橋梁病害診治與評估張樹仁

1、一橋梁病害診斷1（一）詳細而認真裂縫調(diào)查、檢測與分析是混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測的核心1（二）鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素6二橋梁結(jié)構(gòu)的鑒定評估13（一）結(jié)構(gòu)承載力評估13（二）結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測15一橋梁病害診斷在役橋梁結(jié)構(gòu)隨著使用時間的延續(xù)，受結(jié)構(gòu)使用條件變化及環(huán)境侵蝕等因素的影響，加之設(shè)計和施工的不當，都會使結(jié)構(gòu)受到不同程度的損傷，造成橋梁病害，使結(jié)構(gòu)性能退化，使用功能逐步降低乃至完全喪失。結(jié)構(gòu)受到損傷后，需要對結(jié)構(gòu)損傷原因和程度進行分析，確定結(jié)構(gòu)損傷后的承載能力和剩余壽命。在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改造決策分析，根據(jù)經(jīng)濟技術(shù)條件提出結(jié)構(gòu)處理措施，如維修、加固或拆除重建等。（一）詳細而認

2、真裂縫調(diào)查、檢測與分析是混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測的核心實踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表，所以，對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測，首先應(yīng)從對結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查、檢測與分析入手?；炷两Y(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴展而引起的。引起裂縫的原因很多，但可歸納為兩大類：第一類：由外荷載引起的裂縫，稱為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱為受力裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。這種裂縫的出現(xiàn)，預(yù)示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在其他嚴重問題。第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生自應(yīng)力，

3、當此應(yīng)力達到混凝土抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫，裂縫一旦出現(xiàn)，變形得到釋放，自應(yīng)力也就消失了。兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同，有時兩類裂縫融在一起。調(diào)查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導(dǎo)的約占80%；以荷載引起的裂縫占主導(dǎo)的約占20%。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評定，裂縫修補和加固的依據(jù)，若對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。1結(jié)構(gòu)性裂縫（受力裂縫）眾所周知，混凝土的抗拉強度很低，抗拉極限應(yīng)變大約為。換句話說，混凝土即將開裂的瞬間，鋼筋的應(yīng)力只有。事實上，在正常使用階段鋼筋的應(yīng)力遠大于此值，所以說在正常使用階段鋼筋混

4、凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是避不可免的。因而，習(xí)慣上又將這種裂縫稱為正常裂縫。實踐證明，在正常條件下，裂縫寬度小于0.3mm時，鋼筋不致生銹。為確保安全，允許裂縫寬度還應(yīng)小一些。新修訂的<公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范>JTG D62-2003（以下簡稱<橋規(guī)JTG D62>）規(guī)定：鋼筋混凝土構(gòu)件計算的特征裂縫寬度不應(yīng)超過下列規(guī)定的限值：類及類環(huán)境 0.2mm類及類環(huán)境 0.15mm結(jié)構(gòu)性裂縫可根據(jù)構(gòu)件的受力特征判斷。圖1-1所示為鋼筋混凝土簡支梁的典型結(jié)構(gòu)性裂縫分布示意圖。圖1-1 鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)裂縫圖1-1中所示的跨中截面附近下緣受拉區(qū)的豎向裂縫，是最常見的結(jié)構(gòu)性

5、裂縫。在正常設(shè)計和使用情況下，裂縫寬度不大，間距較密，分布均勻。若豎直裂縫寬度過大，超過規(guī)范規(guī)定的限值，預(yù)示結(jié)構(gòu)正截面承載力不足；圖1-1中所示為支點（或腹板寬度變化處）附近截面由主拉應(yīng)力引起的斜裂縫。在正常設(shè)計和使用情況下很少出現(xiàn)斜裂縫，即使出現(xiàn)裂縫寬度也很小。若斜裂縫寬度過大，預(yù)示結(jié)構(gòu)的斜截面承載力不足，存在發(fā)生斜截面脆性破壞的潛在危險，應(yīng)引起足夠的重視。有些結(jié)構(gòu)性裂縫（受力裂縫）是由設(shè)計錯誤和施工方法不當所造成的。例如：鋼筋錨固長度不足、計算圖式與實際受力不符、構(gòu)件剛度不足、次內(nèi)力考慮不全面和施工安裝構(gòu)件支承吊點錯誤等都可以使構(gòu)件產(chǎn)生裂縫。圖1-2所示為美國紐約一座高架橋橋墩蓋梁懸臂裂縫

