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1、第1章 绪论1.1 课题研究目的我国自改革开放以来，桥梁建设以令世人惊叹的规模和速度迅猛发展，取得了巨大成就。如今，在祖国的江、河、湖、海和高速公路上，不同类型、不同跨径的桥梁，千姿百态，异彩纷呈，展示着我国交通特别是公路桥梁建设的辉煌。桥梁建设的成就和技术进步，是广大桥梁科技工作者才华、智慧和汗水的结晶，充分体现了我国综合国力的增强和改革开放的成果，标志着我国桥梁建设技术总体上进入国际先进水平。中国在20世纪70年代末的改革开放也迎来了桥梁建设的春天，二十世纪的成就令世人瞩目。中国的大桥跨度已名列前茅，技术上的差距也大大缩小。中国的进步和发展速度已赢得了国际同行的认可和尊敬。展望21世纪的桥
2、梁工程，我国在桥梁建设过程中还存在许多不足之处。建立四通八达的现代化交通网，大力发展交通运输事业，对于发展国民经济，加强全国各族人民的团结，促进文化交流和巩固国防等方面，都具有非常重要的作用。在公路、铁路、城市和农村道路以及水利建设中，为了跨越各种障碍，必须修建各种类型桥梁和涵洞，因此桥涵是交通线中的重要组成部分，而且是保证全线早日通车的关键。在经济上，桥梁和涵洞的造价一般来说平均占公路总造价的10%20%。在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要高度快速、机动的现代战争中，它具有非常重要的地位。自二十世纪中叶以来，由于科学技术的进步，工业水平的提高，社会生产力的高速发展，人们对桥梁建设提出了更
3、高的要求。现代高速公路上迂回交叉的立交桥、高架桥和城市高架道路，几十公里长的海湾、海峡大桥，新发展的城郊高速铁路桥与轻轨运输高架桥等，这些新型桥梁不但是规模巨大的工程实体，而且犹如一条地上的彩虹，将城市装扮得格外美丽。综观世界各国的大城市，常以耐人寻味的大桥作为城市的标志与骄傲。因而桥梁建筑已不单纯地被视为交通线上重要的工程实体，而且常作为一个国家科学技术、综合国力的综合体现。我国桥梁建设日新月异，设计、施工、科研单位的实力有所增强，水平普遍有所提高，但地区、单位之间并不平衡。我国桥梁技术的总体水平同世界领先水平相比仍存在一定差距，主要表现在理念和设计、材料、工艺技术创新上。混凝土桥梁是我国交
4、通基础设施中的重要组成部分。据2000年统计，我国仅公路网中就有各种桥梁共278809座，总长度为10311794km，其中危桥有9597座，总长度为323415km。铁路运营线路为70000km，桥梁总长度为2400km，其中混凝土桥梁共12万余孔，占桥梁总数的90%以上。桥梁是道路的咽喉，在我国道路事业上发挥着重要作用。但在已经运营的线路上，有些桥梁却未达到其使用寿命而过早地发生损坏，一些建成工程已暴露出了较严重的耐久性问题，使用寿命远低于设计寿命标准。如我国第一座城市大型立交桥北京西直门立交桥，1980年12月建成，由于受到冰盐侵蚀、反复冻融、钢筋锈蚀等作用严重破坏，于1999年3月即拆
5、除重建，寿命不到19年。位于京广线正线上的某百孔大桥，1976年交付使用，1995年在预应力梁体上发现沿预应力筋的裂缝，此后病害不断发展，到2000年又发现第52孔曲线内梁的腹板箍筋和一束预应力钢丝锈断，经诊断查明其病害根源在于梁体本身的碱硅反应和外界氯盐侵蚀，为彻底消除隐患，最终花了近两个月的时间在2002年底进行换梁大修，耗资数千万元。桥梁是生命线工程的重要环节，若因耐久性不足及早进行大修或更换，不仅耗资巨大，给政府构成沉重的财政负担，还会由于交通的临时中断而引发更多的社会、经济问题。所以，研究桥梁混凝土结构的耐久性，以及病害发生的原因和处理、防治措施技术等，都具有重要意义。随着交通运输事
6、业的发展，交通运输量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越大，尤其是重型车辆增多，再加上许多桥梁超负荷使用，已带来严重的安全隐患。而改造又限于资金的紧缺，只能采取投资较少，施工期短，又能缓解当前运输紧张状态的维修与加固技术措施。因此，桥梁病害的检测与病害原因分析就显得尤为重要。1.2 国内外研究现状由于科学技术的进步，桥梁设计理论和建造技术的不断发展。近年来，国内外建造了许多高大的立交桥、城市高架桥、跨越江、河和海湾(或海峡)的大桥，取得很大成绩。但是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。对我国危桥险桥检查所见，有的长则20年到30年，短则8至10年就出现明显病害。
