桥梁检测评估技术体系的特殊应用
1、引言
随着经济高速发展，我国公路总里程持续增长。截至2006年底，全国公路总里程达345.70万公里，路网结构进一步改善。全国公路总里程中，国道13.34万公里，省道23.96万公里，县道50.65万公里，乡道98.76万公里，专用公路5.80万公里，村道153.20万公里，分别占公路总里程的3.9%、6.9%、14.7%、28.6%、1.7%和44.3%。全国共有公路桥梁53.36万座，2039.91万延米（含县乡公路桥梁，不含港、澳、台数据），其中特大桥1036座，171.85万米；大桥30982座，638.58万米；中桥12.11万座，607.30万米；小桥38.05万座，622.57万米[1]。我国已切实成为世界桥梁大国。
但是，我国公路桥梁的总体现状不容乐观，危桥数量多年居高不下，在公路桥梁总数中约有11.8%（桥梁座数比）的桥梁技术状况等级为五类（见表1.1），三、四类桥梁的数量则更多；近年来，桥梁垮塌事故频发（见表1.2）。
表1.1 1999～2003年/2006年内全国桥梁基本情况
表1.2 2005年以来全国公路桥梁垮塌事故统计
我国公路桥梁近十几年的现状是：一方面，交通量急速增长，超限车辆的荷载效应超过公路桥梁的设计等级；另一方面，原有桥梁原有设计标准偏低，不断加剧的结构老化、破损状况难以适应公路运输需要。如何评价在役桥梁的承载能力，准确的评估构造物的损伤程度，进而指导科学合理的桥梁加固维修，提高桥梁的可靠度，已经引起了全行业的高度重视。
2、我国公路桥梁检测评估技术体系的现状
桥梁检测评估，是指通过技术检测，对桥梁承载能力进行评定，并对运营使用情况做出评价的技术方法与体系。
广泛应用于工程实践的桥梁检测评估方法，主要有规范评价法、结构计算法、荷载试验法。在科研探索阶段的还有层次分析法、模糊分析法、基于结构可靠度的分析法、灰色理论评价法等。这些方法虽然基础各异，但都是将现场检测的结论和数据，量化的带入评估体系，得到评定结论。在多年的工程实践中，规范评价法、结构计算法、荷载试验法以其相对理论简单实际，操作方便易行，结果直观可靠在桥梁检测评估领域广泛应用。以上三种方法，因其适应的需求不同，有其各自的使用范围，见图2。
图2 常用的桥梁检测评估体系及其应用
规范评价法，适用服务于大规模整条路或整个区域的桥梁管养工作，在国内被广泛应用，其依据是《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）。首先对桥梁外观进行现场检测，主要指定期检测和特殊检测，对桥梁各构件分级评判，通过权重指标体系，进行桥梁整体评级。
结构计算分析法应用于按规范进行检测评级后，针对存在一定安全隐患，有承载力评价需要的桥梁。计算时，参照《公路旧桥承载能力鉴定方法》（1988）和《公路桥梁承载能力检测评定规程》（报批稿），通过将实测桥梁结构尺寸、线型（如实测拱轴线）、材料参数等带入计算，得到桥梁的承载力计算结论。同时，引入的活载影响系数，考虑桥梁承受实际荷载与标准汽车荷载之间的差异： ；引入承载能力验算系数Z1和承载能力恶化系数，用以评估结构实际承载力相对设计承载力的削弱：，以使计算结论能评价桥梁的实际运营情况[3]。
当结构验算不足以确定桥梁的承载能力时，还可以采用静载试验和动载试验来鉴定桥梁的承载能力。
目前，这些桥梁检测、试验技术手段和评价体系，主要应用目标为在役旧桥、设计施工存在缺陷的旧桥和承载能力不足的桥梁，广泛服务于全国桥梁检测、评估、维修、加固工程实践，取得了良好的社会效益和经济效益。
