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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：桥梁工程病害分析
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层 次： 专科起点本科
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完成日期： 2021 年9月11日
作为公路咽喉设施的桥梁结构在施工及运营过程中，由于交通荷载以及各种外界因素作用和影响，出现各类缺陷、病害。桥梁病害严重影响了桥梁的使用性能，还会造成主体结构的破坏，产生病害的原因是多方面的。桥梁工程是现代城市生命线工程的重要组成部分，它的坍塌会造成社会交通的严重瘫痪，这对现代城市社会生活是灾难性的。
本文对钢筋混凝土桥梁以及钢桥的各类病害进行了归纳及分析，对混凝土桥按照不同的桥型分为梁式桥、拱桥以及缆索承重体系桥。对于钢桥，按照破坏形式对各类病害进行分类，主要有疲劳和脆性断裂、腐蚀、失稳以及机械损伤。
关键词：桥梁；病害；分析
目 录
随着我国国民经济的迅速发展和经济的全球化，大力发展交通运输事业，建立四通八达的现代交通网络，这不仅有利于经济的进一步发展，同时对促进文化交流、加强民族团结、缩小地区差别、巩固国防等方面，也都有非常重要的意义。我国自改革开发以来，路、桥建设得到了飞速的发展，对改善人民的生活环境，改善投资环境，促进经济的腾飞，起到了关键性的作用。
桥梁是我国现代化建设的重要基础设施，由于反复承受着车轮的磨损、冲击，遭受暴雨、洪水、风沙、冰雪、日晒、冻融等自然因素的侵蚀破坏，特别是我国交通量和重型汽车的不断增加，有些建筑材料的性质衰变，以及由于设计和施工留下的一些缺陷，必然造成道路桥梁使用功能和行车服务质量的日趋退化、不适应，甚至中断交通。
我国桥梁大部分为建国后所建，桥龄一般为40年左右，桥梁病害开始逐渐暴露，不少桥梁已经或正在发生老化、破损、出现裂缝等现象，危桥逐年增多，承载能力逐年下降，桥梁功能的完善和运转的顺利不仅促进相应地区的经济发展，同时也将改善社区的生活品质怿。
桥梁结构经不住长期动荷载和极复杂条件的考验，不到几年时间就出现病害，甚至不堪使用的事例也是不少的。但是，桥梁结构由于作用荷载的随机性、材料强度的离散性、制造与施工质量的分散性、计算假定的近似性，其实际安全度是一个不确定值。简而言之，有的桥梁由于原设计荷载标准偏低，现在重车增多，行车密度不断增长；有的桥梁由于采用桥型结构不当或设计计算假定不尽合理；有的桥梁不重视施工质量未按操作规程办事；也有的桥梁由于养护不当或年久失养；还由于反复承受着车轮的磨损、冲击，遭受暴雨、洪水、风沙、冰雪、日晒、冻融等自然因素的侵蚀破坏，建筑材料的性质衰变，或上述情况兼而有之。
总而言之，有的桥梁先天不足，有的桥梁是后天失养，种种原因造成不少桥梁发生病害，甚至有的已成为“危桥”，严重地影响了桥梁的承载能力和正常使用。某些多次出现的桥梁病害，它们在表现形式和形成机理等方面可能存在着共同点。
1 混凝土桥梁的病害
混凝土桥梁常遭受各类化学和物理变化,容易出现各种各样的病害,从而影响结构的正常使用,甚至危及到桥梁的使用安全。常见的混凝土桥梁病害可分为表层缺陷和裂缝两大类[1]。
1.1 表层缺陷
混凝土表层缺陷主要有蜂窝、露筋、麻面、空洞、磨损、锈蚀、老化、剥落、表层成块脱落、构件变形、接缝不平等病害。
1.1.1 蜂窝
蜂窝一般是由以下原因造成的:
1、施工不当
混凝土灌注中缺乏应有的振捣；分层灌注时违反操作规程，运输时混凝土产生离析；模板缝隙不严，水泥砂浆流失等。
2、结构不合理
配筋太密，混凝士粗骨料粒径太大，坍落度过小等。
1.1.2 混凝土老化
造成混凝土老化、剥落的原因有多种，有施工因素，也有环境的因素。混凝土老化、剥落直接导致露筋病害。
1、施工
保护层太薄；保护层处混凝土漏振或振捣不实等。
2、环境
有侵蚀性的水的化学作用。最常见的是含氯离子的水从桥面板铰缝中渗漏。梁和墩帽是最常见的遭到破坏的桥梁构件，而且破坏位置一般在桥面板铰缝附近。一般来说，具有横向和纵向桥面板铰缝，并且遭受周期除冰盐的混凝土公路桥，应该注意那些桥面板铰缝处的杆件。
