基于性能的混凝土橋梁全壽命養護策略方法研究

項貽強，吳強強

(浙江大學 土木工程系，浙江杭州310058)

0 引言

混凝土橋梁廣泛應用于公路和城市橋梁中，主要的橋型有梁式橋，拱式橋及斜拉橋。梁式橋結構主要受彎，有鋼筋混凝土和預應力混凝土，鋼筋混凝土梁橋的跨徑在20 m左右，預應力混凝土梁橋的跨徑簡支可達50 m左右，連續梁可達300 m左右。拱式橋的承重構件主要是主拱圈，以受壓為主，可以充分用抗壓性能較好的材料來修建，如早期的磚石及混凝土等圬工材料，隨著橋梁跨越能力的要求逐漸提高及施工技術的不斷進步，拱橋的建造型式呈多樣化發展。按照修建拱橋的材料不同一般可分為混凝土拱橋、鋼拱橋及鋼管混凝土拱橋;按照結構的組合方式分有簡單體系拱橋和梁拱組合體系拱橋，簡單體系拱橋又可以進一步分成三鉸拱橋、兩鉸拱橋、無鉸拱橋3種。組合體系拱橋是將梁和拱兩種基本結構組合起來，共同承受橋面荷載和水平推力，充分發揮梁受彎、拱受壓的結構特性及其組合作用，達到節省材料的目的，一般可劃分為有推力的和無推力的兩種類型。按照行車道的位置可分為上承式、中承式和下承式。這些拱橋中有相當一部分拱橋由鋼筋混凝土材料所建，同時按照跨徑、受力不同和經濟性的要求，取不同的主拱圈截面型式。對小于30 m的中小跨徑，拱的偏離彎矩較小，以軸壓為主，可采用混凝土或鋼筋混凝土板拱橋。隨著跨徑的進一步增加、拱的偏離彎矩逐漸加大，導致主拱在偏壓荷載下，受拉側的混凝土容易開裂，因而一般將截面設計為若干肋拱式。其間用橫向聯系加強的主拱肋拱截?面型式，一方面可以減輕結構自重，另一方面較高的拱肋高度及上下緣的配筋可以有效抵抗結構的偏心彎矩。當結構的跨徑在80～300 m時，為進一步提升結構抵抗偏離彎矩的能力、增加橋梁的抗扭及橫向聯系，目前工程界對主拱圈的做法主要采用箱型截面、鋼管勁性骨架箱拱結構及空間桁架的鋼管混凝土拱橋。

混凝土斜拉橋有雙塔、獨塔及多塔。獨塔混凝土斜拉橋的跨徑一般在100～200 m，雙塔混凝土斜拉橋的跨徑一般200～500 m。

傳統的橋梁的設計和施工，主要考慮結構早期的安全性及適用性，對混凝土及橋梁的施工只注重各個環節混凝土質量和品質控制，而不注重耐久性，致使早期建設的混凝土橋梁，在各種環境和荷載等因素的交互影響下，隨時間推移出現混凝土開裂、剝落、鋼筋銹蝕等病害，其性能將逐漸退化，抗力降低。當結構的抗力低于實際荷載產生的效應時，就會出現橋梁結構倒塌等事故，危及交通的安全和暢通。浙江、江蘇、福建、廣東等地區為經濟發達地區，地處沿海，氣候溫濕，公路橋梁的交通量大，以前修建的很多橋梁結構為混凝土橋梁，長年處于復雜荷載及水氣、氯離子等侵害的腐蝕性環境，混凝土橋梁的性能退化及病害十分突出。

1 混凝土橋梁耐久性相關問題及在中國研究的進展

據統計，腐蝕損失一般約占國民生產總值的2%～4%。美國于2002年發布的該國第7次腐蝕損失調查結果表明，1999—2001年間，美國每年的直接腐蝕損失是2 760億美元，約占其 GDP的3.1%。我國2008年國內生產總值超過3×106億元，如按腐蝕損失約占GDP的3.1%計算，2008年我國因腐蝕所造成的經濟損失超過9×103億元人民幣。但如果腐蝕研究和防護工作做得好，其中25%～40%的腐蝕損失是完全可以避免的，可見大力開展結構材料的腐蝕與防護研究工作意義重大。

