)構(gòu)裂縫一般是指由于變形

24、受到約束而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。 7/19/202238Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 混凝土結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的主要原因一般有： l) 構(gòu)造處理不當(dāng)造成的混凝土裂縫； 2) 混凝土的干縮引起的裂縫； 3) 由于堿骨料反應(yīng)(AAR)引起的裂縫； 4) 由于外界溫度變化引起的裂縫； 5) 由于鋼筋銹蝕引起的裂縫； 6) 由于荷載作用引起的裂縫； 7) 太陽輻射、混凝土老化、徐變及疲勞作用引起的裂縫。 7/19/202239Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 由于其成因不同，對結(jié)構(gòu)的耐久性影響也不同。第

25、l)種裂縫，由于其深度通常較淺，對耐久性的影響是可以忽略的；第3)種裂縫，在正常結(jié)構(gòu)中是不允許的，屬于特殊問題；第5)種裂縫的出現(xiàn)往往意味著結(jié)構(gòu)混凝土耐久性失效；第2)、4)、6)和7)類裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性的影響一般容易被忽視。 混凝土裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響主要是因為裂縫增大了混凝土的滲透性，使空氣中的有害氣體或物質(zhì)容易滲入混凝土內(nèi)，致使鋼筋鈍化膜較早破壞而產(chǎn)生銹蝕。7/19/202240Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2.4 鋼筋銹蝕 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導(dǎo)致混凝土開裂或表面混凝土成塊脫落，從而削弱

26、構(gòu)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(jié)力減小、共同作用受到損害，從而引起構(gòu)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，加快了鋼筋銹蝕的速度，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。7/19/202241Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 (l)碳化15 影響結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，其中混凝土碳化是一個重要的因素。通常情況下，早期混凝土具有很高的堿性，其pH值一般大于12.5，在這樣高的堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使得鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土

27、中鋼筋的銹蝕。但當(dāng)有二氧化碳和水汽從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時，與混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和，會導(dǎo)致混凝土的pH值降低。 7/19/202242Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 當(dāng)混凝土完全碳化后，就出現(xiàn)pH9的情況，在這種環(huán)境下，混凝土中埋置的鋼筋表面鈍化膜被逐漸破壞，在其他條件具備的情況下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕又將導(dǎo)致混凝土保護層開裂、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力破壞、鋼筋受力截面減少、結(jié)構(gòu)耐久性能降低等一系列不良后果。7/19/202243Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 混凝土的

28、碳化機理：混凝土的基本組成成分是水泥、水、砂和石子，其中的水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成的水化物自身具有強度(稱為水泥石)，同時將散粒狀的砂和石子粘結(jié)起來，成為一個堅硬的整體。在混凝土的硬化過程中，約占水泥用量的三分之一將生成氫氧化鈣Ca(OH)2，此氫氧化鈣在硬化水泥漿體中結(jié)晶，或者在其空隙中以飽和水溶液的形式存在。因為氫氧化鈣的飽和水溶液是pH值為12.6的堿性物質(zhì)，所以新鮮的混凝土呈堿性。7/19/202244Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 然而，大氣中的二氧化碳卻時刻在向混凝土的內(nèi)部擴散，與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生作用，生成碳酸鹽物質(zhì)，從而

29、使水泥石原有的強堿性降低，pH值下降到8.5左右，這種現(xiàn)象就稱為混凝土的碳化（中性化）。這是混凝土中性化最常見的一種形式。7/19/202245Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象混凝土碳化的主要化學(xué)反應(yīng)式為：CO2+H2O H2CO3 Ca(OH)2+H2CO3 CaCO3+2H2O7/19/202246Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 影響混凝土碳化的因素：混凝土的碳化是伴隨著CO2氣體向混凝土內(nèi)部擴散，溶解于混凝土孔隙內(nèi)的水中，再與各水化產(chǎn)物發(fā)生碳化反應(yīng)這樣一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。研究表明，混

30、凝土的碳化速度取決于CO2氣體的擴散速度及CO2與混凝土成分的反應(yīng)性。而CO2氣體的擴散速度又受混凝土本身的組織密實性、CO2氣體的濃度、環(huán)境濕度、試件的含水率等因素的影響。 7/19/202247Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 所以碳化反應(yīng)受混凝土內(nèi)孔溶液的組成、水化產(chǎn)物的形態(tài)等因素的影響。這些影響因素可歸結(jié)為與混凝土自身相關(guān)的內(nèi)部因素和與環(huán)境相關(guān)的外界因素。對于服役結(jié)構(gòu)物來說，由于其內(nèi)部因素已經(jīng)確定，因此影響其碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的濃度、環(huán)境溫度和濕度。 7/19/202248Renda ZHAO, PhD. Prof.