6、分布及加固方案示意圖2。橋梁通車后發(fā)現(xiàn)橋墩蓋梁懸臂出現(xiàn)嚴重裂縫，裂縫從上層受拉鋼筋端頭處開始，向下沿伸至懸臂根部。顯然，這種裂縫是由于鋼筋錨固長度不夠所引起的結(jié)構(gòu)性裂縫，這種結(jié)構(gòu)性裂縫對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成潛在危險，應(yīng)及時加以處理。該橋采用了預(yù)加應(yīng)力的方法進行了補強處理。在超靜結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)不均勻沉降，將引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫?；A(chǔ)不均沉降引起的上部結(jié)構(gòu)的裂縫，實質(zhì)上是屬于結(jié)構(gòu)性裂縫（受力裂縫）范疇，裂縫的分布和寬度與結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)不均沉降情況及大小等多種因素有關(guān)。這種裂縫對結(jié)構(gòu)安全性影響很大，應(yīng)在基礎(chǔ)不均勻沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能進行上部結(jié)構(gòu)的裂縫處理。圖1-2：美國紐約

7、高架橋橋墩蓋梁懸臂裂縫分布及加固方案 圖1-3 南方某城市立交匝道橋的平面布置和橫斷面圖圖1-3所示為我國南方某城市立交匝道橋的平面布置和橫斷面圖，其中第三聯(lián)（1018號墩）為8×25m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，軟土地基，鉆孔樁基礎(chǔ)，采用滿堂支架就地澆筑混凝土施工。該橋施工中出現(xiàn)嚴重裂縫，第三聯(lián)（1816號墩）+1/4（1615號墩）跨拆模后，發(fā)現(xiàn)邊跨（1718號墩）出現(xiàn)25條豎直裂縫，最大裂縫寬度為0.15mm，三個月后發(fā)現(xiàn)其余各跨都出現(xiàn)了裂縫，跨中部分的裂縫已由腹板向底板沿伸200mm，個別裂縫已貫穿底板，在墩頂負彎矩區(qū)段也出現(xiàn)了由腹板向翼緣端部延伸的橫向裂縫。在該橋的事故分析中，

8、通過對施工、檢測、監(jiān)理原始資料的分析，排除了由施工方法不當和材料強度不足造成如此嚴重裂縫的可能。通過對設(shè)計資料審核發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計在計算基礎(chǔ)不均勻沉降時，只考慮第三聯(lián)中間支點（14號墩）下沉20mm一種工況。顯然這樣處理是不全面的。若按9個支座分別下沉20mm共9種工況計算結(jié)果，進行最不利內(nèi)力組合，17號墩頂截面負彎矩最大。按此內(nèi)力計算，該截面原設(shè)計配筋嚴重不足，比計算需要值少32.2%，正截面抗彎承載力不足，致使箱梁頂板出現(xiàn)嚴重的橫向貫通裂縫。橫向裂縫進一步向腹板發(fā)展，使墩頂截面的連續(xù)嵌固作用降低，全橋處于類似于簡支梁的工作狀態(tài)，使各跨中正彎矩增加，因正截面抗彎承載力不足出現(xiàn)豎直裂縫。2非結(jié)構(gòu)性

9、裂縫混凝土的非結(jié)構(gòu)性裂縫根據(jù)其形成的時間可分為：混凝土硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完全硬化后裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生受混凝土材料組成、澆筑方法，養(yǎng)護條件和使用環(huán)境等等多因素影響。（1）收縮裂縫混凝土凝固過程，混凝土中多余水分蒸發(fā)，體積縮小稱為干縮。同時，水泥和水起水化作用逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密，體積縮小，稱為凝縮。收縮中以干縮為主，占總收縮量的8/109/10。收縮量隨時間增長而不斷加大，初期收縮較快，爾后日趨緩慢。普通混凝土在標準狀態(tài)下的極限收縮變形約為3.24×104。當混凝土成形后，表面水份蒸發(fā)，這種水份蒸發(fā)總是由表及里逐步發(fā)展，截面上溫度形成梯度，內(nèi)外干縮量不一樣，因