根據美國截至2011年底對其橋梁的結構缺陷和功能老化按材料分類統計的結果［1-2］，從材料形式，混凝土及預應力混凝土橋梁的結構缺陷占其總數為10.8%，功能老化占其總數為20.2%，即缺陷或功能老化數占其總數為31%左右，說明混凝土橋梁結構缺陷或功能老化的問題非常突出。

據有關統計，截至2010年，我國的橋梁數目為65.8萬座，超過美國約62萬座的數目，成為世界上擁有橋梁數目最多的國家。與此同時，我國約有10萬座(占15%)的橋梁存在著不同程度的缺陷，危橋數目大于1萬座，有些甚至出現了坍塌的危險。

對相關資料進行統計［3-5］，可得我國近10年來橋梁倒塌數的數據，如表1。

表1 2002—2011年底我國每年橋梁倒塌數Table 1 Annually collapsed bridge number in China from 2002 to 2011

20世紀80年代以來我國開始進行大規模的經濟建設，由于當時經濟基礎薄弱，標準低，加之有些技術上的認識不足，導致這些結構提前出現了耐久性及承載力不足，急需進行維修改造。

在20世紀90年代，牛荻濤、惠云玲等注意到鋼筋混凝土結構的耐久性問題對結構的影響，開始對鋼筋混凝土中的鋼筋銹蝕、銹蝕對構件的影響、銹蝕的耐久性評估、損傷、混凝土碳化等機理進行理論分析和試驗研究，并對混凝土結構的壽命預測等展開了系統的研究。2003年，牛荻濤對混凝土結構耐久性與壽命預測作了總結［6］;金偉良在耐久性方面展開了近10多年的研究［7］。對混凝土耐久性及橋梁結構的影響和剩余使用壽命預測的研究則是在最近7～8年才開始在中國橋梁界得到重視和開展。

目前，對于鋼筋混凝土在環境作用下的碳化、鋼筋銹蝕、氯離子滲透、堿骨料反應等劣化規律和機理研究已相對成熟，并在結構耐久性設計方面得到了應用。但對于這些劣化規律對混凝土橋梁結構的極限承載力的影響研究則相對較少，而且很不成熟，尤其是環境和荷載的耦合作用機理更是復雜。為此，浙江大學在近幾年連續展開了相關的研究，總結提出了混凝土橋梁剩余使用壽命的預測模型，包括基于混凝土耐久性失效的壽命預測模型、基于可靠度的壽命預測模型及基于全壽命周期成本的壽命預測模型［8］;對銹蝕鋼筋混凝土構件開裂問題進行有限元模擬分析［9］，鑒于氯離子擴散控制方程與瞬態熱傳導控制方程的相似性，根據傳統的Fick定律和已有的氯鹽環境下鋼筋非均勻銹脹模型以及熱彈性力學理論，提出了鋼筋混凝土銹脹開裂模擬的熱力耦合方法。

2010年，綜合考慮氯離子擴散系數的時隨效應、混凝土自身缺陷對擴散過程的影響，對氯離子在混凝土中擴散的多因素模型進行了修正和應用，給出了基于概率性能和基于時變可靠度的混凝土結構壽命預測方法［10］。

2012年，以浙江沿海地區的在役混凝土橋梁為背景，分析了現有3個預測混凝土碳化深度模型的異同點，并對其進行分析預測及實測數據對比，給出了該地區典型橋梁構件的碳化壽命預估值，同時通過在模型3中引入水灰比影響系數，提出了修正模型3。結果表明，在沿海地區，修正模型3在碳化壽命預測上更符合實際情況［11］。

2011年，通過引入銹蝕產物質量相等的條件假定，研究推導了鋼筋均勻銹脹和非均勻銹脹兩種鋼筋銹脹模型下鋼筋徑向銹脹位移-時間曲線，將銹脹位移作為強制位移作用于鋼筋表面的混凝土節點，利用有限元軟件ANSYS進一步提出，并模擬分析了銹蝕鋼筋混凝土的開裂過程［12］。