7、美国有近60万座混凝土桥梁存在缺陷的占45%，需要修复和更换，类似情况在世界其它国家也不例外。我国再过10年以后也难免于此。桥梁的病害由于其数量之大，地域之广，项目之多，对交通运输安全畅通带来严重的影响，修复费用之浩繁，现已成为世界各国共同关注的问题。因此我们必须注重桥梁工程的耐久性，减少桥梁的缺陷及病害。勘察设计阶段、施工阶段、使用阶段都有可能引起事故的发生，造成事故的原因也是多方面的，尤其以在施工过程中发生的事故居多。有施工顺序的错误引起的，如后张法预应力梁，预应力筋张拉不是对称进行的就有可能造成构件的旁弯或裂缝。施工理论方面的错误引起的事故，如模板支护结构强度不足，造成模板工程的倒塌。施
8、工问题引起的事故，施工人员业务素质水平不够，操作质量低劣，造成精度不够，强度不足等。本文仅对桥梁下部结构施工和使用过程中常见的事故进行分析。工程质量事故会影响施工的顺利进行，如钻孔灌注桩的施工中发生掉钻事故会直接导致钻孔施工的中断。工程施工质量事故会给工程留下隐患或缩短缩短结构我的使用年限，例如预应力施工中造成的裂缝会加快结构物的老化。最为严重的事故是造成人员的伤亡和巨大的经济损失，如桥梁墩台的倾倒，断梁，坍塌等。所以说对以发生的事故的分析决不能掉以轻心，务必及时进行分析，作出正确的结论，总结切实的防治措施。桥梁事故处理的一般步骤包括：事故原因分析，事故调查报告，处理方案，施工，检查验收。事故
9、调查内容包括工程概况，事故情况和核对地质勘察报告、测量记录、建材试验报告、施工日志等。事故处理方案的制定应符合实际情况确保处理后的效果。对于同一类型的事故也可采用不同的方案，但必须按照设计要求和有关标准、规范进行。施工中要加强验收检查。事故处理完成后应及时总结经验教训避免在以后的施工中有类似事故发生。1.3 主要研究内容桥梁的病害防治问题非常广泛，本文对桥梁下部机构的病害问题进行了分析。用科学发展观和可持续发展的观点审视桥梁的安全耐久性问题，实施桥梁结构的全寿命设计，加强健康监测，适时养护维修，以桥梁全寿命期内的综合费用评价桥梁的经济性和社会效益，这一新的理念应在桥梁的设计中得以充分体现。有专
10、家提出，设计者所设计的结构应具有6个特性，即可检、可控、可换、可修、可强及可持续性，以达到在桥梁使用过程中对其构件可检查、可控制、可维修加固。设计是灵魂，施工是关键。在设计阶段采用高度发展的计算机辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用GPS和遥控技术控制桥梁施工，精心设计、精心施工是建设精品工程的必备条件。再者，本文摘录了一些施工单位对桥梁事故处理的实例，有些例子很具有典型性，从技术方法，施工组织安排等多方面考虑，很有借鉴价值。学生现班门弄斧，仅就近年来检测维修桥梁的实例，浅谈桥梁病害的起因、检测与加固。第2章 病害的起因2.1 一般表现桥梁混凝土和钢筋
11、混凝土结构的使用寿命一般为50年，但是从现实情况来看，桥梁在建造和使用的过程中，受各种有害化学物质的侵蚀，并承受车辆、风、雨、雪、冻融、地震、疲劳、超载以及人为因素等外部作用，许多桥梁建筑物过早出现各种各样的缺陷和病害，甚至尚未建成时，就出现严重的工程缺陷，或者刚投入使用，就不得不进行维修。基础的缺陷和病害主要表现为：承载力不足而使基础不均匀沉陷；基础的滑移和倾斜，以及基底局部冲空；基础结构物的异常应力和开裂。桥墩、桥台缺陷和病害主要表现为：水平、竖向和网状裂缝；混凝土脱落、空洞、材料老化；受外力冲击产生破坏；钢筋外漏和锈蚀；结构变形、位移等。2.2 起因归类引起混凝土病害是一个复杂的问题，不