但是，针对突发性事故和灾害对桥梁造成的损伤，如何进行快速诊断评估；针对特殊用途特殊结构的桥梁，如何进行检测评估；针对恶劣自然环境下桥梁，其耐久性损伤特点如何在检测评估体系中体现等实际问题的研究还很不完善。因其主要为个别案例，发生机率较小，故针对研究很少，在现有规范体系中，也未有涉及，将是未来对桥梁检测评估体系研究的一个前沿和重点领域。
本文结合我公司多年来从事桥梁检测评估和加固设计的工程实践，提出一些实际问题和解决方案，供桥梁管理养护部门参考和从事桥梁检测评估工作的同行探讨。
3、对突发灾害造成的桥梁损伤的检测评估
突发性事故和灾害对桥梁的损伤，可能表现为：桥梁受船舶撞击破坏、桥梁被超限车辆撞击、桥梁火灾、地震等。这些灾害，往往发生突然，桥梁损伤严重甚至损毁，进而可能造成区域交通或干线大动脉交通中断。这就要求检测评估工作需要在短时间内完成，快捷准确，以指导维修加固抢险。
突发灾害造成桥梁损伤的检测评估，其要点在于首先应分析灾害的性质、特点和桥梁因此可能产生的损伤，才能把握问题的实质，用有限的人力、物力和时间得出检测结论。本节以地震和火灾对桥梁的损伤检测评估为例说明。
3.1 地震后桥梁检测评估实例[4]
5·12汶川大地震后，对灾区桥梁进行的检测评估之初，首先分析地震对桥梁的破坏形式，进而明确震后桥梁检测评估的目的，从而确定震后检测的重点和基本检测内容。
3.1.1 地震对桥梁破坏
1）、地震对桥梁破坏的原因分析
地震对桥梁结构的破坏主要表现在在地基失效引起的破坏和结构强烈震动引起的破坏。地基失效引起的破坏，属静力破坏范畴，系地震发生时和发生后，地裂缝、滑坡、沙土液化、软土震陷等，可使地基开裂、滑移、不均匀沉降等，进而丧失稳定性和承载力，使桥梁发生破坏；结构强烈震动引起的破坏，属动力破坏范畴，系地震的纵波和横波引起桥梁结构的震动，使结构的内力和变形大幅度增加，从而引起桥梁的破坏甚至坍塌。
2）、地震对桥梁破坏的表现型式
A 地震对桥梁上部结构的破坏主要表现为：主体承重构件滑移、碰撞损伤、主梁内力重分布引起的损伤；
B 地震对桥梁支座的破坏主要表现为：支座位移、锚固螺栓破坏、活动支座脱落、支座自身破坏等；
C 地震对桥梁下部结构的破坏主要表现为：墩柱弯曲破坏、墩柱剪切破坏、超静定结构的节点破坏以及桥台震害。
3.1.2 震后桥梁检测评估的目的
震后桥梁检测评估的目的在于，区分桥梁损伤程度，快速评估桥梁使用性能，避免桥涵结构破坏造成运营安全事故，掌握地震后的结构技术状况，为全面恢复（修复、加固或重建）使用提供技术依据。
3.1.3 震后桥梁检测的重点和基本检测内容
震后桥梁检测的重点在于桥梁周边安全调查和桥梁构件损伤检测。桥梁周边安全调查主要包括地震影响桥位处山体滑坡、不稳定山体及落石对桥梁的危害调查；堰塞湖、河道变化等可能产生的洪水破坏调查等。桥梁构件损伤检测，根据不同桥梁结构形式和不同构件，检测重点不同。震区桥梁主体桥型梁式桥和拱桥的检测要点，详见表3.1。
表3.1 震后桥梁现场检测要点一览表
3.2 火灾后桥梁检测评估实例[5] [6] [7]
近年来，桥梁遭受火灾事故逐渐增多，火的物理和化学作用使材料的力学性能发生改变，结构构件受到不同程度的损伤。火灾不仅对桥梁结构本身造成破坏，而且危及公路尤其是高速公路的正常运营。通过总结我公司近年来处理的多项过火桥梁检测、评估、加固工程，笔者认为：火灾后，必须及时、科学的对受损构件进行损伤识别，合理的进行损伤评估，才能为桥梁的加固维修提供可靠的数据支持，使加固切实恢复结构的承载能力和使用性能，达到安全运营，路网通畅的目的。
3.2.1 火灾后桥梁各构件损伤特点
桥梁火灾的危害主要表现在以下方面：
1）、混凝土构件受火后的损伤特点