10、而混凝土表面收縮變形受到混凝土內(nèi)部約束或其他約束限制時，即在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起混凝土開裂。尤其是混凝土早期養(yǎng)護不當，混凝土表面直接受到風(fēng)吹日曬的影響，表面水份蒸發(fā)過快，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，混凝土早期強底低，很容易出現(xiàn)收縮裂縫。收縮裂縫發(fā)生在混凝土面層，裂縫淺而細，寬度多在0.050.2mm之間。對板類構(gòu)件多沿短邊方向，均勻分布于相鄰兩根鋼筋之間，方向與鋼筋平行。對高度較大的鋼筋混凝土梁，由于腰部水平鋼筋間距過大，在腰部（或腹板）產(chǎn)生豎向收縮裂縫，但多集中在構(gòu)件中部，中間寬兩頭細，至梁的上、下緣附近逐漸消失，梁底一般沒有裂縫。大體積混凝土在平面部位收縮裂縫較多，側(cè)面也有所見。收縮裂縫對構(gòu)件承

11、載力影響不大，主要影響影響結(jié)構(gòu)外觀和耐久性。（2）溫度裂縫鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫度變化將產(chǎn)生熱脹冷縮變形，這種溫度變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當此應(yīng)力達到混凝土的抗拉強度極限值時，即會引起混凝土裂縫。這種裂縫稱為溫度裂縫。按結(jié)構(gòu)的溫度場不同、溫度變形、溫度應(yīng)力不同，溫度裂縫可分為三種類型：截面均勻溫差裂縫：一般橋梁結(jié)構(gòu)為桿件體系長細結(jié)構(gòu)，當溫度變化時，構(gòu)件截面受到均勻溫差的作用，可忽略橫截面兩個方向的變形，只考慮沿梁長度方向的溫度變形，當這種變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。例如：連續(xù)梁預(yù)留伸縮縫的伸縮量過小，或有施工散落的混凝土碎塊等雜物嵌入伸縮縫，或堆集于

12、支座處沒有及時清理，使伸縮縫和支座失靈等，當溫度急劇變化時，結(jié)構(gòu)伸長受到約束，上部橋跨結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)這種截面均勻溫差裂縫，嚴重者還可能造成墩臺的破壞。截面上、下溫差裂縫以橋梁結(jié)構(gòu)中大量采用的箱形梁為例，當外界溫度驟然變化時，會造成箱內(nèi)外的溫度差，考慮到橋梁為長細結(jié)構(gòu)，可以認為在沿梁長方向箱內(nèi)外的溫差是一致的，沿水平橫向沒有溫差。可將三維熱傳等問題簡化為沿梁的豎向溫度梯度來確定，一般假設(shè)梁的截面高度方向、溫差呈線性變化。在這種溫差作用下，梁不但有軸向變形，還伴隨產(chǎn)生彎曲變形。梁的彎曲變形在超靜定結(jié)構(gòu)中不但引起結(jié)構(gòu)的位移，而且因多余約束存在，還要產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力。當上、下溫差變形產(chǎn)生的應(yīng)力達到混

13、凝土抗拉強度極限值時，混凝土就要出現(xiàn)裂縫，這種裂縫稱為截面上、下溫差裂縫。截面內(nèi)外溫差裂縫水泥在水化過程產(chǎn)生一定的水化熱，其大部分熱量是在水泥澆筑后3天以內(nèi)放出的。大體積混凝土產(chǎn)生的大量水化熱不容易散發(fā)，內(nèi)部溫度不斷上升，而混凝土表層散熱較快，使截面內(nèi)部產(chǎn)生非線性溫度差。另外，預(yù)制構(gòu)件采用蒸氣養(yǎng)護時，由于混凝土升溫或降溫過快，致使混凝土表面劇烈升溫或降溫，也會使截面內(nèi)部產(chǎn)生非線性溫度差。在這種截面溫差作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生彎曲變形，且符合平截面假設(shè)，截面縱向纖維因溫差的伸長將受到約束，產(chǎn)生溫度自應(yīng)力。對超靜定結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生阻止撓曲變形的約束應(yīng)力。有時此溫度應(yīng)力是相當大的，尤其是混凝土早期強度比較較低

14、，很容易造成混凝土裂縫?；炷翜囟攘芽p有以下特點：裂縫發(fā)生在板上時，多為貫穿裂縫；發(fā)生在梁上多為表面裂縫。梁板式結(jié)構(gòu)或長度較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多是平行于短邊。大面積結(jié)構(gòu)（例如橋面鋪裝）裂縫多是縱橫交錯。裂縫寬度大小不一，一般在0.5mm以下，且沿結(jié)構(gòu)全長沒有多大變化。預(yù)防溫度裂縫的主要措施是合理設(shè)置溫度伸縮縫，在混凝土組成材料中摻入適量的磨細粉煤灰，減少水化熱，加強混凝土養(yǎng)護，嚴格控制升溫和降溫速度。（3）鋼筋銹賬裂縫（順筋裂縫）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與鋼筋的腐蝕相互作用。裂縫會增加混凝土的滲透性，使鋼筋的腐蝕加重，另一方面鋼筋腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土保護層沿縱筋方向出現(xiàn)裂縫，嚴重者混凝土