12、考虑洪水、地震、超载及船舶的撞击，主要取决于以下几方面因素：(1)钢筋锈蚀钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应的过程，主要是因为钢筋表面的钝化膜破损而引起钢筋锈蚀。(2)冻融破坏由于混凝土结构内部各种毛细孔的存在，水存在于这些毛细孔中，当温度下降至冰点，结构孔隙中的水份逐渐变成冰时，体积逐渐膨胀，这种膨胀会产生一种局部张力，使其周围的水泥基质断裂，造成结构破损而引起钢筋锈蚀。(3)碱骨料反应碱骨料反应可以导致混凝土结构膨胀并产生严重开裂，主要是由于混凝土中的某些骨料，如某些硅质类骨料，它们与水泥中的、等成分发生反应，在骨料表面生成一种凝胶体遇水后发生膨胀，产生张力而导致周围混凝土发生开裂，一旦发生开
13、裂，就会有更多的水渗透进入混凝土结构内部加速碱骨料反应的发生和发展，同时还会导致冻融破坏进入恶性循环。(4)混凝土碳化空气中的二氧化碳气体，逐渐中和混凝土的水泥水化物，把结硬的水泥浆中的氢氧化碳转化为碳酸钙，使混凝土失去碱性而变成中性化。这种现象称为“碳化”。当碳化深度达到超过钢筋保护层时，使表层混凝土丧失碱性环境，其ph值低于10，保护作用就消失了。(5)氯离子侵蚀氯离子对钢筋钝化膜的破坏作用最强，氯盐通过混凝土中的毛细孔或微裂缝渗入到钢筋的表面，直接攻击钝化膜。当钢筋表面的氯离子量超过临界值，钢筋保护膜遭到破坏，如果能供给氧气和水，就会造成钢筋局部发生腐蚀，较典型的是含盐环境。如化冰盐、海
14、洋环境、含盐地下水等，并且其渗透深度很可能超过钢筋的深度。因此氯盐是威胁桥梁耐久性最危险的化学物质，且对钝化膜产生局部性的破坏，使钢筋表面产生点状坑蚀。(6)设计荷载标准偏低桥梁的承载能力是根据设计时所采用的荷载等级来确定的，早期建造的桥梁，特别是二十世纪六、七十年代建造的桥梁，设计荷载大多偏低。随着交通量的增加和荷载等级的提高，原有桥梁已经无法满足现今交通的需要，有些桥梁已经出现严重病害。(7)通行能力不足这主要表现在桥面宽度不足；桥梁平面线形、纵断面线形标准太低；桥上通车净空或桥下通车净空不足。(8)人为及自然因素引起结构的损坏比如超出设计最高水位的洪水、泥石流、浮冰、冰冻、地震、强风、船
15、舶撞击等作用，河道不恰当开挖，桥梁基础下存在岩溶、矿山坑道等，引起桥梁结构的局部损坏。(9)自然老化早期公路桥梁的设计龄期为50年，随着时间的推移，已建桥梁会不断损坏和老化，其承载力、刚度、延性和稳定性不断下降，这是一个不可改变的客观。(10)超期服役这部分桥梁并不是太多，但主要是建造时期较早，比如五、六十年代建造的桥梁，设计使用寿命只有30年到50年，这些桥梁目前仍有部分在使用当中。(11)超负荷使用随着我国改革开放的深入，运输业竞争在不断加剧。按路线等级或者预期设计荷载等级来说，这一部分设计荷载等级并不低，但由于一些特殊的原因，桥梁使用荷载大大超出设计荷载，致使桥梁长期处于超重荷载作用下运
16、营，加速了桥梁的损坏。(12)设计施工的先天不足有些桥梁设计上不是很合理，结构构造处理不合理，桥梁在早期运营时其缺陷并不明显，运营一定时间后，病害逐渐显现出来。有些桥梁由于受施工质量、施工技术、施工手段等的限制和影响，存在一定的技术缺陷，随着运营时间的增加，其病害也逐渐显露。(13)养护维修及加固措施不当有些桥梁的技术缺陷则是由于养护维修不恰当引起的。比如桥面维修增加过大的恒载，致使桥梁本身自重过大，承载力相对提高较小或未提高；桥面排水处理不当，桥面渗水；又如支座维修不当，改变了整个结构的受力状态等。有些桥梁则是加固不当引起的。比如加固施加的预应力大小或者位置不恰当，引起结构的二次病害；又如结
17、构体系改变不合理，致使结构的关键部位应力超限等。综上所述，我们可以看到：造成混凝土桥梁的损坏是个错综复杂的问题，但是基本上有害物质是以气体或水为载体，以混凝土的裂缝、毛细孔为通道在结构中扩散，和混凝土中的一些物质发生反应，使结构发生破坏。病害混凝土桥梁的处理措施包括提高混凝土密实度和防水抗渗性以及钢筋的耐蚀性，对防止病害的发生、提高桥梁的使用寿命有着重要的意义。2.3 深入考究裂缝与腐蚀问题由于混凝土的裂缝与钢筋的腐蚀是整个病害中重要的两个角色，故需要进行更深入的探索。2.3.1 混凝土的裂缝实践表明，混凝土结构的任何损伤与破坏，一般都是首先在混凝土中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表