高温火焰烧过的混凝土表面会产生爆裂、剥落、裂缝、钢筋裸露等现象。对桥梁受力及耐久性的影响主要体现在混凝土有效截面积变化、混凝土强度变化、混凝土弹性模量变化、混凝土与钢筋粘结力变化及混凝土中性化等五方面。
A混凝土开裂后，过大的裂缝可能引起截面削弱，实际阻尼比过大，降低结构承载力；还可能加速碳化，加速钢筋锈蚀和冻融破坏，降低桥梁结构的耐久性。
B由于混凝土爆裂及剥落，混凝土结构有效净面积将减小，尤其在受压区，将直接影响结构承载力。
C火场温度的高低是影响混凝土强度降低的主要因素。当混凝土构件遇到800℃以上高温时，水泥浆体成为不连续的团块状，混凝土强度基本丧失；当温度在600～800℃时，混凝土中的水泥石脱水并收缩成疏松体，水泥石中的游离氢氧化钙脱水分解，生成氧化钙，水泥石内部结构破坏，混凝土强度损失严重；当温度在300～600℃时，水泥石中的硅酸钙开始脱水，晶体轻微破坏，水泥石开始出现疏松，混凝土强度开始下降；当温度等于和低于300℃时，水泥石晶体不发生变化，混凝土强度不受影响。
D混凝土的弹性模量对温度相当敏感，在200℃以下变化较小，当温度达到200 ～700℃时，混凝土的弹性模量线性降低。
E混凝土在高温作用下，水化物脱水分解，其内部微空隙增加，结构疏松；水泥石与粗骨料、混凝土与钢筋在高温下热变形不协调，形成大量界面裂缝导致混凝土与钢筋之间粘结力降低。
F另外，当火场温度超过500℃时，混凝土的游离氧氧化钙产生热分解，混凝土呈中性，使其保护钢筋的作用大为降低，从而影响混凝土构件的耐久性。
2）、钢筋和预应力钢铰线受火后的损伤特点
由于混凝土的热惰性，随保护层厚度增加，混凝土内部温度降低，钢筋和预应力钢铰线受火后的力学性能损伤程度低于混凝土。工程实例分析表明，高温时，钢筋强度降低影响结构受力，而预应力钢筋热应力损失可能对结构造成严重破坏。
A钢筋和预应力钢材的力学性能变化
对普通钢筋，当火灾温度为200℃以下时，强度几乎无变化；当火灾温度大于200℃时钢筋强度开始下降，预应力钢筋在火灾作用后强度下降比非预应力钢筋的快，同时粘结力也有较大的下降。
B预应力混凝土桥梁火灾后预应力体系的损失
由于混凝土保护层较大，以及混凝土的热传导性差，所以一般火灾很难对预应力筋产生直接影响，但是由于混凝土局部剥落及弹性模量的降低，使火灾严重的截面产生应力重分布现象，从而对预应力钢筋产生间接影响。预应力筋虽然可能未直接受损，但其正常的工作状态由于应力重分布影响而无法恢复。混凝土弹性模量降低，将使结构变形加大，预应力由于弹性压缩而发生损失，使有效预应力变小。
如热损伤已经影响到预应力钢材，由于预应力材料所用的冷加工钢筋和高强钢丝在火灾高温下强度下降明显大于普通低碳钢和低合金钢，因此，危害可能更大。
3）、钢结构和钢构件火灾后的力学损伤
普通低碳钢和普通低合金钢在高温下的力学性能基本相同，钢材在高温下强度降低很快，在200～300℃的范围内极限强度增加，当温度超过300℃后，强度逐渐降低。而且，钢材的应力－应变曲线形状变化很大，温度升高，屈服平台降低，力学性能下降。
可以认为，火灾对钢桥的损伤最大，可能是毁灭性的。
4）、桥梁支座受火后的损伤特点
公路桥梁常用的盆式橡胶支座和板式橡胶支座往往是火灾中最先受损的构件。伴随温度升高，支座变形失效直至焦化报废。支撑体系损伤带来的主梁内力重分布，在检测评估工作中不容忽视。
5）、桥面系及其他附属构造受火后的损伤特点
A桥面沥青铺装层，受火后表面松散，内部变脆硬。
B桥梁护栏、栏杆钢构件扭曲、变形。
C伸缩缝橡胶条焦化、失效；钢构件局部变形。
D 泄水管损坏或脱落。
6）、桥梁承载能力损伤
火灾对桥梁承载能力的损伤，主要表现在构件强度降低、刚度下降、整体性受损、结构动力性能和抗震性能衰减等。