15、保護層會完全脫落。對預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件而言，由于預(yù)壓應(yīng)力過大或管道灌漿受凍、膨脹等原因也可能出現(xiàn)順筋裂縫。這種裂縫是不可恢復(fù)的，會加劇預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕（又稱應(yīng)力腐蝕），預(yù)應(yīng)力筋腐蝕又會進一步加劇順筋裂縫的擴展。如此惡性循環(huán)，帶有極大的危險性，應(yīng)引起足夠的重視，及時處理。（二）鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素眾所周知，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋承擔拉力，混凝土承擔壓力，兩者組成一個整體共同工作，混凝土保護鋼筋免于銹蝕，保證了結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷梁弯摻畹膹姸仁谴_定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的基本參數(shù)，它隨時間的變化規(guī)律是建立在股結(jié)構(gòu)抗力變化模型的基礎(chǔ)。一般來說，混凝土強度在初期隨時間增大，但增長速度逐

16、漸減慢。一般大氣條件下混凝土的損傷主要是碳化腐蝕和凍融循環(huán)破環(huán)。試驗研究表2，碳化對混凝土強度沒有破壞作用，碳化后混凝土的強度隨齡期增長反而提高；凍融循環(huán)使混凝土的強度有所降低，其降低的幅度主要與混凝土的材料組成有關(guān)，隨時間的增長變化不大?；炷撂蓟g會降低混凝土的堿性，隨著時間的推移，碳化的發(fā)展會使混凝土失去對鋼筋保護作用，引起鋼筋的腐蝕。鋼筋的腐蝕是影響混凝土耐久性和使用壽命的重要因素。因此研究混凝土碳化和鋼筋腐蝕隨時間隨時的變化規(guī)律，建立在役結(jié)構(gòu)抗力變化模型，是進行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估和剩余壽命預(yù)測的核心內(nèi)容。1混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中的氫氧化鈣（Ca(OH)2）與滲透進混

17、凝土中的二氧化碳（CO2）和其他酸性氣體等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。碳化的實質(zhì)是混凝土的中性化。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，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。當有二氧化碳和水汽從表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時，和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。當混凝土完全碳化后，就出現(xiàn)PH值小于9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，在有水份和其他有害界質(zhì)侵入的情況下，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，鋼筋屈服強度降低，結(jié)構(gòu)耐久性降低第一系列不良后果

18、。（1）影響混凝土碳化的因素研究表明，混凝土的碳化速度取決于CO2氣體的擴散速度及CO2與混凝土成份的反應(yīng)性速度，CO2氣體的擴散速度受混凝土本身的組織密實性，CO2氣體的濃度，環(huán)境溫度，試件含水量等多種因素影響。所以，混凝土的碳化反應(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。這些因素可歸結(jié)為與混凝土自身相關(guān)的內(nèi)部因素（主要有水泥用量和水灰比）和與環(huán)境有關(guān)的外界因素。對于在股結(jié)構(gòu)物來說，由于其內(nèi)部因素已經(jīng)確定，因此影響混凝土碳化速度的主要因素是外部因素，如CO2的濃度越高，且壓力越大，碳化深度越大。因此，在城市交通繁忙路段處的結(jié)構(gòu)物往往碳化現(xiàn)象較嚴重。另外，碳化較易發(fā)生在潮濕環(huán)境中，

19、尤其是干濕交替的環(huán)境，因此，南方的結(jié)構(gòu)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。（2）混凝土的碳化規(guī)律國內(nèi)外學(xué)者在分析碳化試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了碳化深度與碳化時間的關(guān)系式為 （1-1）式中：D碳化深度（mm）；t碳化時間（年）；R碳化速度系數(shù)，其數(shù)值不僅與混凝土的水泥品種及用量，養(yǎng)護方法有關(guān)，還與環(huán)境濕度、溫度及CO2濃度等多種因素有關(guān)。國內(nèi)外很多學(xué)者對碳化速度系數(shù)R的取值都提出了各自的經(jīng)驗公式。這些公式的區(qū)別在于選取的參數(shù)和參數(shù)的個數(shù)不同。近幾年來，國內(nèi)外許多學(xué)者都致力于混凝土碳化的多系數(shù)方程的研究，中國建筑科學(xué)研究院將公式（1-1）所示用單一系數(shù)表達的碳化深度與碳化時間關(guān)系