18、。混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多，但可归纳为两大类：第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝(又称为受力裂缝)，其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，自应力也就消失了。两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝融在一起。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80
19、%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定，裂缝修补和加固的依据，若对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。2.3.1.1 结构性裂缝(受力裂缝)众所周知，混凝土的抗拉强度很低，抗拉极限应变大约为：换句话说，混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力只有：事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值，所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是必不可免的。因而，习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝。实践证明，在正常条件下，裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不致生锈。为确保安全，允许裂缝宽度还应小一些。新修订的JTGD62-2003(以下简称
20、)规定：钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值：类及类环境0.2mm类及类环境0.15mm结构性裂缝可根据构件的受力特征判断。图2-1所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图。图2-1钢筋混凝土梁结构裂缝图2-1中所示的跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝，是最常见的结构性裂缝。在正常设计和使用情况下，裂缝宽度不大，间距较密，分布均匀。若竖直裂缝宽度过大，超过规范规定的限值，预示结构正截面承载力不足；图2-1中所示为支点(或腹板宽度变化处)附近截面由主拉应力引起的斜裂缝。在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝，即使出现裂缝宽度也很小。若斜裂缝宽度过大，预示结构的斜截面承载力不
21、足，存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险，应引起足够的重视。有些结构性裂缝(受力裂缝)是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如：钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、构件刚度不足、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。图2-2所示为美国纽约一座高架桥桥墩盖梁悬臂裂缝分布及加固方案示意图2。桥梁通车后发现桥墩盖梁悬臂出现严重裂缝，裂缝从上层受拉钢筋端头处开始，向下沿伸至悬臂根部。显然，这种裂缝是由于钢筋锚固长度不够所引起的结构性裂缝，这种结构性裂缝对结构安全构成潜在危险，应及时加以处理。该桥采用了预加应力的方法进行了补强处理。在超静结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内
22、力变化，可能导致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属于结构性裂缝(受力裂缝)范畴，裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能进行上部结构的裂缝处理。图2-2：美国纽约高架桥桥墩盖梁悬臂裂缝分布及加固方案图2-3南方某城市立交匝道桥的平面布置和横断面图图2-3所示为我国南方某城市立交匝道桥的平面布置和横断面图，其中第三联(1018号墩)为825m钢筋混凝土连续箱梁结构，软土地基，钻孔桩基础，采用满堂支架就地浇筑混凝土施工。该桥施工中出现严重裂缝，第三联(1816号墩)+