桥梁火灾后，热能损伤造成桥梁混凝土构件材料和整体的膨胀和收缩，当构件热自由变形时，不会产生应力，但是，桥梁不可能整体升温，当构件的热变形率不同，以及其他约束和限位就可能造成主要受火构件的温度应力，这种影响对刚构等超静定结构影响尤其明显。另外，由于混凝土和钢材高温后力学性能的衰减以及构件截面损伤和联接性能的破坏，会直接造成桥梁主要受力构件的尺寸变化，导致构件正截面抗弯能力、斜截面抗剪能力降低，截面刚度下降，变形增大，并引起应力重分布。影响桥梁的正常运营。
3.2.2、火灾后桥梁损伤检测的内容
1）、现场踏勘
本阶段工作的关键在于安全和快速。全面检查桥梁各构件的受损情况，判断桥梁是否可能发生断裂、坍塌以及局部失稳，并采取必要的临时支护措施，确保桥梁安全。
初勘阶段，还应调查火源、起火原因、燃烧物性质、火灾持续时间、主燃区域位置、灭火方式等，并收集桥梁竣工图、养护记录，为后续工作采集资料。
2）、现场检测及取样试验
火灾后桥梁的现场检查应包含以下项目，见表3.2。检测中，还应注意火源、火势调查对结构损伤的影响，主梁截面形式对结构损伤的影响和灭火方式对结构损伤的影响。
表3.2、火灾后混凝土桥梁检测试验一览表
4、特殊构造桥梁的检测评估
某些桥梁不仅构造特殊，往往还伴随特殊的建造条件或专门用途。而常规检测评估技术体系，一般不适用于这些的桥梁检测评估。为科学合理的评价这些特殊桥梁的使用性能，往往需要进行专门研究，修正或革新既有的检测评估手段，以适应这些桥梁的特殊性。本节以某特大跨径柔性悬索桥为例[8]，阐述检测试验的一些特殊方法。
4.1 桥梁概况
该桥位于某化工厂，是为工厂运输生产原料的盐卤管道跨长江悬索桥。桥梁单跨已达516米，但桥宽仅1.2米，为特殊结构特大跨径柔性悬索桥，见图4.1。
图4.1、桥梁概貌
4.2 桥梁检测
该桥构件种类多，主体承重体系由主缆、斜拉索、背索、风缆索、吊杆、钢主梁组成；钢筋混凝土主塔、万能杆件拼装风缆塔组成空间塔架体系；锚固体系由岩锚、重力式抗滑桩锚构成。分析该桥构件组成，具体检测内容，见表4.1。
表4.1、某悬索桥检测项目一览表
4.3 桥梁静载试验方案：
该悬索桥功能特殊——运输化工原料；荷载特殊——盐卤（ρ＝1.20t/m3）、NaOH（ρ＝1.36t/m3），桥梁宽度仅1.2m，故静载试验无法采用车辆荷载、堆载等常规加载方式模拟设计荷载。也无法采用一般静载试验：空载（归零）→满载（实测应变、挠度）→空载（实测应变、挠度恢复情况确定残余量）的加载顺序进行。针对这种特殊情况，特殊设计采用：满载→空载→满载的加载顺序，进行测试：
工况一：管道内满载化工原料，正常运输。以长江北岸桥塔基点为水准0点，测量控制测点的挠度；测量各吊杆及主缆的实际索力；并设此时横梁应变为0；
工况二：中断盐卤运输并清空管道，测试此工况以上项目的挠度、索力及应变；
工况三：继续输送盐卤，待管道充满后，再次测试以上相同项目。
工况一与工况二的测值比较即为试验所测挠度、索力及应力变化；工况一与工况三的测值比较即为挠度、索力及应力的残余量。
这样的非常规试验方式为管道内盐卤液体一次加载，荷载效率100％，满足有关试验方法规定，能较好的反映桥梁的实际工作状态。
5、恶劣自然环境下，桥梁的耐久性损伤检测评估
针对恶劣自然环境下的桥梁，在进行常规病害检测的同时，还应进行耐久性检测评估。值得注意的是，不同自然环境，对桥梁结构耐久性影响各不相同，如冻融环境与海水浪溅区环境不同；CL－环境与SO42-环境不同；化工厂环境与酸雨环境不同等。因此，耐久性检测，必须首先分析主要影响因素对桥梁结构损伤的物理化学机理，才能使检测方案有的放矢。本节以某海湾特大桥，水中墩台的耐久性检测为例，阐述损伤机理研究与检测方案制定。