31、 SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 快速碳化試驗表明，CO2的濃度越高，且壓力越大，碳化深度越大，因為高濃度，高壓力的CO2氣體能較快地向混凝土內(nèi)部擴散，使碳化反應(yīng)迅速進行。因此，在城市交通繁忙路段處的結(jié)構(gòu)物或CO2濃度較高的工業(yè)廠房往往碳化現(xiàn)象較嚴重。 另外，碳化較易發(fā)生在潮濕的環(huán)境中，尤其是干濕交替的環(huán)境，因此南方的建筑物容易產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，且隨著溫度的升高，混凝土的碳化加速。7/19/202249Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 (2)氯離子的侵入 混凝土中的高堿性溶液對鋼筋起保護作用，而氯離子會通過擴散和毛細作用進入混凝土內(nèi)，當(dāng)溶入混

32、凝土中的氯鹽含量達到混凝土重量的0.1%0.2%時，鋼筋開始銹蝕；當(dāng)氯鹽含量超過1%后，鋼筋的銹蝕面積將急速增加。7/19/202250Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 氯離子導(dǎo)致鋼筋腐蝕需要有以下條件： l)鋼筋表面鈍化膜被破壞； 2)有充足的氧的供應(yīng)； 3)有適宜的濕度。 大量的工程實踐表明：干燥環(huán)境下的鋼筋不易腐蝕，潮濕或干濕交替環(huán)境下腐蝕發(fā)展較快，而長期處于海水下的結(jié)構(gòu)，雖然氯離子濃度很大，但由于缺氧也不易腐蝕。7/19/202251Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 2.5 橋梁附屬設(shè)施

33、的病害 包括伸縮縫和支座等的病害。 (l)伸縮縫 伸縮縫設(shè)置在梁端相對薄弱的部位，受橋面溫度變化的影響和車輛荷載的作用頻繁地伸縮變形，極易損壞。伸縮縫損壞后，不僅影響行車的舒適性，而且可能造成水的下滲，進而導(dǎo)致橋梁主體結(jié)構(gòu)和支座的腐蝕及老化。7/19/202252Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU橋梁結(jié)構(gòu)常見耐久性病害現(xiàn)象 (2)支座 活動支座應(yīng)能保證上部主梁結(jié)構(gòu)的自由變形(轉(zhuǎn)動或移動等)。當(dāng)有異物填充，或鋼板支座銹蝕、螺母松動或螺栓脫落及橡膠支座出現(xiàn)老化時，上部主梁結(jié)構(gòu)可能會喪失自由伸縮的能力，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，可能引起開裂等病害。7/19/202253Renda ZH

34、AO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 3 引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 3.1 設(shè)計方面的因素1 很多橋梁病害與施工質(zhì)量低劣有關(guān)，但在承認施工存在問題的同時，也不可否認，在橋梁設(shè)計中還有許多可以改進的地方。許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、結(jié)構(gòu)維護以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。設(shè)計方面的問題從大的方面可以簡單地歸納為：7/19/202254Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 (l)

35、設(shè)計標準低 我國公路橋梁荷載標準是經(jīng)過多次修改逐步提高的，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，既有橋梁的荷載標準不能滿足當(dāng)前汽車荷載標準的要求，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都普遍存在。此外，長期以來，由于經(jīng)濟及社會條件的限制，我國規(guī)范在橋梁性能及構(gòu)造細節(jié)設(shè)計方面的要求一直較低，也在客觀上影響了橋梁的耐久性。7/19/202255Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 (2)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造細節(jié)不合理 在國內(nèi)橋梁總體設(shè)計方案的比選過程中，一般由地質(zhì)條件、施工方法、經(jīng)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(yù)應(yīng)