通過比較分析國內外氯離子擴散模型及鋼筋銹蝕模型，提出了考慮荷載和氯離子結合能力兩種因素的混凝土氯離子擴散模型和鋼筋銹蝕模型，并借助于國內外相關的試驗數據及沿海地區的某鋼筋混凝土橋梁為背景，對提出的模型進行了驗證，與傳統的僅考慮這些單一因素影響的模型相比，所提出的的氯離子擴散修正模型及鋼筋銹蝕模型更趨合理［13-14］。

在箱梁橋施工中底板開裂機理及防護措施的研究方面，針對實際的箱梁橋施工步驟，采用非線性的分析方法模擬了隨著預應力鋼束的張拉箱梁底板裂縫的發展。通過數值與理論分析得到了開裂模式，得出底板裂縫產生的原因是預應力管道削弱了底板的抗剪強度。基于數值分析及現場調查，歸納得出4種類型的箱梁底板裂縫，并提出了控制裂縫的簡化設計方法［15］。

綜上研究，鋼筋混凝土結構在環境及荷載作用下，存在混凝土碳化、氯離子滲透、鋼筋銹蝕，保護層銹脹裂縫、混凝土剝落等耐久性問題，并嚴重影響混凝土橋梁結構的剩余使用壽命。以往對橋梁的檢查養護，主要靠現場工程師的直覺判斷及簡單的現場試驗評估，缺乏對其材料劣化、基于各種性能的橋梁結構全壽命的剩余使用壽命的預測分析評估，更無法從全壽命的角度，分析提出基于性能的養護策略及方法。因此，如何對鋼筋混凝土橋梁在全壽命的性能退化規律進行有效分析，預測其強度及剩余使用壽命，提出基于性能的技術維護策略，充分發揮在役橋梁的作用，提高混凝土橋梁工程的建養技術，是一個涉及經濟環保及社會可持續發展，具有重大的學術價值及經濟和社會效益的課題。

2 全壽命結構性能與性能水準要求

橋梁的全壽命指的是從規劃、設計、施工、運營、管養、拆除或回收再利用的全過程，其目標是實現橋梁全壽命周期內總體性能(功能、成本、人文、環境等)最優的設計。它具有3個特點：①全局性。即從全面的、聯系的和發展的觀點，不再是從某一階段或某一個部門的角度出發，更多地關注橋梁全壽命周期內的各種影響因素，綜合平衡橋梁各種性能需求，追求橋梁設計作品整體的最大效應。②創新性。體現了橋梁工程師從無到有、從定性到定量的創新過程。③多目標性。過程涵蓋了總體概念、景觀造型、生態環境、結構性能、養護管理、風險評估、全壽命成本等一系列設計活動。

2.1 橋梁的性能

2.1.1 橋梁的安全性能

安全性能是結構施工、運營承載、確保交通安全暢通的關鍵，主要涉及橋梁結構在施工及運營期間各種預期荷載作用下的強度、剛度和穩定性。

傳統的設計方法主要將空間的橋梁結構簡化為平面問題，采用平面桿系的線性分析方法，進行結構設計，這對于較窄的橋梁，其分析結果與實際較為符合。但隨著橋梁寬度的增加，其空間效應非常明顯，平面桿系的線性分析方法漸漸暴露其局限性，有必要采用更為合理的空間設計分析方法，如三維數值分析的有限元;對于某些大跨橋梁，在引入空間分析方法的同時，還應考慮結構的非線性效應的分析等，如結構的穩定、大位移及非線性問題。

2.1.2 橋梁的適用性能

即分析解決橋梁在設計使用壽命周期內要有足夠的橋面寬度滿足未來的交通流量、在通過設計荷載時不出現過大的變形和過寬的裂縫、同時要利于橋下的泄洪、通航(跨河橋)或車輛等，條件許可方便各種管線(水、電、氣、通訊等)的搭載，為此首先要進行橋梁的用途和功能需求分析，并給出相應的設計方法。

混凝土橋梁的突出問題就是開裂問題，開裂有混凝土澆筑時產生的收縮裂縫，及使用過程中因荷載、溫度作用、結構基礎不均勻沉降等引起的裂縫，這就要求工程師們研究橋梁實際所承受的車輛的密度、荷載軸重的分布、結構可能的不均勻沉降、溫度等對結構的影響，同時要對有關的施工工藝、混凝土配合比等進行優化和控制。在分析設計方法上，應采用更為精確的符合橋梁施工工況及考慮相關因素影響的計算圖示及空間分析方法，以準確預測其受力狀況及可能存在的應力和撓度過大的問題。