23、1/4(1615号墩)跨拆模后，发现边跨(1718号墩)出现25条竖直裂缝，最大裂缝宽度为0.15mm，三个月后发现其余各跨都出现了裂缝，跨中部分的裂缝已由腹板向底板沿伸200mm，个别裂缝已贯穿底板，在墩顶负弯矩区段也出现了由腹板向翼缘端部延伸的横向裂缝。在该桥的事故分析中，通过对施工、检测、监理原始资料的分析，排除了由施工方法不当和材料强度不足造成如此严重裂缝的可能。通过对设计资料审核发现，原设计在计算基础不均匀沉降时，只考虑第三联中间支点(14号墩)下沉20mm一种工况。显然这样处理是不全面的。若按9个支座分别下沉20mm共9种工况计算结果，进行最不利内力组合，17号墩顶截面负弯矩最大。
24、按此内力计算，该截面原设计配筋严重不足，比计算需要值少32.2%，正截面抗弯承载力不足，致使箱梁顶板出现严重的横向贯通裂缝。横向裂缝进一步向腹板发展，使墩顶截面的连续嵌固作用降低，全桥处于类似于简支梁的工作状态，使各跨中正弯矩增加，因正截面抗弯承载力不足出现竖直裂缝。2.3.1.2 非结构性裂缝混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等等多因素影响。(1)收缩裂缝混凝土凝固过程，混凝土中多余水分蒸发，体积缩小称为干缩。同时，水泥和水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，体积
25、缩小，称为凝缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的8/109/10。收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩较快，尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为3.2410-4。当混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面上温度形成梯度，内外干缩量不一样，因而混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。尤其是混凝土早期养护不当，混凝土表面直接受到风吹日晒的影响，表面水份蒸发过快，产生较大的拉应力，混凝土早期强底低，很容易出现收缩裂缝。收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.050.2mm之间。对板类构件多沿短边
26、方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腰部(或腹板)产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部，中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。收缩裂缝对构件承载力影响不大，主要影响影响结构外观和耐久性。(2)温度裂缝钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝。这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型：截面均匀温差裂
27、缝一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。例如：连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝，或堆集于支座处没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。截面上、下温差裂缝以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，考虑到桥梁为长细结构，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没
