桥梁安全耐久性和全寿命设计研究概况

2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU1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赵人达博士教授博导2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU2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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU3引言我国正处于桥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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU4引言0.1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：2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU5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、使用功能和外观要求的能力[金伟良等：《混凝土结构耐久性》，2002.09]。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU6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。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]。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU7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：结构在规定期限内，在各种作用下维持其应用功能的能力。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久的适用性。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU8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、建造及运作(运营)，在可以预期的环境影响下，结构在一个明确的(或隐含的)时间段内，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、适用性及可接受的外观。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU9引言几种定义：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主要对象，也应该明确耐久性与承载力及安全性的区别。原因在于：l)影响结构“安全、使用功能和外观”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，缺乏可操作性；2)目前，不少研究和文献在一定程度上混淆了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构保持其特定性能的能力，承载力是其中的一种性能。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU10引言表0.14种耐久性定义的比较2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU11引言吴海军认为结构耐久性可以从两个层次界定[1]：l)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(包括安全性、适用性及美观)的能力；2)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他因素(设计预期的正常荷载，对于突发性灾害事件不应多考虑)共同作用下，在同样(或等效)的建设和运营维护总成本(寿命周期总成本)下，在设计使用寿命期内，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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU12引言该提法的特点：l)耐久性的核心是结构的寿命问题；2)避免了较模糊的因素，例如关于正常维护条件以及正常维护费用的定义；3)耐久性的优劣不可避免地要涉及到经济性的问题，只有以考虑了建设成本、维护管理成本的桥梁全寿命经济性最优作为控制条件才可以对耐久性做出全面、公正的评价。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU13引言运用该提法可以方便地进行耐久性的比较和评价，当明确了使用条件(外界环境及其他因素)和总体成本，可以通过计算其实际使用寿命来评估一个具体结构的耐久性能否满足使用寿命的要求；当明确了使用条件和使用寿命后，则可以通过计算总体成本来评估不同耐久性设计方案的优劣。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU14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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU15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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU16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(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、保护层剥落、裂缝的发展、钢筋锈蚀、渗透冻融破坏等等。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU17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】。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU18但自70年代以来，国内外都发现一些预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470000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2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU19各类桥梁面临的耐久性问题表1.1美国不同材料桥梁结构缺陷分布情况2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU20各类桥梁面临的耐久性问题我国交通部2003年年底的统计数字显示，全国共有公路桥梁310773座，计12466143延米，按《公路桥梁养护技术规范》归类为危险等级的桥梁为10443座，计378439延米[14]。此外，根据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。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了沉重的负担。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU21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1550亿美元”【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题[贡金鑫，1999]。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU22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2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU23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3~10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]。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU24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(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，主要表现在悬索桥钢索的锈蚀和斜拉桥拉索的损坏。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU25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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU26各类桥梁面临的耐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。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU27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1934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]。2019/10/2RendaZHAO,PhD.Prof.SWJTU28各类桥梁