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混凝土桥梁受损状况的调查与评估
Michael P. Enright 美国土木工程师协会联合会员Dan M. Frangopol美国土木工程师协会会员
摘要：众所周知的是美国目前存在大量需要检修的桥梁。为了合理配置美国在桥梁养护上的投资花费，必须使用寿命周期成本和概率方法来解决。这需要对给定桥梁的预期使用年限的剩余强度进行定量估计。虽然为了进行桥梁检验已经建立了无损评价的方法，但是对于结构特殊桥梁却没有什么具体的实用方法。本文主要研究混凝土桥梁的损伤和破坏模型，特别是对科罗拉多桥的研究。本文对退化机制的调查研究进行一个简单的罗列，根据文献资料和科罗拉多交通部的实地研究，对桥梁损伤进行了综合评价。本文简单介绍了一些损伤实例，说明了桥梁损伤的种类和严重程度。对于调查中所检测的桥梁，最常见的破坏来源是桥面板接缝处的漏水。对科罗拉多州一座典型的桥梁，使用预测强度损失的方法进行检测，结果表明，在剪切过程中，抗剪强度的衰减比挠度的发生要快得多。结果同时也表明，许多钢筋混凝土桥梁在腐蚀的条件下，受到剪切的影响比受弯折的影响更大。该结果可用于确定检测和维修的关键部位，并有助于为混凝土桥梁制定合理的维护规划。
绪论
越来越多的钢筋混凝土(钢筋混凝土)桥梁显示出了环境破坏的迹象，这要求用更准确的方法预测强度下降和探究相应损坏的可能性。许多结构在使用中受到破坏的可以归因于环境压力造成的强度下降 (Borgard 等人. 1989; Woodward 1989; Whiting等人. 1993年)。在最近的一些研究中（例如Frangopol等人.1997；Park and Nowak 1997; Thoft-Christensen 等人l. 1997; Enright and Frangopol 1998），对桥梁结构在各种环境压力下的质量的退化已经做出了可靠性的评估。一些退化机制理论目前运用公路混凝土桥梁——例如硫酸盐侵蚀、硅碱反应、冻融循环破坏和腐蚀等等。其中报道记录中最一般的桥梁损害由于腐蚀造成的(Crumpton和Bukovatz 1974; Shroff 1988；Kayser and Nowak 1989; Novokshchenov 1989; Woodward 1989; Murray and Frantz 1991; Whiting 等人. 1993)。
在美国有各种各样的混凝土桥梁，由桥址周围的环境、桥的几何形状，特别是在最初的建造和随后的维修中使用的施工方法的不同，致使每一座桥都有独特的破坏特征。检查方案应考虑最可能被破坏的因素，以便将重点放在那些可能发生最严重损害的的结构部位。
本文主要研究混凝土桥梁的损伤和破坏模型，特别是对科罗拉多桥的研究，简要介绍了一种关于退化机制的研究。根据从文献中收集的信息和科罗拉多交通部进行的实地研究，对各种各样的桥梁进行了破坏评估。此项调查的范围仅限于受到环境破坏的混凝土桥梁。通过调查研究列出了20座桥梁损伤的种类和严重程度。这种预测强度损失的方法应用于科罗拉多州的一座典型桥梁。该结果可作为桥梁的关键要素用于确定检测和维修，并有助于制定混凝土桥梁的合理维护规划策略。
退化机制
混凝土桥梁暴露在诸多环境压力之下，随着时间的推移，这些因素将会导致桥梁整体强度的降低。强度损失的程度取决于环境因素和钢筋混凝土的性能。化学物质(例如氯离子、硫酸盐、二氧化碳)，水分和极端温度的周期是最常见的影响钢筋混凝土桥梁的强度的环境因素。
简要总结钢筋混凝土的退化机制参见表1(见Enright et al . 1996附加方程和细节)。强度退化机制可分为影响混凝土和钢筋其中的一种或两者均可。混凝土恶化由于内部压力,是主要由化学反应引起的水泥结合剂(硫酸腐蚀),由水泥和骨料之间的化学反应(碱-硅反应),或通过冻融循环破坏引起的。钢筋的破坏主要是由于腐蚀,包括起始(碳化渗透或氯离子扩散)和蔓延(物质损失)阶段。此外，腐蚀物质还会引起内部压力，从而导致混凝土的开裂和剥落。表1中总结的公式可用于预测钢筋混凝土与时间的强度损失。
桥梁的调查