36、力結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)與構(gòu)造問題，不但影響經(jīng)濟性，對橋梁的耐久性能也有很大影響；評價指標的缺失，可能導(dǎo)致中選方案的結(jié)構(gòu)耐久性能不足，為運營后橋梁出現(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??；有的計算圖式和受力路徑不明確，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(gòu)件截面過?。贿@些都會削弱結(jié)構(gòu)耐久性，增加橋梁的病害。7/19/202256Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 吳海軍總結(jié)的混凝土橋梁耐久性設(shè)計原則與構(gòu)造措施10： 1)力線平滑

37、、應(yīng)力均勻流暢的原則； 2)結(jié)構(gòu)應(yīng)保證整體性、連續(xù)性和冗余性； 3)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可檢性、可修性和可替換性； 4)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的防水能力； 5)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證可施工性。7/19/202257Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 (3)計算的因素 l)在橋梁設(shè)計和計算過程中，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； 2)在進行結(jié)構(gòu)有限元分析時，過度強調(diào)局部性單元劃分的精細化，對結(jié)構(gòu)邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問題認識不夠； 3)就施工方法、施工順序和施工荷載對結(jié)構(gòu)成橋性能的影響重視不夠； 4)在構(gòu)件的特殊部位，如構(gòu)件的角

38、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，會出現(xiàn)應(yīng)力突變，由于計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)膯栴}。7/19/202258Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 3.2 施工和管理的因素1 (l)施工質(zhì)量低 大量的橋梁在遠沒有達到預(yù)期使用壽命時，出現(xiàn)了影響正常使用的病害與劣化。特別是一些橋梁在只使用了幾年、甚至剛建成不久就出現(xiàn)嚴重的耐久性不足的問題，這與施工質(zhì)量低下有重要關(guān)系，典型的問題有鋼筋保護層不足及目前廣泛存在于施工現(xiàn)場的嚴重的構(gòu)件開裂問題。這些施工上的缺陷雖然短期不會對橋梁的正常使用產(chǎn)生明顯的影響，

39、但卻會對結(jié)構(gòu)的長期耐久性產(chǎn)生非常不利的危害。7/19/202259Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 主要問題有： l)材料質(zhì)量控制的問題； 2)預(yù)應(yīng)力材料防護問題； 3)壓漿不及時或操作不合理； 4)張拉力不足，張拉程序不合理； 5)錨頭防護不夠； 6)施工縫處理不當(dāng)?shù)取?/19/202260Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析(2)管理制度欠完善 l)只注重建設(shè)初期的成本，而忽視橋梁從規(guī)劃、建設(shè)到運營、破壞整個壽命周期的總體成本。國內(nèi)橋梁工程招投標中經(jīng)常是報價越低，得分越高，中標的

40、希望越大。 2)對工期的不合理要求。 3)工程移交方式不夠合理。7/19/202261Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析3.3 使用的因素(l)汽車超載運行1 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(shè)計預(yù)期；其三是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計荷載的變化和交通量的增加所導(dǎo)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。7/19/202262Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 一方面，橋梁的超載使用

41、可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應(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。 7/19/202263Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 例如，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁一直被認為具有足夠的耐久性，但在汽車超載作用下，可能發(fā)生開裂；裂縫即使在荷載卸除后能夠閉合，但由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)受到損傷，構(gòu)件的開裂彎矩降低、剛度下降；于是在正常使用荷載作用下，本來不該開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫成為超出規(guī)范允許的裂縫

42、或產(chǎn)生較大的變形吳海軍，2002。這些都會對結(jié)構(gòu)長期的使用性能和耐久性產(chǎn)生不利的影響。因此，除了交管部門要加強管理外，也需要對超載帶來的后果進行研究、分析。 7/19/202264Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素及分析 (2)其他因素 其他對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、受到意外強烈沖擊、溫度的變化導(dǎo)致的內(nèi)力及應(yīng)力重分布、地震、洪水等自然災(zāi)害等；又如橋上車輛擁堵使得擁堵車輛荷載效應(yīng)大于設(shè)計車輛活載效應(yīng)，從而影響橋梁的安全性和耐久性2；北方城市橋梁除冰鹽對橋梁耐久性產(chǎn)生不利影響3。 橋梁的耐久性病害和原因并不完全是一一對應(yīng)的，