28、有温差。可将三维热传等问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。截面内外温差裂缝水泥在水化过程产生一定的水化热，其大部分热量是在水泥浇筑后3天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降
29、温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温差作用下，结构将产生弯曲变形，且符合平截面假设，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生温度自应力。对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的，尤其是混凝土早期强度比较较低，很容易造成混凝土裂缝。混凝土温度裂缝有以下特点：裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝。梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边。大面积结构(例如桥面铺装)裂缝多是纵横交错。裂缝宽度大小不一，一般在0.5mm以下，且沿结构全长没有多大变化。预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成
30、材料中掺入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降温速度。(3)钢筋锈账裂缝(顺筋裂缝)钢筋混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用。裂缝会增加混凝土的渗透性，使钢筋的腐蚀加重，另一方面钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀，使混凝土保护层沿纵筋方向出现裂缝，严重者混凝土保护层会完全脱落。对预应力混凝土构件而言，由于预压应力过大或管道灌浆受冻、膨胀等原因也可能出现顺筋裂缝。这种裂缝是不可恢复的，会加剧预应力筋的腐蚀(又称应力腐蚀)，预应力筋腐蚀又会进一步加剧顺筋裂缝的扩展。如此恶性循环，带有极大的危险性，应引起足够的重视，及时处理。2.3.2 钢筋的腐蚀众所周知，在钢筋混凝土结构中钢筋
31、承担拉力，混凝土承担压力，两者组成一个整体共同工作，混凝土保护钢筋免于锈蚀，保证了结构的耐久性。混凝土和钢筋的强度是确定钢筋混凝土结构构件抗力的基本参数，它随时间的变化规律是建立在股结构抗力变化模型的基础。一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢。一般大气条件下混凝土的损伤主要是碳化腐蚀和冻融循环破环。试验研究表明，碳化对混凝土强度没有破坏作用，碳化后混凝土的强度随龄期增长反而提高；冻融循环使混凝土的强度有所降低，其降低的幅度主要与混凝土的材料组成有关，随时间的增长变化不大。混凝土碳化腐蚀会降低混凝土的碱性，随着时间的推移，碳化的发展会使混凝土失去对钢筋保护作用，引起钢筋的腐蚀
32、。钢筋的腐蚀是影响混凝土耐久性和使用寿命的重要因素。因此研究混凝土碳化和钢筋腐蚀随时间随时的变化规律，建立在役结构抗力变化模型，是进行混凝土结构耐久性评估和剩余寿命预测的核心内容。2.3.2.1 混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其他酸性气体等发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化。通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其PH值一般大于12.5，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。当有二氧化碳和水汽从表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土的PH值