2.1.3 橋梁的耐久性能

混凝土橋梁耐久性的突出問題是前些年設計施工的混凝土保護層厚度偏薄、抗滲透能力差、鋼筋銹蝕、結構不均勻沉降、混凝土碳化，對沿海浪濺區的混凝土橋梁，這些問題更為嚴重。一般影響混凝土橋梁耐久性的因素有混凝土材料的自身特性、橋梁的設計、細部構造與施工質量、橋梁所處的環境條件、橋梁的使用條件和防護措施等。2.1.4 橋梁的可持續性(或經濟和環保性)

橋梁的可持續性要求橋梁在完成預定功能和設計使用壽命周期內，其工程建設及養護維修費用最低，同時還應對環境影響小，利于環保及社會的可持續發展。

以上4個性能分別對應4種極限狀態：①承載能力極限狀態。直接根據作用是否危及公路橋梁結構的安全來判斷;②正常使用極限狀態。根據使用功能如行車的影響來判斷;③耐久性極限狀態。根據結構材料的耐久性準則及對使用的影響來判斷;④可修復極限狀態。不但要考慮結構在偶然作用下的劣化和損壞程度，還要根據將降低的安全性和適用性恢復到要求的水平進行維修或修復的難易程度來判斷，應分別針對不同的評價對象規定不同的容許狀態。

與傳統橋梁設計(或加固設計)相比，橋梁全壽命性能設計(或加固維護設計)在工作中將橋梁設計范圍從建設期(或從加固維護開始)拓展到整個壽命周期，增加了以往未考慮的內容，具體包括耐久性設計、管養設計、拆除、回收再利用設計、風險評估和保險策略，以及全壽命周期成本分析。

2.2 不同水準的性能要求

綜合上述橋梁的安全性、適用性、耐久性和環保(可修復性)，以及橋梁不同環境和位置、重要性程度等，對應結構4種極限狀態，文獻［16］提出了中國現有橋梁設計、3個水準下的性能要求和描述。從橋梁維護的角度，也應根據橋梁的實際狀況、重要性程度等，對照不同水準下的性能要求，提出基于性能的養護指標，進行橋梁結構的維護和加固。

3 混凝土橋梁性能問題的分析方法

由于結構的性能對應4種極限狀態，4種極限狀態的前3種的承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久性極限狀態均可通過相應的分析方法、結合實際橋梁狀況來判斷。同時，可從橋梁的材料層次、構件層次和結構層次的角度進行分析。

3.1 材料層次分析

主要是混凝土材料的退化，包括混凝土碳化［17-18］、氯離子侵蝕［19-20］及鋼筋銹蝕［21-22］及開裂，材料劣化形式分類可參見圖1［23］。許多學者對現有的混凝土碳化、氯離子侵蝕和鋼筋銹蝕等混凝土材料的退化和耐久性進行研究，并對相應的退化模型和耐久性剩余使用壽命進行歸納和總結，但研究的角度多以橫向為主，即單獨考慮每種退化形式對應有哪些數學模型，各模型之間的相關聯系和區別等問題。

圖1 混凝土結構材料劣化形式分類Fig.1 Degradation classification of concrete structure materials

3.2 構件層次分析

構件層次分析以往主要分析研究結構構件的抗力效應及設計方法，對其在環境荷載下的鋼筋銹蝕等對鋼筋混凝土構件(梁、板、柱、節點等)受力性能的變化(包括耐久性、抗力或剩余承載力)研究較少，隨著橋梁垮塌失效事故的增多，目前已逐漸加強了構件時變性能的模擬試驗研究，但受試驗條件的限制，現行銹蝕構件主要通過外加電流加速銹蝕獲得，且絕大多數的試驗是在構件(試件)不受力的實驗室加速銹蝕情況下進行的，不能正確反映橋梁運營期間的實際工作情況，尤其未考慮結構構件的使用環境與荷載的耦合作用效應，少數研究已經表明結構受力狀態對構件的耐久性及抗力的退化影響是不可忽視的［24］。