43、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。7/19/202265Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU提高結(jié)構(gòu)耐久性的措施4 提高結(jié)構(gòu)耐久性的措施44.1 提高設(shè)計質(zhì)量 設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定進行耐久性設(shè)計。貫徹全壽命設(shè)計思想。4.2 建立橋梁工程耐久性評估體系 橋梁工程使用年限較長，耐久性的好壞難以在短期內(nèi)鑒定，并且難以以單一的、精確的指標鑒定。7/19/202266Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU提高結(jié)構(gòu)耐久性的措施4.3 建立橋梁資料庫并將橋梁的監(jiān)測與維護制度化 要確保結(jié)構(gòu)的正常使用，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，必須建立定期監(jiān)測的制度，及

44、時發(fā)現(xiàn)問題，以便及時維修與加固。4.4 進一步加強提高耐久性方面的技術(shù)研究并積極借鑒國外的經(jīng)驗和成果 一方面是材料的研究， 另一方面是關(guān)于設(shè)計理念的研究。44.5 從材料方面提高12 控制材料品質(zhì)、使用高性能材料、不銹鋼材料、防護涂層材料、環(huán)氧樹脂包裹材料等。7/19/202267Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法5 耐久性設(shè)計方法 總體說來橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計分為耐久性材料設(shè)計、耐久性計算和驗算、結(jié)構(gòu)外觀和構(gòu)造措施三個部分： 1、耐久性材料設(shè)計就是基于材料耐久性退化機理，對橋梁建設(shè)中采用的材料提出質(zhì)量和施工要求，比如高強混凝土、防滲混凝土、混凝土外加劑、防銹

45、鋼筋的設(shè)計和混合料的品質(zhì)要求等。7/19/202268Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 2、耐久性設(shè)計和驗算就是在現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計計算和驗算中考慮耐久性影響系數(shù)，表征結(jié)構(gòu)抗力隨時間衰減變化的規(guī)律，是時間的函數(shù)。利用它在橋梁設(shè)計基準期內(nèi)預(yù)測結(jié)構(gòu)承載能力的變化規(guī)律，進而對橋梁整個壽命期的“健康狀況”做到適時控制。7/19/202269Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法計算公式例子7/19/202270Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法計算公式例子7/19/202271Renda ZHAO,

46、PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 3、橋梁外觀和構(gòu)造措施是指橋梁設(shè)計要注意橋梁結(jié)構(gòu)與自然地理環(huán)境條件相和諧、結(jié)構(gòu)內(nèi)部避免出現(xiàn)不利于橋梁耐久性的構(gòu)造。 外觀包括：對于各種地形條件橋梁跨徑的布置和結(jié)構(gòu)形式的選擇，人的生產(chǎn)生活與橋梁的相互影響，以及遠期各種環(huán)境條件的變化與橋梁的相互影響等等； 構(gòu)造措施包括：橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)避免計算出現(xiàn)不利于耐久的內(nèi)力、變形，在荷載作用下傳力路徑簡潔明確、均勻平滑，杜絕應(yīng)力應(yīng)變集中和突變、局部集中裂縫等。117/19/202272Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 7/19/202273Renda ZHAO, PhD.

47、Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.1全面的耐久性設(shè)計方法1 5.1.1 基于使用壽命及材料性能退化的耐久性設(shè)計方法 基于使用壽命及材料性能退化的理論計算方法是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)的定量的耐久性設(shè)計方法，通過調(diào)整保護層厚度、鋼筋數(shù)量、混凝土強度等耐久性設(shè)計參數(shù)可以使橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性壽命滿足設(shè)計要求。對于混凝土橋梁可以采用的耐久性措施包括：采用耐久性能優(yōu)良的原材料，如水泥、砂及碎石；采用抗腐蝕和抗銹蝕性能良好的鋼材，如采用不銹鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋或采用FRP筋等新型復(fù)合材料；優(yōu)化混凝土的配合比，減小水灰比、減少孔隙率，提高混凝土的密實性，增強混凝土抵抗外界有害物質(zhì)侵蝕的能力。7/19/20227

