钢筋混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究

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钢筋混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究 　　1前言　　由于不良的环境、日益增长的交通量以及公路运输业经常提倡提高汽车荷载标准的影响，许多既有桥梁不能满足为修建新桥而规定的设计标准；劣化和（或）荷载的增加也导致了桥梁可靠性的降低，甚至可能降低到规范规定的水平之下，近年发生的既有桥梁垮塌事故比比皆是，如图1所示。因此，需要经常根据桥梁的安全性及耐久性状况，对其剩余使用寿命和经济合理维修时间作出评鉴。　　图1典型服役钢筋混凝土桥梁垮塌　　多年来，国内外专家对桥梁评估检测、使用维护，进行了深入地研究和探索，提出了许多有学术价值和推广使用价值的成果和建议。随着国家建设的发展，我国的桥梁建设规模越来越大，结构越来越复杂。传统的分析己不能满足桥梁科学管理的要求，必须要借助现有理论、技术和科研成果，并进一步提升，提高我国桥梁的科学管理，进一步加快桥梁结构安全性和耐久性以及剩余寿命预测技术的研究和应用步伐。　　为此，2006年5月，由长沙理工大学与中南大学、浙江大学、广西壮族自治区高速公路管理局、广西壮族自治区交通科学研究所、贵州省交通科学研究所组成投标联合体进行了"钢筋混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究"项目的可行性研究。西部交通建设科技项目管理中心组织专家对项目投标书进行审查。2006年9月交通部科教司下达交通部科技项目任务书（任务书编号200631800019）。本项目预期目标为：结合快速腐蚀试验、实体工程构件室内试验、以及现场试验开展理论研究，为在用钢筋混凝土和混凝土的梁桥和拱桥的评定、维修加固决策以及剩余寿命的预测提供一套完整实用的技术方法和理论，在中西部省份推广应用，提高各省公路桥梁管理部门对在用钢筋混凝土和混凝土桥梁的管理水平。　　项目在实施过程中，各单位团结协作，分工明确，措施得力，严格按合同要求完成了各项研究任务，解决了研究工作大纲提出的关键技术，取得了相应的研究成果，达到了考核指标要求。整体水平达到国际先进水平。剩余寿命评估技术对依托工程起到了很好的指导作用。　　2主要研究内容及考核指标 　　本项目将以我国内陆常见的、量大面广的钢筋混凝土桥梁为工程背景展开研究，内容涵盖钢筋混凝土简支梁桥和拱桥的材料劣化机理、桥梁结构性能退化、可靠性评价、剩余寿命分析理论及其预测模型、维修策略等诸多方面。　　项目主要研究内容划分为以下七个专题：　　专题1、混凝土劣化机理、影响因素与劣化模型　　专题2、混凝土结构中钢筋锈蚀机理、影响因素与腐蚀模型　　专题3、钢筋混凝土梁桥结构退化机理、影响因素与退化模型　　专题4、钢筋混凝土拱桥结构退化机理、影响因素与退化模型　　专题5、反复移动荷载对混凝土桥梁剩余寿命的影响与评估方法　　专题6、混凝土桥梁剩余寿命分析理论、预测模型及评价方法　　专题7、在用钢筋混凝土桥梁经济合理维修时间的确定方法　　工程应用实例集和项目成果应用推广指南已包含在上述相应专题中。　　根据合同任务书要求，本项目的考核指标包括：　　1）取得以下主要理论成果：建立钢筋混凝土梁桥和拱桥的混凝土劣化模型、钢筋锈蚀模型；提出钢筋混凝土梁桥和拱桥结构退化后抗力计算方法；提出反复移动荷载对混凝土桥梁剩余寿命的影响与评价方法；构建钢筋混凝土梁桥剩余寿命分析理论、预测模型及评价方法；构建混凝土及钢筋混凝土拱桥剩余寿命分析理论、预测模型及评价方法；提出在用钢筋混凝土桥梁经济合理维修时间的确定方法。　　