20、式，改寫為下列形式2： （1-2）式中：1水泥用量影響系數(shù)；2水灰比影響系數(shù)；3粉煤灰取代量影響系數(shù)；4水泥品種影響系數(shù)；5骨料品種影響系數(shù)；6養(yǎng)護方法影響系數(shù)；混凝土影響系數(shù)1、26，可按表1-1取用。k綜合影響系數(shù)，普通混凝土k=2.32，輕骨料混凝土k=4.18?；炷撂蓟绊懴禂?shù) 表1-1 系數(shù)名稱符號條件相對指標水泥用量影響系數(shù)1水泥用量(kg/m3)250300350400450輕骨料混凝土1.351.00.850.750.65普通混凝土1.401.00.900.800.70水灰比影響系數(shù)2水灰比0.40.50.60.7輕骨料混凝土0.851.0普通混凝土0.71.0粉煤灰取代量影

21、響系數(shù)3粉煤灰取代量(%)0102030輕質(zhì)混凝土1.01.21.301.50普通混凝土1.01.301.502.00水泥品種影響系數(shù)4水泥品種4.25普硅水泥425礦渣或火山灰水泥635礦渣水泥輕質(zhì)混凝土1.01.201.25普通混凝土1.01.351.50骨料種類影響系數(shù)5骨料種類粗骨料細骨料天然輕骨料人造輕骨料碎石普通砂破碎輕砂珍珠巖砂1.00.60.551.01.42.0養(yǎng)護方法影響系數(shù)6養(yǎng)護方法標準養(yǎng)護蒸汽養(yǎng)護輕質(zhì)混凝土1.01.5普通混凝土1.01.85利用公式（1-1）推算混凝土的碳化深度時，公式中的碳化系數(shù)R也可按中國建筑科學(xué)研究院推薦的統(tǒng)計經(jīng)驗公式由混凝土設(shè)計強度等級直接求出

22、?？紤]各地氣象條件不同，碳化系數(shù)可參照表1-2 3。混凝土碳化系數(shù)R計算表達式 表1-2 城市名稱環(huán)境條件碳化系數(shù)公式北京室外環(huán)境151/2.38西寧室外環(huán)境139/2.18貴陽室外環(huán)境131/1.78杭州室外環(huán)境152/2.392鋼筋的腐蝕大量的工程實踐表明，鋼筋的腐蝕是影響在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。處于干燥環(huán)境下，混凝土碳化速度緩慢，具有良好保護層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般不會發(fā)生鋼筋腐蝕；而處于潮濕的或有侵蝕介質(zhì)（例如氯離子）的環(huán)境中，混凝土將加速碳化，鋼筋鈍化膜逐漸破壞，常因鋼筋腐蝕引起結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。鋼筋腐蝕伴隨有體積膨脹，使混凝土沿鋼筋出現(xiàn)爆裂，造成鋼筋與混凝土之間粘著力的破壞

23、，鋼筋截面面積減少，構(gòu)件承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。（1）鋼筋腐蝕的機理混凝土中的鋼筋腐蝕一般為電化學(xué)腐蝕。二氧化碳、氯離子等腐蝕介質(zhì)侵入時，混凝土的堿性降低或混凝土保護層開裂等都會造成全部或部分地破壞鋼筋表面的鈍化狀態(tài)，由于鋼材材質(zhì)和表面的非均勻性，在鋼筋表面的不同部位總會出現(xiàn)較大的電位差，形成陽極和陰極。因此，在潮濕環(huán)境下由于氧氣和水的參與，鋼筋就可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：在陽極的反應(yīng)為 （1-3）在陰極的反應(yīng)為 （1-4）陰極、陽極生成的鐵離子和氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化鐵： （1-5）在氧氣和水汽的共同作用下，由于上