48、4Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.1.2 基于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造與細節(jié)的耐久性設(shè)計方法 除了滿足基于使用壽命的設(shè)計計算和規(guī)范建議的措施外，在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上需要滿足：結(jié)構(gòu)體系設(shè)計應(yīng)簡潔、結(jié)構(gòu)型式應(yīng)統(tǒng)一諧調(diào)，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的整體性、強健性和冗余性，結(jié)構(gòu)力線的傳遞要均勻，應(yīng)充分做好結(jié)構(gòu)的防水問題，構(gòu)造細節(jié)應(yīng)充分考慮到后期檢查、維護和更換的需要。這是保證壽命期良好耐久性的必要前提，也是橋梁全壽命經(jīng)濟性的可靠保證。 7/19/202275Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 具體地，在設(shè)計階段可從下面幾個方面具體衡量橋梁構(gòu)造的耐久性能的

49、優(yōu)劣： l)在荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)傳力明確、傳力路徑較短； 2)力線平滑、應(yīng)力均勻流暢； 3)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性和冗余性； 4)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有可檢性、可修性和可替換性； 5)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的防水能力； 6)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證可施工性，從而易于保證施工質(zhì)量。7/19/202276Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.1.3 確保耐久性的施工質(zhì)量控制要求 施工是實現(xiàn)設(shè)計目標的關(guān)鍵步驟，良好的施工質(zhì)量是保證橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素。以耐久性能為目標的施工質(zhì)量要求肯定不同于目前以承載能力為目標的控制要求，因此，確定施工質(zhì)量控制標準也是耐久性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。7/19/202

50、277Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.1.4 基于耐久性及經(jīng)濟性的橋梁維護、管理策略 結(jié)構(gòu)的維修、加固時機和方案不但影響橋梁的耐久性和安全性，還將直接影響全壽命的經(jīng)濟性，因此維修決策將不能簡單地依靠經(jīng)驗來確定，必須根據(jù)各種方案的不同效果（性能與耐久性）、經(jīng)濟性（加固的直接成本與交通擾動等的間接成本之和）來進行優(yōu)化，從中選擇最優(yōu)的時機和方案。因此，基于耐久性和經(jīng)濟性的橋梁維護、管理策略與方案也是需要在耐久性設(shè)計階段考慮和明確的重要內(nèi)容。7/19/202278Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法橋梁維護、管理對結(jié)構(gòu)性能影

51、響的圖示 7/19/202279Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.1.5 基于全壽命成本分析耐久性設(shè)計評估與優(yōu)化 基于全壽命成本的經(jīng)濟性分析方法是評價和選擇耐久性設(shè)計方案及進行橋梁維護管理策略優(yōu)化的有力工具。在設(shè)計階段就應(yīng)綜合考慮建設(shè)、運營、維護、管理等橋梁壽命全過程的費用。從全壽命經(jīng)濟性的觀點規(guī)劃橋梁耐久性設(shè)計、施工、維護管理等環(huán)節(jié)的具體方案。7/19/202280Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 目前的常規(guī)橋梁設(shè)計過程主要考慮初始建設(shè)費用，而很少考慮運營、維護、管理等費用，難于對橋梁耐久性設(shè)計方案作出評估；它是

52、通過承載能力驗算及建設(shè)成本比較來滿足既安全、又經(jīng)濟的要求；而橋梁耐久性設(shè)計是涉及全壽命使用周期的問題，相應(yīng)地，可以通過耐久能力設(shè)計驗算及全壽命經(jīng)濟性的比較與優(yōu)化來滿足既安全耐久又經(jīng)濟的目標。 7/19/202281Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.2 橋梁全壽命設(shè)計6,13 5.2.1 概念 為尋求全壽命周期內(nèi)橋梁的人文、生態(tài)、環(huán)境、技術(shù)、功能和經(jīng)濟效益等綜合最優(yōu)，對結(jié)構(gòu)、材料、耐久性、美學(xué)、環(huán)保、施工、管養(yǎng)以及全壽命成本等進行綜合設(shè)計的方法6。7/19/202282Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.2.2 設(shè)