33、降低。当混凝土完全碳化后，就出现PH值小于9的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜被逐渐破坏，在有水份和其他有害界质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂，钢筋屈服强度降低，结构耐久性降低第一系列不良后果。(1)影响混凝土碳化的因素研究表明，混凝土的碳化速度取决于气体的扩散速度及与混凝土成份的反应性速度，气体的扩散速度受混凝土本身的组织密实性，气体的浓度，环境温度，试件含水量等多种因素影响。所以，混凝土的碳化反应受混凝土内孔溶液的组成、水化产物的形态等因素的影响。这些因素可归结为与混凝土自身相关的内部因素(主要有水泥用量和水灰比)和与环境有关的外界因素。对
34、于在股结构物来说，由于其内部因素已经确定，因此影响混凝土碳化速度的主要因素是外部因素，如的浓度越高，且压力越大，碳化深度越大。因此，在城市交通繁忙路段处的结构物往往碳化现象较严重。另外，碳化较易发生在潮湿环境中，尤其是干湿交替的环境，因此，南方的结构物容易产生碳化现象，且随着温度的升高，混凝土的碳化加速。(2)混凝土的碳化规律国内外学者在分析碳化试验结果的基础上，提出了碳化深度与碳化时间的关系式为： (2-1)式中：碳化深度(mm)；碳化时间(年)；碳化速度系数，其数值不仅与混凝土的水泥品种及用量，养护方法有关，还与环境湿度、温度及浓度等多种因素有关。国内外很多学者对碳化速度系数的取值都提出了
35、各自的经验公式。这些公式的区别在于选取的参数和参数的个数不同。近几年来，国内外许多学者都致力于混凝土碳化的多系数方程的研究，中国建筑科学研究院将公式(1-1)所示用单一系数表达的碳化深度与碳化时间关系式，改写为下列形式2： (2-2)式中：水泥用量影响系数；水灰比影响系数；粉煤灰取代量影响系数；水泥品种影响系数；骨料品种影响系数；养护方法影响系数；混凝土影响系数1、26，可按表2-1取用。k综合影响系数，普通混凝土k=2.32，轻骨料混凝土k=4.18。表2-1 混凝土碳化影响系数系数名称符号条件相对指标水泥用量影响系数1水泥用量(kg/m3)250300350400450轻骨料混凝土1.35
36、1.00.850.750.65普通混凝土1.401.00.900.800.70续上表2-1系数名称符号条件相对指标水灰比影响系数2水灰比0.40.50.60.7轻骨料混凝土0.851.0普通混凝土0.71.0粉煤灰取代量影响系数3粉煤灰取代量(%)0102030轻质混凝土1.01.21.301.50普通混凝土1.01.301.502.00水泥品种影响系数4水泥品种4.25普硅水泥425矿渣或火山灰水泥635矿渣水泥轻质混凝土1.01.201.25普通混凝土1.01.351.50骨料种类影响系数5骨料种类粗骨料细骨料天然轻骨料人造轻骨料碎石普通砂破碎轻砂珍珠岩砂1.00.60.551.01.42
37、.0养护方法影响系数6养护方法标准养护蒸汽养护轻质混凝土1.01.5普通混凝土1.01.85利用公式(2-1)推算混凝土的碳化深度时，公式中的碳化系数R也可按中国建筑科学研究院推荐的统计经验公式由混凝土设计强度等级直接求出。考虑各地气象条件不同，碳化系数可参照表2-2。表2-2 混凝土碳化系数R计算表达式城市名称环境条件碳化系数公式北京室外环境151/2.38西宁室外环境139/2.18贵阳室外环境131/1.78杭州室外环境152/2.392.3.2.2 钢筋的腐蚀大量的工程实践表明，钢筋的腐蚀是影响在役钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。处于干燥环境下，混凝土碳化速度缓慢，具有良好保护层的钢筋
38、混凝土结构一般不会发生钢筋腐蚀；而处于潮湿的或有侵蚀介质(例如氯离子)的环境中，混凝土将加速碳化，钢筋钝化膜逐渐破坏，常因钢筋腐蚀引起结构的严重破坏。钢筋腐蚀伴随有体积膨胀，使混凝土沿钢筋出现爆裂，造成钢筋与混凝土之间粘着力的破坏，钢筋截面面积减少，构件承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。(1)钢筋腐蚀的机理混凝土中的钢筋腐蚀一般为电化学腐蚀。二氧化碳、氯离子等腐蚀介质侵入时，混凝土的碱性降低或混凝土保护层开裂等都会造成全部或部分地破坏钢筋表面的钝化状态，由于钢材材质和表面的非均匀性，在钢筋表面的不同部位总会出现较大的电位差