24、述電化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋表面的鐵不斷失去電子而溶于水，從而逐漸被腐蝕，在鋼筋表面生成鐵銹，鐵銹體積膨脹，引起混凝土開裂。影響電化學(xué)腐蝕的因素有環(huán)境的濕度、溫度、氧氣濃度等，濕度越大、溫度越高、氧氣濃度越大，腐蝕越嚴重。氯離子雖然不能構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，但其中間產(chǎn)物對鋼筋腐蝕電化學(xué)反應(yīng)起催化作用，將加速鋼筋的腐蝕，對結(jié)構(gòu)的危害較大。鋼筋由于電化學(xué)腐蝕等原因，使表面形成大小不一、分散分布的腐蝕坑，腐蝕坑的存在加大了鋼筋的電位差，使腐蝕加速；另一方面腐蝕坑相當于一個缺口，在鋼筋受拉時，將引起應(yīng)力不均勻分布，造成應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致鋼筋的早期斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼筋的應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是化學(xué)腐蝕和應(yīng)力復(fù)合作用的結(jié)果

25、。應(yīng)力腐蝕的主要與腐蝕介質(zhì)，鋼筋的應(yīng)力水平和鋼筋的材質(zhì)情況的有關(guān)，鋼筋的強度和應(yīng)力值對應(yīng)力腐蝕有重要影響。鋼筋的強度越高，其變形性能越差，越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕；鋼筋應(yīng)力越高，應(yīng)力腐蝕的敏感性越大。因此，應(yīng)力腐蝕對高強預(yù)應(yīng)力筋的危害是很大的。（2）鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)受力性能的影響混凝土中的鋼筋腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物體積膨脹使混凝土保護層沿縱筋出現(xiàn)裂縫，使鋼筋與混凝土的粘結(jié)力下降，鋼筋截面積減少，屈服強度降低，隨著時間的推移結(jié)構(gòu)受力性能將進一步惡化，嚴重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼筋腐蝕對鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的影響鋼筋腐蝕對粘結(jié)強度的影響與腐蝕量有關(guān)：當鋼筋表面只有輕微的腐蝕時（腐蝕率小于1%），鋼筋與混凝土之間的粘

26、結(jié)強度有所提高；但隨蝕量的增加，粘結(jié)強度則會顯著下降。當因鋼筋腐蝕產(chǎn)生順筋裂縫，且裂縫寬度超過1.52mm時，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力基本喪失，其平均粘結(jié)強度僅為無縱向裂縫的3.5%5.5%。鋼筋腐蝕對構(gòu)件承載力的影響鋼筋腐蝕對鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的影響主要取決于鋼筋腐蝕引起的鋼筋截面面積減少、材料力學(xué)性能的變化和鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。（3）腐蝕鋼筋的截面損失率鋼筋的腐蝕率以截面損失率表示。對在股結(jié)構(gòu)的鋼筋腐蝕截面積損失率可采用取樣檢查法或裂縫觀察法確定。取樣檢查法就是去掉混凝土保護層直接檢查腐蝕情況，如剩余直徑，腐蝕坑的長度、深度等。檢查即可在鋼筋上直接進行，也可以取鋼筋試樣在實驗室進行

27、分析。裂縫觀察法是根據(jù)混凝土上裂縫的形狀、分布及裂縫寬度來判斷鋼筋的腐蝕程度。鋼筋腐蝕后會產(chǎn)生體積膨脹，造成混凝土出現(xiàn)順筋裂縫，因此，通過觀察混凝土構(gòu)件上有無順筋裂縫和裂縫開展寬度可判鋼筋腐蝕程度，見表1-32。鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫與鋼筋截面損失率 表1-3 裂縫狀態(tài)鋼筋截面損失率裂縫狀態(tài)鋼筋截面損失率無順筋裂縫(01)%保護層局部脫落(520)%有順筋裂縫(0.510)%保護層全部脫落(1520)%腐蝕鋼筋的截面損失率與裂縫寬度、保護層厚度、鋼筋直徑和混凝土強度等有關(guān)，它們之間的關(guān)系可表示為： （0<0.2mm） （1-6） （0.2mm<0.4mm） （1-7）式中：鋼筋截面損失

28、率（%）；C混凝土保護層厚度（mm）；d鋼筋直徑（mm）；fcu.k混凝土立方體強度（Mpa）；腐蝕裂縫寬度（mm）；腐蝕鋼筋的截面損失率，亦可按不同鋼筋位置，按下列公式計算：位于角部的R235鋼筋（原級鋼筋）（C=1525mm） （1-8）處于箍筋位置的R235鋼筋（原級鋼筋） （1-9）位于角部的HRB335鋼筋（原級鋼筋）（C=2040mm） （1-10）（4）腐蝕鋼筋的力學(xué)性能鋼筋腐蝕后其力學(xué)性能如：抗拉強度、伸縮率等也隨之發(fā)生變化，變化情況取決于鋼筋的品種和環(huán)境介質(zhì)條件。對普通的熱扎鋼筋，在一般大氣環(huán)境下腐蝕對其力學(xué)性能影響不大。但是，若混凝土中滲入了氯化物而使鋼筋腐蝕，則使鋼筋的延