检测钢筋混凝土桥梁退化模型的主要步骤之一是识别整个桥梁的损伤模式。对于许多桥梁来说，损坏的初始来源可以根据损伤模式来确定。例如，在桥梁边坡下面的桥台上的水渍可以表明，在上层建筑的接缝处，水正在渗漏。根据损害源的不同，有些部位可能会比其他部位更快地受到损害。诸如板面和外部梁这样的构件直接暴露在环境中，因此会恶化得更快。损伤通常集中在一个部位的某个特定区域。从文献和科罗拉多运输局(1997)中收集了关于现存混凝土桥梁损坏的报告。此次调查的主要目标是确定混凝土桥梁的常见损伤来源。本文共调查了21座桥梁(见表2)。从1957年到1962年，总共从文献中收集到的八座受损的桥梁，大部分都位于美国中西部地区。科罗拉多考虑在1922年至1968之间年建成13座桥梁, 大多数位于科罗拉多州丹佛市的60英里以内。所有由预应力混凝土工字型梁（美国国家公路与运输协会标准）或钢筋混凝土T梁构成的板式梁桥的研究，Enright(1998) 对这些桥梁都进行了详细的描述。
表3列出了调查中考虑到的桥梁的损坏情况。大多数桥梁在横向和纵向桥面上都显示出损坏的迹象。当存在除冰盐并且桥面连接处开始损坏时，含氯的水可以通过这些接头泄漏到下面的构件中去。一旦氯离子到达桥面以下的构件中去，它们就会穿透混凝土盖，开始钢筋的腐蚀。 二十一座桥梁中有十八座在横向桥面接缝附近的地区表现出恶化（如裂缝，剥落和钢筋腐蚀）迹象。
在少数情况下，水直接穿过甲板并泄漏到下面的元素（科罗拉多桥F-16-FW，E-17-EH和F-16-F）上。 两座桥梁显示出从甲板边缘流向外部梁（科罗拉多桥E-17-EH和H-03-I）的水的破坏迹象。 三座桥梁遭受碰撞破坏（北达科他州大桥94-349.584，德普莱恩斯河道I-90大桥，科罗拉多大桥F-16-GW）。还报道了交通喷洒损坏。
如表3所示，横梁和墩帽是最常见损坏构件。事实上，根据调查表明，16座桥损坏了梁，8座损坏了墩帽，3座有柱体损坏迹象，还有一座损坏了支座。
单个构件上的损坏位置取决于构件类型（例如，梁，柱），构件内元件的位置（例如，内梁，外梁）和损坏源（例如，氯离子与漏水的桥面接头连接，与通过桥下的交通相关的盐雾）。 对于靠近漏水的横向接头处的梁，通常在梁的端部（或预应力构件的锚固处）附近的底部和侧面上发现损坏。 位于漏水桥面下方的梁在梁/桥面界面附近的梁的顶部损坏。
图1
对于所考虑的大多数桥梁，墩帽的损坏是从漏水的桥面接头接触到氯化物开始的。 在大多数情况下，墩帽顶盖和侧面都被损坏。找到了这样一座桥（科罗拉多E-17-EH），墩帽损伤也在引起桥面的漏水。
对于已损坏列的三座桥梁，损伤来源明显不同。 科罗拉多大桥F-16-GW的柱子有无横向桥面接头漏水处的氯离子而损坏。 对于科罗拉多大桥F-16-FW至少存在一列，腐蚀损坏位于即将形成的交通（即交通喷洒）的飞溅区域。 对于科罗拉多大桥E-17-EH，桥面的漏水在柱上造成染色。 虽然这座桥梁的柱子没有可见的腐蚀损坏，但持续暴露于氯化物水将最终导致这些柱子的腐蚀。
这些被调查的桥梁中，有一座桥台破坏了：科罗拉多大桥F-16-BM， 这是所研究的最古老的桥梁（76年了）。 有趣的是，在这个调查中的其他桥梁没有出现明显的基台损坏，即使在许多桥梁的墩台上存在环境破坏（泄漏接头，交通喷洒等）的来源。
图3的目录中确定的几种常见的损伤情况如图1所示。大部分损坏的桥梁由于水面通过桥面横向接头泄漏而出现损坏迹象。如图所示。如图1（a）所示，通过这些接头，水在桥墩和支墩上泄漏，梁，墩盖和柱受损。另外一种可能的破坏情况是外部梁上的水径流，其中来自施加的除冰盐的氯离子被运载在桥面的边缘上，如图1所示。图1（b）。对于这种情况，外部梁，墩帽和柱被损坏。一些桥梁中也发现了通过桥下的交通喷水，喷洒在桥上的损害证据。如图所示。如图1（c）所示，梁，墩盖和柱都已损坏。在这种情况下，损坏是氯离子作用产生的结果，其存在于桥下的道路上，并且由于车辆交通引起的飞溅和喷洒动作而变空。信息见表3和图3。 图1确定了现有桥梁强度损失模型的可能位置。
科罗拉多受损桥梁
Enright（1998）提供了表2所示的科罗拉多桥梁的详细描述。 由于篇幅有限，本文简要描述了这四座桥梁，这些桥梁全部因横向甲板接缝漏水而受到腐蚀。
图2
图2泄漏甲板接头示例 - 科罗拉多大桥C-23-AQ：（a）正面图; （b）水流路径
科罗拉多大桥C-23-AQ位于科罗拉多州摩根摩根附近的County Road Q附近的I-76上。两车道桥梁，如图1所示。2（a），运载西行交通，并于1964年建成。该桥是一座简单的三跨桥梁，总长33.86米（111英尺）。每个跨度是11.28米（37英尺）长。上层建筑由五个钢筋混凝土T型梁和一个钢筋混凝土桥面板组成。 主梁间隔2.59米（8.5英尺）。 桥梁由两个桥墩和两个基座支撑在两端。