39、，形成阳极和阴极。因此，在潮湿环境下由于氧气和水的参与，钢筋就可以发生电化学反应：在阳极的反应为 (2-3)在阴极的反应为 (2-4)阴极、阳极生成的铁离子和氢氧根离子结合生成氢氧化铁： (2-5)在氧气和水汽的共同作用下，由于上述电化学反应，使钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水，从而逐渐被腐蚀，在钢筋表面生成铁锈，铁锈体积膨胀，引起混凝土开裂。影响电化学腐蚀的因素有环境的湿度、温度、氧气浓度等，湿度越大、温度越高、氧气浓度越大，腐蚀越严重。氯离子虽然不能构成腐蚀产物，但其中间产物对钢筋腐蚀电化学反应起催化作用，将加速钢筋的腐蚀，对结构的危害较大。钢筋由于电化学腐蚀等原因，使表面形成大小不一、分
40、散分布的腐蚀坑，腐蚀坑的存在加大了钢筋的电位差，使腐蚀加速；另一方面腐蚀坑相当于一个缺口，在钢筋受拉时，将引起应力不均匀分布，造成应力集中，可能导致钢筋的早期断裂，这种现象称为钢筋的应力腐蚀。应力腐蚀是化学腐蚀和应力复合作用的结果。应力腐蚀的主要与腐蚀介质，钢筋的应力水平和钢筋的材质情况的有关，钢筋的强度和应力值对应力腐蚀有重要影响。钢筋的强度越高，其变形性能越差，越容易发生应力腐蚀；钢筋应力越高，应力腐蚀的敏感性越大。因此，应力腐蚀对高强预应力筋的危害是很大的。(2)钢筋腐蚀对结构受力性能的影响混凝土中的钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀使混凝土保护层沿纵筋出现裂缝，使钢筋与混凝土的粘结力下降，钢
41、筋截面积减少，屈服强度降低，随着时间的推移结构受力性能将进一步恶化，严重影响结构的耐久性。钢筋腐蚀对钢筋与混凝土粘结强度的影响钢筋腐蚀对粘结强度的影响与腐蚀量有关：当钢筋表面只有轻微的腐蚀时(腐蚀率小于1%)，钢筋与混凝土之间的粘结强度有所提高；但随蚀量的增加，粘结强度则会显著下降。当因钢筋腐蚀产生顺筋裂缝，且裂缝宽度超过1.52mm时，钢筋与混凝土之间的粘结力基本丧失，其平均粘结强度仅为无纵向裂缝的3.5%5.5%。钢筋腐蚀对构件承载力的影响钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件承载力的影响主要取决于钢筋腐蚀引起的钢筋截面面积减少、材料力学性能的变化和钢筋与混凝土之间的粘结力。(3)腐蚀钢筋的截面损失率钢
42、筋的腐蚀率以截面损失率表示。对在股结构的钢筋腐蚀截面积损失率可采用取样检查法或裂缝观察法确定。取样检查法就是去掉混凝土保护层直接检查腐蚀情况，如剩余直径，腐蚀坑的长度、深度等。检查即可在钢筋上直接进行，也可以取钢筋试样在实验室进行分析。裂缝观察法是根据混凝土上裂缝的形状、分布及裂缝宽度来判断钢筋的腐蚀程度。钢筋腐蚀后会产生体积膨胀，造成混凝土出现顺筋裂缝，因此，通过观察混凝土构件上有无顺筋裂缝和裂缝开展宽度可判钢筋腐蚀程度，见表2-3。表2-3 钢筋混凝土构件裂缝与钢筋截面损失率裂缝状态钢筋截面损失率裂缝状态钢筋截面损失率无顺筋裂缝(01)%保护层局部脱落(520)%有顺筋裂缝(0.510)%
43、保护层全部脱落(1520)%腐蚀钢筋的截面损失率与裂缝宽度、保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度等有关，它们之间的关系可表示为：(00.2mm) (2-6)(0.2mm10裂缝情况无纵向裂缝无纵向裂缝有少量纵向裂缝纵向裂缝增多，保护层部分剥落，严重时保护层脱落腐蚀扩散腐蚀仅发生在钢筋表面腐蚀仅发生在钢筋表面向混凝土扩散腐蚀物铁锈沿混凝土裂缝扩散，使顺筋裂缝贯通，保护层脱落。屈服强度基本不变基本不变基本不变降低极限强度基本不变基本不变降低降低，具有可能产生应力腐蚀延伸率基本不变基本不变降低降低，可能发生脆断粘结力基本不变基本不变降低，但不明显显著降低(5)钢筋腐蚀对构件承载力的影响钢筋混凝土结构的抗弯承载力，随钢筋腐蚀率的增加而呈线性下降规律。当钢筋的截面损失率小于5%时，钢筋的抗拉强度与延伸率基本上无变化，