29、性大為降低。在高強度鋼筋中，應(yīng)力隨著塑性的降低而逐漸松弛。中國建筑科學(xué)研究院的實驗表明，當鋼筋表面沿長度發(fā)生均勻腐蝕時，隨著腐蝕率的增加，鋼筋的極限強度與極限延伸率都隨之降低，用公式表示為（直徑12mm，R235鋼筋）： （1-11） 8% （1-12） >8% （1-13）式中：腐蝕后鋼筋的極限強度；腐蝕前鋼筋的極限強度；腐蝕后鋼筋的延伸率；腐蝕前鋼筋的延伸率；鋼筋的截面面積損失率。冶金部建筑科學(xué)研究院的研究表明，鋼筋腐蝕后延性的降低程度比截面損失率大。鋼筋腐蝕對其力學(xué)性能的影響取決于腐蝕程度。當鋼筋表面僅有浮銹且截面損失率小于10%時，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鋼筋極限強度、屈服強度與未銹

30、蝕者基本相同；當鋼筋腐蝕的截面損失率小于5%時，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系仍具有明顯的屈服點，也具有足夠的延性，鋼筋的極限強度和屈服強度也未有顯著的改變；當鋼筋腐蝕的截面損失率大于10%時，鋼筋的力學(xué)性能有顯著的改變。鋼筋腐蝕分類表 表1-4 腐蝕程度abcd截面損失率(%)0113310>10裂縫情況無縱向裂縫無縱向裂縫有少量縱向裂縫縱向裂縫增多，保護層部分剝落，嚴重時保護層脫落腐蝕擴散腐蝕僅發(fā)生在鋼筋表面腐蝕僅發(fā)生在鋼筋表面向混凝土擴散腐蝕物鐵銹沿混凝土裂縫擴散，使順筋裂縫貫通，保護層脫落。屈服強度基本不變基本不變基本不變降低極限強度基本不變基本不變降 低降低，具有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕延伸率基本

31、不變基本不變降 低降低，可能發(fā)生脆斷粘結(jié)力基本不變基本不變降低，但不明顯顯著降低（5）鋼筋腐蝕對構(gòu)件承載力的影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎承載力，隨鋼筋腐蝕率的增加而呈線性下降規(guī)律。當鋼筋的截面損失率小于5%時，鋼筋的抗拉強度與延伸率基本上無變化，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力也基本不變，平截面假設(shè)仍然成立，可以按照無腐蝕的普通鋼筋混凝土構(gòu)件的計算方法分析構(gòu)件的抗彎承載能力，但分析中應(yīng)考慮鋼筋截面損失率。對于中度腐蝕的鋼筋，由于鋼筋截面面積少、鋼筋抗拉強度和延伸率降低，使鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力明顯下降。但是在這階段，鋼筋腐蝕坑深度不大，尚未形成應(yīng)力集中區(qū)。一般情況下，鋼筋不會發(fā)生脆斷或延性明顯降低現(xiàn)象，構(gòu)

32、件從加荷至最后破壞的全過程仍呈現(xiàn)出良好的變形性能。構(gòu)件的承載力仍可按未腐蝕的普通鋼筋混凝土構(gòu)件的計算方法計算，但應(yīng)同時考慮鋼筋截面損失和屈服強度降低的雙重影響。當鋼筋發(fā)生嚴重腐蝕時，隨著鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的顯著降低，鋼筋與混凝土之間的共同工作能力減弱，梁的受力接近于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力拉桿或附加有普通鋼筋的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁。此時構(gòu)件的抗彎承載力、剛度都有明顯降低。對于這種情況，若用規(guī)范給出了用于普通鋼筋混凝土承載力計算公式、分析構(gòu)件的承載力時，除應(yīng)考慮鋼筋截面損失率和屈服強度降低的影響外，尚應(yīng)考慮鋼筋與混凝土共同工作折減，將其承載力乘以0.80.9的系數(shù)。二橋梁結(jié)構(gòu)的鑒定評估橋梁結(jié)構(gòu)鑒定評估的目