3.3 結構層次分析

結構層次以往的研究主要是綜合各種作用及時變效應(如預應力、收縮徐變效應)，分析研究給出結構各構件的作用效應及其組合，再借助構件層次分析設計，解決各構件的安全性能，同時確保結構的適用性能等。這種分析方法無法準確預知結構的安全性能，尤其是結構隨時間的時變承載力及適用性能，因此，有必要從整個結構和全壽命的觀點研究整個結構抗力與荷載的變化規律及其對結構安全性能及適用性能的影響(包括裂縫)，了解結構任意的使用狀況及安全度，為結構性能的維護提出有關的建議。而混凝土橋梁結構抗力退化是一個非常復雜的過程，一方面受很多因素影響，如環境因素、荷載因素、原始設計、施工質量的自身因素［25］;另一方面，混凝土結構承載力的分析方法涉及材料的時變性、可靠性、非線性本構方程及破壞準則等基礎理論問題等。關于這方面的環境模擬、計算方法、計算模型、經濟性等有待深入研究。

圖2展示了影響橋梁性能的環境因素，表2列舉了鋼筋混凝土結構常見的影響因素［25］。

圖2 環境因素引起橋梁性能退化Fig.2 Bridge performance degradation induced by environment factors

表2 鋼筋混凝土結構抗力時變影響因素Table 2 Time-varying influence factors of reinforced concrete structure resistance

4 基于性能的混凝土橋梁養護指標

混凝土橋梁結構在自然環境、使用環境及材料內部因素的作用下，隨著服役時間的增加，結構的性能會逐步退化，從而使得承載能力下降，影響結構的安全和正常使用性能，縮短結構的使用壽命。結構養護的目的就是針對橋梁結構存在的各類問題，基于性能(安全性、適用性、耐久性及可持續性)的要求和分析，提出相應的養護指標，確保混凝土橋結構及其構件能在規定期限內維持正常的工作狀態。圖3為在參照了中國相應的橋梁養護規［26］和橋梁承載能力檢測評定規程［27］的基礎上，提出了基于性能的橋梁結構相應的養護指標，并要求通過養護，使橋梁結構的性能達到設計及養護規范的要求。

圖3 基于性能的混凝土橋梁養護指標Fig.3 Maintenance index of performance-based concrete bridge structures

5 養護的對策及方法

5.1 養護的對策

針對橋梁的實際狀況及前面提出的基于性能的橋梁結構養護指標，分別從安全性、適用性、耐久性及可持續性提出相應的養護策略。

5.1.1 安全性養護策略

安全性就是要確保橋梁在運營期間各種預期荷載作用下的強度、剛度和穩定性，且具有一定的安全儲備。為此，在日常運營管理中，應建立養護管理日志、嚴格限制超載車輛的通行，定期檢查，加強養護，分析潛在的安全隱患，加強風險管控措施。在校核檢查結構時變承載力時，尤其應根據實際的運營荷載，考慮各種因素相互影響和耦合作用，分析給出基于材料退化的橋梁結構承載力，應加強非線性分析理論和壽命預測方法的基礎研究及應用，盡可能少用對交通影響比較大的橋梁現場荷載試驗檢測。

通常鋼筋混凝土結構承載力的計算，是在大量試驗研究的基礎上采用半理論半經驗的簡化計算公式。對于常規的橋梁設計來說，這種方法可以滿足工程需要。但對于處于復雜環境影響的特定混凝土橋梁，要客觀而準確地預測和評定其承載力，不僅需要全面得考慮影響承載力的諸因素，如混凝土徐變、強度劣化、鋼筋銹蝕、裂縫等，更需要選擇合理的計算理論和方法，尤其要考慮橋梁結構在開裂后進入非線性的實際情況。目前結構極限承載力分析常采用的理論包括塑性極限分析理論和混凝土非線性有限元理論等。