2）至少调查10~30座典型桥梁，并对部分桥梁进行剩余寿命评定以及桥梁维修加固的方案确定，本项目研究过程中力争直接节省养护和建设资金超过1千万元。　　3）不少于5个实体工程（梁桥、拱桥各两座以上）的工程应用实例集和应用指南。　　4）提交研究总结报告和7个专题研究分报告：①混凝土劣化机理、影响因素与劣化模型研究分报告；②混凝土结构中钢筋锈蚀机理、影响因素与腐蚀模型研究分报告；③钢筋混凝土梁桥结构退化机理、影响因素与退化模型研究分报告；④混凝土及钢筋混凝土拱桥结构退化机理、影响因素与退化模型研究分报告；⑤反复移动荷载对混凝土桥梁剩余寿命的影响与评估方法研究分报告；⑥混凝土桥梁剩余寿命分析理论、预测模型及评价方法研究分报告；⑦在用钢筋混凝土桥梁经济合理维修时间的确定方法研究分报告。　　5）提交3个试验报告：①混凝土劣化试验报告；②混凝土构件中钢筋锈蚀试验报告；③混凝土桥梁主要构件承载力退化试验报告。　　6）在国内外权威刊物发表10篇以上的科技论文。　　3主要成果及突破的关键技术　　3.1主要成果 　　课题组针对"钢筋混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究"相关的七个专题开展系统深入研究，经过近4年的攻关，发表了84篇高水平学术论文，其中SCI、EI收录40篇、ISTP收录8篇，65篇为核心期刊以上、11篇国际和国内学术会议论文；研发了3套具有自主知识产权的计算软件；获发明专利2项、实用新型专利1项；成果在20座实体工程中得到了应用，取得显著的7000多万元经济效益和显著社会效益，培养了大批科技和西部交通建设人才。主要技术研究成果如下：　　(一)建立了钢筋混凝土桥梁中钢筋腐蚀和混凝土劣化模型，揭示了材料性能退化若干机理，研发相关试验装置，获得了3项国家专利。　　1)改进了多重因素下钢筋和混凝土快速腐蚀试验装置，开展了人工环境下混凝土碳化、氯离子渗透、硫酸盐侵蚀和抗冻性试验，结合实桥调查统计，探讨了混凝土侵蚀机理、影响因素、劣化形式、评价指标，提出了一种快速简便的钢筋混凝土桥梁保护层碳化剩余寿命的现场预测方法，建立了劣化混凝土桥梁中钻心取样测混凝土强度及回弹法测混凝土强度之间的关系，发展了混凝土强度退化概率模型，为西部地区典型地质和气候条件下的新建混凝土桥梁的设计和已有混凝土桥梁剩余寿命预测、维修方案的制定提供数据参考；　　图2混凝土性能劣化相关试验　　2)开展了模拟混凝土孔溶液中钢筋原电池腐蚀试验以及实桥构件和快速腐蚀构件中锈蚀钢筋试验，结合实桥调查统计，分析了PH值、Cl浓度、混凝土碳化等外部环境条件对钢筋腐蚀的影响，研究了混凝土中钢筋自然锈蚀与快速锈蚀相关性，建立了锈蚀率与钢筋屈服强度、极限强度、屈服荷载、极限荷载关系，提出了混凝土碳化下钢筋锈蚀率预测模型和氯盐环境下钢筋截面积和钢筋强度退化模型。　　图3钢筋腐蚀相关试验　　（二）建立了钢筋混凝土梁桥退化模型，揭示了若干结构性能退化机理，研发了具有自主知识产权的承载能力退化评价计算系统。 　　1)研制了全桥极限承载能力测试系统，开展了一座服役43年钢筋混凝土梁桥破坏性试验研究，分析了超载运营及材料老化损伤对服役多年钢筋混凝土梁桥承载能力的影响，揭示了钢筋混凝土梁桥性能劣化若干机理；　　图4服役43年南坪桥超载及破坏性试验　　2)开展了快速锈蚀钢筋混凝土粘结试件、梁以及实桥受弯构件试验研究，分析了锈蚀率、钢筋直径及类型对粘结性能的影响，得到了锈胀裂缝宽度对钢筋与混凝土间不同位置处粘结应力的影响，提出了锈蚀钢筋混凝土受弯构件承载力、锈蚀梁刚度、平均裂缝间距及裂缝宽度计算公式，发展了老化与损伤钢筋混凝土梁承载力数值模拟方法，研发了具有自主知识产权的"混凝土桥梁施工安全控制及承载力评价系统"计算软件；　　图5快速锈蚀粘结试件、梁及实桥构件室内试验　　3)建立了不确定因素影响下受弯构件抗力退化概率模型，分析了钢筋混凝土梁抗弯和抗剪承载力退化时变概率特征，明确了钢筋混凝土梁桥受弯构件承载能力劣化的影响参数。　　