33、的是分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全可靠性和剩余使用壽命。橋梁病害損傷檢測分析是鑒定評估的基礎(chǔ)，鑒定評估是對橋梁進行改造決策分析的前提。（一）結(jié)構(gòu)承載力評估評估現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全可靠性的核心問題是確定考慮結(jié)構(gòu)病害損傷后的結(jié)構(gòu)承載力。橋梁結(jié)構(gòu)的承載力評定通常采用以下三個途徑：1根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求對照橋梁的存在的缺陷及病害進行綜合評定例如我國<公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范>中對橋梁技術(shù)狀態(tài)標準和裂縫寬度，都做了規(guī)定。依此標準將橋梁技術(shù)狀況劃分為四類。公路養(yǎng)護管理部分推廣使用<橋梁技術(shù)狀況評估專家系統(tǒng)>也屬于綜合評估方法，這種評估方法只能給出宏觀的分析結(jié)果。2現(xiàn)場荷載試驗評估方法通過現(xiàn)場荷載試驗（靜載試驗和

34、動載試驗）可直接檢算結(jié)構(gòu)的實際承載力。荷載試驗與理論計算分析相結(jié)合是比較符合實際的承載力評定方法，但試驗設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，經(jīng)費支出大，目前尚難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。3理論計算分析評估方法在現(xiàn)場調(diào)查和病害檢測分析的基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)病害、損傷的影響，按現(xiàn)行規(guī)范計算結(jié)構(gòu)承載力是國內(nèi)采用的承載力評估的主要方法。 按新修訂的<公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范>JTG D62-2003（以下簡稱<橋規(guī)JTG D62>）規(guī)定，構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的基本方程式為： （1-14）式中： 荷載效應(yīng)組合設(shè)計值；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；混凝土強度設(shè)計值；鋼筋強度設(shè)計值；與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的計算參數(shù)

35、；結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)。對橋梁中大量采用鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋，應(yīng)對跨中正截面抗彎承載力和距支點（此外h為梁高）和腹板寬度變化處的斜截面抗剪承載力進行檢算。對于連續(xù)梁應(yīng)對跨中和中間支點處截面的正截面抗彎承載力進行檢算，應(yīng)對支點橫隔板邊緣處和腹板寬度變化處的斜截抗剪承載力進行檢算。正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力檢算可按<橋規(guī)JTG D62>給出的有關(guān)公式計算。但在計算時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)損傷的影響，注意以下幾點：（1）結(jié)構(gòu)尺寸及配筋應(yīng)參照結(jié)構(gòu)竣工圖，按實際結(jié)構(gòu)測繪確定。（2）車輛荷載內(nèi)力應(yīng)按新編<橋涵通用設(shè)計規(guī)范JTG D62-2003>規(guī)定的新荷載標準計算。應(yīng)根據(jù)橋梁橫向

36、連接的實際情況，選擇橫向分布系數(shù)計算方法：對于橋面板設(shè)有現(xiàn)澆段的裝配式T形梁橋，一般采用剛接梁法；對于采用混凝土鉸縫或焊接短鋼板連接的空心板或T形梁橋，一般采用鉸結(jié)板（梁）法。對于某些重要橋梁，亦可根據(jù)荷載試驗結(jié)構(gòu)確定荷載橫向分布系數(shù)。 （1-15）式中： 在試驗荷載（合力R，偏心距e）作用下，第i片梁的荷載橫向分布系數(shù)；在試驗荷載作用下，第i片梁的跨中撓度；n主梁的根數(shù)。（3）混凝土強度等級確定混凝土強度等級應(yīng)在綜合分析設(shè)計文件、施工材料檢測試驗記錄和現(xiàn)場測試資料的基礎(chǔ)上確定?；炷翉姸痊F(xiàn)場測試以回彈超聲綜合法為宜。（4）裂縫對承載力的影響在一般情況下，受拉區(qū)的豎直裂縫，對正截面抗彎承載力影響不大。斜裂縫對混凝土的抗剪承載力有所降低。根據(jù)筆者的試驗研究結(jié)果6，斜裂縫小于0.2mm者，混凝土與箍筋的綜合抗剪承載力應(yīng)乘以的降低系數(shù)；斜裂縫大于0.2mm者，混凝土和箍筋的綜合抗剪承載力應(yīng)乘以的降低系數(shù)；（5）鋼筋腐