1)工程中應用較多的是塑性極限分析理論，它只考慮結構的塑性極限狀態，通過對結構塑性極限狀態分析求解結構的承載力。在結構極限分析中，通常假設結構的塑性變形集中在橋梁的特定部位而成為塑性鉸，常用的塑性鉸模型包括簡單塑性鉸模型、精細塑性鉸模型及彈塑性鉸模型等。塑性鉸模型意義明確，計算相對方便，但存在不足，其對于復雜截面形式、桁架結構在復合受力如彎、剪、扭、軸向力等力素共同作用下，截面的應力分布及塑化條件難以確定;塑性鉸形成位置、次序及轉動能力難以確定判斷。因此，對較復雜的混凝土橋及多跨斜拉橋等采用這種理論計算結果效果并不理想。

2)混凝土非線性和極限承載力有限元分析的理論研究可追溯到20世紀60年代，Ngo和Scordelis(1967)用二維矩形單元分析鋼筋混凝土簡支梁，經過40多年的發展，非線性有限元取得了長足的進展。在理論研究方面，主要集中于數學模型的建立和改進，尤其是考慮混凝土材料隨時變化的本構關系研究，混凝土裂縫模型及開裂準則的研究，斷裂力學的引入、鋼筋與混凝土黏結滑移的影響及數值計算方法的研究等。除了進行理論的探索外，各國學者的注意力聚焦在各類模型的工程應用［28］。

5.1.2 適用性養護策略

在設計時，應充分估計橋梁開通后在設計使用壽命周期內的橋梁總跨徑、交通流量及通行荷載的標準，避免橋梁在投入使用時出現河道急劇涌水、河床沖刷加大和橋面交通擁堵，以及過大的變形和過寬的裂縫;加寬、加固橋梁時也應盡可能考慮一步到位，橋面系應避免積水和排水管堵塞，確保行車的暢通和安全。

5.1.3 耐久性養護策略

對出現的一般耐久性問題，如混凝土開裂、滲漏、剝蝕等，應及時進行養護和封閉修補;對沿海混凝土橋梁，應增大結構的保護層厚度，提高或改善混凝土的品質，也可通過在混凝土表層或鋼筋表層涂刷鋼筋阻銹劑等材料，有條件時，應采用耐久性更好的纖維材料或不銹鋼材料等。有支座的橋梁，設計時就應考慮更換支座的方便。冬季有積雪的橋梁，盡可能采用人工除雪，少用鹽類除雪劑。

5.1.4 可持續性養護策略

設計及維護橋梁時，應使其在使用壽命周期內的工程建設及養護維修費用最低，有利環保，方便維護和修復，避免大拆和隨意傾倒建筑垃圾。

5.2 養護方法

不同環境和位置及橋梁型式的工程問題，其相應的養護維修和加固方法有所不同。

5.2.1 承載能力極限狀態不足導致結構開裂

若裂縫的產生原因為墩臺變位或溫度應力，則一般可采取采用加固墩、臺及基礎。

若裂縫產生的原因為混凝土橋設計荷載等級過低或超載，則可采取加強薄弱構件、改變結構體系及限制超載的方法來解決。加強薄弱構件及增加構件的剛度，主要措施如下：①采用以新材料(噴射混凝土、現澆混凝土、環氧膠漿黏貼鋼板、鋼筋、玻璃鋼及碳纖維布)增大主拱圈截面;②用高標號水泥砂漿或環氧樹脂水泥砂漿封填裂縫;③增設體外預應力筋，或用化學黏結劑黏貼附加構件的方法進行加固構件。

正常使用極限狀態不足時，除了上面所提到的加強薄弱構件及增加結構剛度法以外，還可以采用改變結構體系的方法，主要是利用梁的連續作用或梁、板組合作用及拱梁組合作用，使原來簡支或單一的拱式體系轉化為連續梁或梁拱體系。對拱橋還可采用減輕恒載法，即：①實腹式拱橋改建為空腹式拱橋;②更換拱上填料，采用輕質的拱上填料;③改變拱上填料厚度來減輕拱上建筑自重;④改拱式為梁式拱上建筑，采用預制的鋼筋混凝土T梁、微彎板或空心板等輕質橋面系代替笨重的腹拱體系。

當正常使用極限狀態不足而使裂縫超限時，可采用加強薄弱構件法，即：①用高標號水泥砂漿或環氧樹脂水泥砂漿封填裂縫;②增設體外預應力筋，或用化學黏結劑黏貼附加構件的方法進行加固構件，如可黏貼碳纖維布等。對于縱向裂紋可采用增設橫向預應力，使裂縫閉合，加強結構整體性。