（三）揭示了钢筋混凝土拱桥性能退化若干机理，建立钢筋混凝土拱桥结构退化模型，提出了钢筋混凝土拱桥主要承重构件承载力计算方法。　　1)开展了快速锈蚀钢筋混凝土拱肋、快速锈蚀钢筋柱承载力试验，以及实桥钢筋混凝土拱肋静载、动载试验，分析了拱轴线变形、钢筋锈蚀、混凝土性能劣化、截面损伤对钢筋混凝土拱结构性能的影响；　　图6快速锈蚀钢筋混凝土偏压柱、拱肋及实桥拱肋试验 　　2)提出了锈蚀钢筋偏心受压构件承载力计算方法，发展了老化损伤拱肋有限元数值模拟技术，提出了基于模态频率的变化的拱肋承载力预测模型，发展了不同参数来源情况下钢筋混凝土拱结构承载力退化评价方法，为锈蚀钢筋混凝土拱桥承载力的理论计算奠定了基础。　　（四）提出了基于时变可靠度理论的钢筋混凝土桥梁剩余寿命评价方法，研发了具有自主知识产权的剩余寿命评估系统。　　1)发展了模糊性与随机性信息条件下基于时变可靠度的钢筋混凝土梁桥剩余寿命评估方法；分析了碳排放引起气候变化对钢筋混凝土桥梁碳化损伤的影响，提出了基于时变可靠度正常使用寿命评估方法；基于多重环境时间相似理论及Bayes方法更新方法对钢筋混凝土桥梁使用寿命进行了预测。　　2)在拱桥体系串并联方式分析的基础上，以承重主拱肋为研究对象，分析了偏心受压拱肋截面抗力随时间变化的规律，揭示了随着时间的增长拱肋截面破坏模式会从小偏压破坏转变为大偏压破坏的现象，阐明了拱结构功能函数具有非线性的特性，建立了拱桥构件和体系时变可靠度计算模型，提出了基于时变可靠度的钢筋混凝土拱桥剩余寿命的评估方法。　　3)在研究成果的基础上，研发了具有自主知识产权的"钢筋混凝土桥梁剩余寿命和维修加固决策系统"以及"混凝土桥梁时变可靠性和耐久性评估系统"，分别获软件著作权。　　图7计算软件使用界面　　（五）分析了反复移动荷载对混凝土桥梁性能影响，提出了反复移动荷载作用下混凝土桥梁疲劳寿命评估方法。　　1)开展了我国西部省份公路车辆荷载调查资料，建立了交通量增长预测模型及桥梁车辆荷载模型，获得了四种常见轴数货车的总重频数直方图及分布形式，建立了车辆横向分布及车辆运行分布模型及桥梁荷载效应分布模型。　　2)开展了18根公路桥梁常用的空心板梁和T梁疲劳试验研究，得到了受压区边缘混凝土应变、钢筋应变、跨中挠度、疲劳破坏等的发展规律及S-N曲线，分析了常幅、变幅和随机幅荷载作用下的破坏形态、破坏过程及材料退化性能，及疲劳破坏寿命，建立了等效等幅疲劳应力计算方法和基于剩余承载力的疲劳寿命预测方法，并将两种寿命预测方法用于贵州某桥的寿命预测中。 　　图8T梁和空心板梁疲劳试验　　（六）建立了定量描述劣化钢筋混凝土桥梁安全性和耐久性的计算模型，提出了在用钢筋混凝土桥梁经济合理维修时间确定方法。　　1)建立了非线性抛物线模型定量评估劣化钢筋混凝土桥梁的安全和耐久性能，发展了在维护策略作用下的桥梁性能评估公式，提出单目标组合优化模型，利用实桥已有数据，计算了维护策略下的桥梁时变性能和维护成本。　　2)基于改进的碳化深度预测模型和IPCC预测数据，提出了时变可靠度模型来计算桥梁将来的平均锈胀开裂比例，根据维护标准，提出了大气环境在用RC桥梁的维护时间预测方法。　　3.2突破的关键技术　　(1)改进了多重因素下钢筋和混凝土快速腐蚀试验装置，实现了混凝土结构材料性能退化的人工快速模拟，改进了混凝土碳化深度和钢筋碳化腐蚀速率预测模型，建立了钢筋混凝土桥梁中钢筋截面积、钢筋强度及混凝土强度退化模型，获发明专利2项、实用新型专利1项。　　