图3
这座桥梁的主要损坏源是通过横向桥面板接头的漏水。 氯化物渗漏路径如图2（b）所示。位于桥面板接头附近的桥面板，氯化物以的污渍的形式渗入主梁和桥墩。桥墩受损最严重的部位。 这些部位的损害集中在垂直面上。除去的混凝土保护层显示广泛的腐蚀破坏的抗剪箍筋墩帽。
科罗拉多大桥K-01-F位于科罗拉多州高速公路141号，距离科罗拉多州乌拉万西部的阿特金森河3.22公里（2英里）。 两车道桥，如图 3（a）所示。运载北行和南行的交通，并于1956年建成。该桥有三个简单的跨度，总长27.45米（90英尺）。 每个跨度为9.15米（30英尺）长。 上层建筑由四个钢筋混凝土T型梁和一个钢筋混凝土桥面板组成。 主梁间隔2.23米（7.33英尺），桥梁由两个桥墩支撑，两端有两个支座。
这座桥梁的损坏来源是由于横向接头的漏水。 主梁是受损最严重的部位。 混凝土的保护层拆除暴露了腐蚀损坏。 损伤集中在轴承区域的底部水平表面上的主梁端部，如图3（b）和（c）所示。
图4
科罗拉多大桥F-16-BM位于科罗拉多州科罗拉多州高速公路88号，位于科罗拉多州丹佛的莱克伍德峡谷（铁路道口），六车道大桥如图。 4（a），载运北行及南行，并于一九二二年建成。该桥有三个跨度，总长36.9米（121英尺）。 中间跨度为16.77米（55英尺），另外两个跨度为10.07米（33英尺）长。 超级结构由10个钢筋混凝土T型梁（每侧双边梁）和钢筋混凝土座组成。 主梁间隔1.81米（5.92英尺）。 桥梁由两个桥墩和两个支座支撑在两端。
这座桥梁的损坏来源是因为桥面板和台座之间的横向接头的漏水。 桥墩是受损最严重的结构。台座的座位有部分的损失，尤其是在一个外部的横梁上，如图4（b）所示.Colorado Bridge F-16-GW位于Willow Springs Road的285号 ，距离科罗拉多州莫里森附近的国道8号以东0.5公里（0.3英里）。 四车道桥梁运载西行和东行交通，1967年建成。桥梁有三个简单的跨度，总长38.43米（126英尺）。 每个跨距为12.80米（42英尺）长。 上部结构由10个钢筋混凝土T型梁和钢筋混凝土支座组成。 主梁间隔2.44米（8英尺）。 桥梁由两个桥墩和两个基座支撑在两端。桥墩由混凝土墩柱和圆柱形墩帽组成的结构。
这座桥梁的损坏来源是因为横向接头的漏水。 桥墩是受损最严重的部位。 如图5（a和b）所示，腐蚀损伤集中在靠近梁的顶部水平和垂直表面位置。
图5
损伤和强度损失建模
由于勘测中的大多数桥梁受到腐蚀的破坏，因此尽可能准确地对这种损坏的类型进行建模是非常重要的。 这方面的最新进展报道如下。
钢筋混凝土的腐蚀是由起始和传播两阶段组成的过程。腐蚀开始后一段时间内被称为腐蚀起始阶段，其中由于碳酸化或氯离子进入，钢筋变得钝化。 对于桥梁，钢筋的腐蚀起始通常是由于氯离子侵入（Novokshchenov 1989; Whiting等，1993）。 在桥梁损坏调查中考虑的许多桥梁（表2）似乎都被氯离子（除冰盐）引起的腐蚀损坏。 当钢筋深度混凝土中的氯化物含量达到足以引发腐蚀过程的浓度时，腐蚀开始。
当氯离子开始侵入时，可以表示为腐蚀开始时间（Thoft-Christensen等人，1977），
其中TI =腐蚀开始时间（年）；X =混凝土盖（cm）；Dc =氯化物扩散系数（cm2 /年）; C0 =混凝土表面平衡氯化物浓度（混凝土重量％）; Ccr =腐蚀开始时的临界氯化物浓度（混凝土重量％）。 腐蚀开始时间取决于四个随机变量（X，Dc，C0，Ccr）。 对于不同的桥梁，这些随机变量的主要描述符可能有很大差异。 Enright和Frangopol（1998a）对这四个变量的参数研究给出了灵敏度影响的典型范围。
一旦钢筋开始腐蚀，他的横截面积随时间而减少，其速度取决于受腐蚀钢筋的数量以及各个钢筋的腐蚀速率和直径。 对于一般情况，由不同直径的组成钢筋，这些钢筋在不同时间开始腐蚀，钢的时变区域A（t）如下（Thoft-Christensen等人1997; Enright and Frangopol 1998a）：
其中和Dj（t）=t时刻的钢筋的直径; n =钢筋条数; Djo =钢筋的初始直径; rcorr =腐蚀速率; t =实验时间，TIj = 钢筋的腐蚀开始时间。
对
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