5.1 桥梁概况
同三国道主干线，某海湾特大桥，桥梁全长为1589.1m，桥下平均净空为5.4m；桥梁下部结构形式为柱式墩，肋板式台，钻孔灌注桩基础。该桥运营5年后检查，下部结构未发现明显病害；05年检测发现，桥墩箍筋出现环向锈胀开裂；07年实施加固施工时，墩柱、盖梁钢筋锈胀严重，混凝土表面大量存在沿钢筋方向横向或环向的锈胀裂缝，钢筋锈胀，混凝土鼓包，脱落。桥墩耐久性损伤对比，见图5.1。
图5.1 桥墩钢筋锈胀混凝土剥落发展对比（左图系2005年拍摄，右图系2007年拍摄）
5.2 海洋环境对墩台混凝土结构劣化的机理
沿海钢筋混凝土墩台在使用过程中，受到海水、海风和海雾中有害介质的侵蚀，会产生劣化，宏观上会出现开裂、溶蚀、剥落、膨胀、松软及强度倒缩下降等，严重者会使结构破坏倒塌，而钢筋锈蚀，是加速混凝土这种破坏的主要因素。
引起墩台混凝土内钢筋腐蚀最为主要的原因是混凝土的碳化和氯化物的渗透。当CO2和CL-腐蚀介质侵入时，混凝土碱性降低或混凝土保护层因锈胀开裂等都将造成钢筋表面钝化状态的破坏，钢筋表面就会出现较大的电位差，形成阴极和阳极，在一定条件下（如氧气和水存在）钢筋开始锈蚀。
1） 碳化影响
当二氧化碳渗入墩台混凝土与混凝土中的氢氧化钙发生化学反应，变成碳酸钙的整个反应称为碳化作用。
CO2+H2O+Ca（OH）2 →CaCO3+2H2O 碳化作用
当大量的碳酸钙形成时，混凝土内部碱性环境受到破坏，达到一定程度时，如pH在9 以下时，钝态铁的保护层就失去作用，混凝土内的钢筋因为没有受到碱性环境的保护而产生锈蚀。
2） 氯化影响
混凝土固化后，在大气环境中的氯化物污染是难以避免。氯离子是一种穿透力极强的腐蚀介质，当接触到钢铁表面，便迅速破坏钢铁表面的钝化层，即使在强碱性环境中，氯离子Cl -引起的点锈腐蚀依然会发生，同时由于不论是气态还是液态的水往往会渗透到混凝土里面，而这种水并非纯水，而是含有一些杂质的电解液，电化学作用导致锈蚀加快进行。当氯离子渗透到达钢筋表面，氯离子浓度较高的局部保护膜破坏。在氧和水充足的条件下，活化的钢筋表面形成一个小阳极，未活化的钢筋表面成为阴极，结果阳极金属铁溶解，形成腐蚀坑，一般称这种腐蚀为点腐蚀．这个过程主要有下列反应：
Fe2++2Cl-+2H2O——Fe（OH）2+2HCl
4Fe（OH）2+O2+2H2O——4Fe（OH）3 （铁锈）
Fe（OH）3 若继续失水就形成水化氧化物FeOH（即为红锈）， 一部分氧化不完全的变成Fe3O4（即为黑锈），在钢筋表面形成锈层。由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不大，因而腐蚀将不断向内部发展。
钢筋腐蚀产物——铁锈的体积约为原铁体积的2.5-7 倍，所产生的膨胀压力会造成混凝土的开裂、剥落，裂缝的产生又会招致更多腐蚀介质的进入，引发更严重的腐蚀。
5.3 近海混凝土墩台耐久性检测要点
为合理评价桥梁墩台的耐久性，掌握存在病害及病害原因，从而指导耐久性加固，应对墩台进行结构耐久性检测评估，详见下表5.1
表5.1、近海混凝土桥梁墩台耐久性检测一览表
6、结语
桥梁结构纷繁复杂，可能使其产生病害的原因也多种多样。桥梁检测评估过程中，经常会遇到各种疑难问题，无法参照应用目前的检测评估技术体系。只要在检测之初，分析外因对桥梁结构的损伤机理，掌握可能造成的损伤情况，一般都能有的放矢的制定检测评估方案，应用现有检测技术，对桥梁进行科学的检测评估，从而指导后续的维修加固设计。
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