5.2.2 結構混凝土耐久性能不足

混凝土耐久性不足包括鋼筋銹蝕、氯離子的侵蝕及混凝土碳化等。對結構混凝土因碳化、空蝕、凍融破壞、化學侵蝕及結構受力而引起的混凝土表層開裂、滲漏、剝蝕等大面積的破壞修補，可考慮采用表面修補法直接進行修補，修補的材料有水泥基修補材料，高分子有機修補材料，聚合物水泥砂漿等。而對鋼筋銹蝕，應引起高度重視，因它是混凝土結構破壞的主要因素［29］。防止或延緩鋼筋銹蝕所采用的方法有4類：

1)在混凝土中添加鋼筋阻銹劑，其作用是為推遲鋼筋開始生銹的時間以及減緩了鋼筋腐蝕發展的速度。早期研究的阻銹劑主要有苯甲酸鈉(Sodium benzoate)，各種亞硝酸鹽(Sodium nitrite，potassium nitrite and barium nitrite)和鉻酸鹽(Chromates/dichromate)等，也有人研究了氯化亞錫(SnCl2，stannous chloride)。目前，研究最多的是遷移性阻銹劑(MCl)的發展［30］，這類阻銹劑具有在混凝土的孔隙中通過氣相和液相擴散到鋼筋表面形成吸附膜從而產生阻銹作用，如胺基羧酸鹽［31］(Amino-carboxylate based)等。

2)在鋼筋表面涂抹保護層，其作用是阻止氧氣、水分及氯離子等腐蝕性介質與鋼筋直接接觸。目前，使用的最為廣泛還是環氧樹脂涂層，優點是其噴涂厚度均勻，易于工業化生產;其缺點是在運輸、布筋過程中易于破損［32］。

3)犧牲陽極防護法，在鋼筋表面涂抹一層金屬介質，以代替鋼筋作為電化學腐蝕的陽極，起到保護鋼筋的作用。附在鋼筋表面的活動金屬覆層可以是鋅、鎘和鋁等，目前，用的最多的還是熱浸鍍鋅鋼筋(HDG)。

4)采用纖維增強復合材料(FRP)來代替鋼筋。主要有碳纖維增強復合材料(CFRP)，玻璃纖維增強復合材料(GFRP)，芳綸纖維復合材料(AFRP)等。有研究表明解決鋼筋銹蝕所引起的混凝土結構耐久性問題行之有效的方法是利用纖維增強塑料(Fiber Reinforced Plastics簡稱FRP)來代替鋼筋或預應力鋼筋［33］。

橋梁結構在進行修復技術方案選擇時，還需要綜合考慮經濟性因素、環境保護與社會效益。橋梁結構在壽命周期內要滿足其性能要求，除需要對橋梁進行周期性的維護外，還應嚴格限制超載車輛的行駛。

6 結語

1)簡述了混凝土橋梁安全性、耐久性等相關問題研究及在中國的進展，同時基于全壽命的特點及結構性能要求包括安全性、適用性、耐久性和可持續性，概略討論了相對應的承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久性極限狀態和可修復性極限狀態及考慮的問題和解決的方法。針對結構在不同環境和位置、重要性程度等，提出應參照橋梁設計不同水準的性能要求，給出基于性能的養護指標，進行橋梁結構的維護和加固。

2)針對混凝土橋梁結構存在的性能問題，從橋梁的材料層次、構件層次和結構層次的角度，討論了現有的分析方法、存在的局限及要進一步研究解決的問題，提出有必要考慮各種因素相互影響和耦合作用，研究建立基于材料退化的橋梁結構承載力非線性的分析理論及壽命預測方法。

3)考慮到實際的混凝土橋梁可能因承載能力極限狀態、正常使用極限狀態及耐久性極限狀態不足導致性能無法滿足要求，提出了相應的維護策略和方法。

［1］Fhwa U S D O.Count of Bridges by Structure Type［DB/OL］.(2013-04-12)［2013-04-16］http：//www.fhwa.dot.gov/bridge/struct.cfm.

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