(2)基于快速锈蚀构件→实桥构件→实桥破坏性试验研究，提出了锈蚀钢筋梁刚度、裂缝间距、裂缝宽度以及承载力计算方法，提出了老化损伤钢筋混凝土构件承载力有限元数值模拟方法，研发了具有自主知识产权计算软件，揭示了材料性能劣化、超载运营等影响下钢筋混凝土梁桥性能退化的若干机理，发展了钢筋混凝土梁桥退化模型。　　(3)构建了不确定因素影响下钢筋混凝土受弯构件抗力退化概率模型，攻克了钢筋混凝土梁桥构件抗力衰减的关键基础理论问题；建立了我国既有桥梁车辆荷载效应随机过程模型，实现了不同交通类型和交通量增长的模拟，进而为钢筋混凝土梁桥时变可靠性分析和剩余寿命预测奠定了基础。　　(4)建立了钢筋混凝土梁桥模糊和随机信息下的时变可靠度模型、气候变化影响下正常使用状态时变可靠度模型、检测信息更新下时变可靠度模型，发展了基于时变可靠度的钢筋混凝土梁桥剩余寿命预测模型和评价方法。　　(5)基于快速锈蚀钢筋混凝土柱→拱肋→实桥拱肋试验研究，揭示了锈蚀及老化拱桥构件/结构性能退化若干机理，提出了锈蚀/老化钢筋混凝土偏心受压柱和拱肋承载力计算方法，发展了老化损伤钢筋混凝土拱桥构件承载力有限元数值模拟技术，攻克了钢筋混凝土拱桥承载力退化评价的关键技术。 　　(6)提出了具有非线性功能函数钢筋混凝土拱结构时变可靠度计算方法，解决了时变可靠性分析过程中荷载有两解问题，发展了基于体系可靠度的钢筋混凝土拱桥剩余寿命评估方法。　　(7)建立了我国西部典型交通环境下交通量增长预测模型和随机荷载谱，提出了钢筋混凝土桥梁反复移动荷载作用下疲劳应力计算方法和疲劳寿命预测方法，揭示了构件疲劳损伤演化若干规律。　　(8)建立了定量描述混凝土桥梁安全性和耐久性模型，提出了时间和性能双控维护策略下混凝土桥梁的性能评估方法，提出了混凝土桥梁合理维修加固时间确定方法，研发了具有自主知识产权的计算机软件。　　4项目经济社会效益及推广应用前景　　本项目将课题组的科研成果与实际工程紧密结合，将研究成果应用于广西叶茂互通立交大桥、贵州S309线K449+500桥、湖南济川河大桥等13座钢筋混凝土梁桥、以及湖南寨头桥、镇头大桥、东岳桥等7座混凝土/钢筋混凝土拱桥。在系统检测的基础之上，对这些桥梁进行了承载力安全性评估或剩余寿命预测，提出了安全、经济、适用的维修加固决策，共取得了七千余万元的经济效益，保证了交通的安全和畅通,取得了重大的社会效益。　　作为公路交通的枢纽，近三十年来公路桥梁更是得到了飞速发展，截止2008年年底，全国公路桥梁达59.46万座、2319.18万延米，其中特大桥梁1254座、208.58万延米，大桥35816座、782.24万延米，中桥12.58万座、648.50万延米，小桥40.71万座、679.86万延米。其中钢筋混凝土桥梁占相当大的比重。然而，桥梁建成使用一段时间后，由于材料的自然老化、车辆荷载的不断增加、日益恶化的环境影响以及养护维修缺乏，不可避免地出现各种损伤，导致耐久性下降，剩余使用寿命不足。据初步统计，全国近三分之一的桥梁具有维修、加固的必要性。而且目前随着交通量的日益增大，危桥数目正在急剧增加。　　钢筋混凝土桥梁剩余寿命评估方法研究可为混凝土桥梁的检测、剩余寿命评定以及维修加固决策奠定坚实的理论和试验基础，从而为量大面广的钢筋混凝土旧桥的检测、评定、维修和加固提供科学依据。而且该成果可直接应用于今后编制相应的技术规程，指导钢筋混凝土桥梁结构的设计与评定。这对于提高我国各省公路桥梁管理部门的管理水平，实现我国现有公路混凝土和钢筋混凝土桥梁管理的系统化、规范化和专业化确保桥梁的安全运营，保障交通事业和国民经济健康发展具有重大的理论和应用价值