53、計的主要內(nèi)容 (1)橋梁整體及各可更換部件的設(shè)計壽命的確定。 (2)性能設(shè)計。結(jié)構(gòu)體系和部件的功能設(shè)計及其未來可能的靈活性設(shè)計；為滿足橋梁安全性能的要求，需進行強度、穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)設(shè)計；為滿足橋梁耐久性能的要求，需進行耐久性設(shè)計；進行行車安全性分析和設(shè)計，以滿足使用者對出行安全的要求；風(fēng)險分析和對策設(shè)計，使橋梁在遭遇一定概率的風(fēng)險事件后，不造成較大經(jīng)濟損失和人員傷亡，明確工程保險成本。7/19/202283Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 (3)美學(xué)設(shè)計。包括造型設(shè)計和景觀設(shè)計，以滿足人們對橋梁美學(xué)和景觀欣賞的需求。 (4)生態(tài)設(shè)計。包括環(huán)境保護設(shè)計、回收與

54、再利用設(shè)計。 (5)施工過程控制設(shè)計，以確保良好施工質(zhì)量并忠實地表達設(shè)計成果。 (6)橋梁的管理、養(yǎng)護設(shè)計。包括橋梁運營期內(nèi)的監(jiān)測、養(yǎng)護、維修、管理等，使橋梁在使用壽命期內(nèi)始終保持良好性能，滿足使用功能的要求。7/19/202284Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 (7)全壽命周期成本分析是進行橋梁全壽命設(shè)計不可缺少的內(nèi)容之一。要選擇最優(yōu)的設(shè)計方案，必須進行全壽命周期成本分析，對整個壽命周期內(nèi)發(fā)生的所有成本(包括財務(wù)成本和環(huán)境成本)進行比較，在平衡各種需求的前提下，選擇全壽命周期成本較低的方案。7/19/202285Renda ZHAO, PhD. Pro

55、f. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.2.3 橋梁工程全壽命設(shè)計的階段劃分6 橋梁工程全壽命設(shè)計從投資規(guī)劃開始，可分為工程可行性研究、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計3個階段。分別如圖5.1圖5.3 所示。7/19/202286Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 圖5.1 工程可行性研究流程圖7/19/202287Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 圖5.2 初步設(shè)計階段流程圖7/19/202288Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 圖5.3 施工圖設(shè)計階段流程圖7/19/202289Renda ZH

56、AO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.2.4 吳海軍提出的基于使用壽命設(shè)計和全壽命經(jīng)濟性控制的耐久性設(shè)計方法 給出了耐久性設(shè)計的主要步驟7： 確定目標使用壽命和設(shè)計使用壽命； 環(huán)境效應(yīng)分析； 劣化因素和機理的確定； 選擇耐久性模型； 耐久性參數(shù)的計算； 對常規(guī)力學(xué)方法的計算進行修正； 耐久性參數(shù)應(yīng)用到最終設(shè)計。7/19/202290Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法全面的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法框架7/19/202291Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法 5.2.5邵旭東等提出基于壽命周期成本(Life

57、-Cycle Cost，簡稱LCC)的設(shè)計方法8 該方法是以橋梁服務(wù)水平為基礎(chǔ)，壽命周期成本總和現(xiàn)值最小為目標的設(shè)計方法。它是以最小的全壽命投入獲取最優(yōu)的橋梁長期服務(wù)水平這一性能為目標的新設(shè)計方法。該方法的核心是在設(shè)計階段便考慮橋梁建成后的養(yǎng)護、維護和管理問題，綜合評估橋梁建造成本、用戶成本和社會成本，力求達到總體資源消耗最小為目的。橋梁全壽命設(shè)計流程如圖5.4所示。7/19/202292Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法圖5.4 橋梁全壽命設(shè)計流程7/19/202293Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法橋梁生命周期成本構(gòu)成7/19/202294Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法橋梁生命周期成本分析流程7/19/202295Renda ZHAO, PhD. Prof. SWJTU耐久性設(shè)計方法5.2.6 馬軍海和陳艾榮等提出的橋梁全壽命設(shè)計總體框架9,13 他們的相關(guān)論文提出：把橋梁全壽命設(shè)計概括為使用壽命設(shè)計、美學(xué)設(shè)計、性能設(shè)計、環(huán)境生態(tài)設(shè)計、監(jiān)測