桥梁受到氯离子的破坏一是由于水通过横向伸缩缝渗漏，二是由于水从桥面流下；受破坏的一般是外边梁；三是通过车辆的飞溅。最常见的腐蚀破坏是水从桥面板铰缝中渗漏。梁是最常见的遭到破坏的桥梁构件，而且破坏位置一般在桥面板铰缝附近。一般来说，具有横向和纵向桥面板铰缝，并且遭受周期除冰盐的混凝土公路桥，应该注意那些桥面板铰缝处的杆件。沿海地区因气候常年潮湿，空气、河海中含盐量较高丽使锈蚀问题显得尤为突出，还有腐蚀破坏有水从外边梁上流下，还有桥下的车辆经过时，溅起的水腐蚀桥[2]。
严寒地区冰冻及干湿交替循环作用，长期以来严重的冬季一直威胁着混凝土结构的长期使用。混凝土表层水受冻结冰膨胀，造成混凝土表面酥松，使得混凝土成片剥落，在我国北方地区非常普遍，是混凝土结构老化病害的主要问题之一。
1.1.3 麻面
麻面是混凝土表面局部缺浆、粗糙或有许多小凹坑，但无露筋现象。 它是由直径在25mm以下的由气泡，沟洞形成的表面汽水空隙构成。麻面一般是由于旅工时采用模板表面不光滑，模板湿润又不够，致使构件表面混凝土内的水分被吸去。
1.1.4 空洞
一般是由于钢筋布置过密，施工时混凝土被卡住，又未充分振捣就继续灌注上层混凝土。此外，严重漏浆亦能产生空洞。
1.1.5 磨损
主要发生在桥面板和墩柱部位。由于混凝土强度不足，表层细骨料太多、车轮的磨耗、高速水流冲刷，水流中又挟有大量砂石等推移质或冰凌等漂浮物。
1.1.6 构件变形
构件变形主要由于施工不善造成，荷载作用下形成变形。
1.2 裂缝
桥梁结构在施工和营运使用过程中，常常会出现各种不同形式的裂缝。由于混凝土材料的抗拉能力较弱，稍微受拉就会产生裂缝。因此，对于混凝土结构产生裂缝几乎是不可避免的。
一般情况下，对于混凝土构件，根据不同的环境条件，其细裂缝可限制在0．2～0.3mm以内，这对结构物的正常使用、耐久性以及安全性一般无任何妨碍。实践证明，当混凝土裂缝宽度小于0.3mm时，构件内钢筋不致因混凝土开裂而锈蚀[3]。
在实际工程中，钢筋混凝土桥梁结构裂缝的成因复杂，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。如果不对裂缝进行系统全面的分析和研究，就很难揭示出桥梁病害产生的内涵和机理。
裂缝的分类有多种，从安全角度考虑可分为安全的工作裂缝和非正常裂缝：按客观成因可分为先天裂缝、原生裂缝、后天裂缝；从力学机理角度可分为弯曲裂缝、剪切裂缝、局部承压裂缝、次裂缝等，从结构承载力的影响的角度考虑，把裂缝分为结构裂缝和非结构裂缝两大类。以下就从结构承载力影响的角度对裂缝进行分类分析。
1.2.1 非结构裂缝
非结构裂缝是指由于混凝土不能满足自身的变形或因外界环境变化造成结构的非荷载变形等产生的适应性裂缝。这类裂缝暂时不会对结构的承载力造成危害，如果超过一定的限值则可能对结构的耐久性(钢筋锈蚀和结构防水等)和美观性造成影响，严重时也会削弱结构的承载力。
1、材料因素
(1)混凝土收缩引起
这种裂缝一般发生在混凝土表面。这种裂缝细而且比较密，分布比较均匀，多沿梁、板的长边走向。发生的主要原因是由于混凝土凝固时，体积交小，发生收缩，一般在配筋密的地方这种裂缝少，配筋多疏的地方，混凝土无法承受拉力而开裂；同时含泥量较大也容易产生这种裂缝[5]。
(2)碱骨料反应引起
碱-骨料反应的充分条件是要有水分，在干燥状态下很难发生碱-骨料反应。最普通的碱骨料反应是骨料中的Si02成分和水泥中的碱性溶液产生的反应，
形成碱硅酸盐凝胶在骨料界面发生蚀变。这种胶体是无限膨胀型的，它吸水后体积可增大3～4倍。由于胶体受到周围混凝土的水泥净浆的约束，故导致水泥净浆的膨胀、开裂，从而引起混凝土剥落、开裂，强度降低，甚至导致破坏。混凝土损坏的时间从凝固后几个月至若干年不等。这往往取决于反应物开始接触时间的过早、化学浓度及环境条件等。
含有Si02成分的骨科有：蛋白石、黑硅石、火燧石、玻璃质火山石、安山岩等。水泥中的碱性物质有Na20、K20等。若水泥中的含碱量(Na20、K20)大于O.6％以上时，它们就会很快析出到水溶液中，遇到活性骨料就会发生反应。
(3)混凝土箍筋引起
钢筋和混凝土膨胀率的差异，钢材的膨胀率大于混凝土的膨胀率，混凝土表面的拉应力小于混凝土钢筋膨胀所产生的应力，从而使混凝土表面拉裂。
2、施工不当
(1)干缩裂缝
混凝土拌制时，混凝土水灰比超过了设计用量，水灰比过大，混凝土干缩量加大，产生干缩裂缝。
(2)塑性裂缝
施工不当还会引起塑性裂缝，塑性裂缝是混凝土在塑态阶段形成的裂缝，是一种早期裂缝，一般有四种形态。第一种塑性裂缝是由于施工时振捣不充分，或混凝土的析水过多，混凝土发生沉降产生沿钢筋或导管方向的裂缝；第二种塑性裂缝是由于模板移动或鼓出，使混凝土在浇注后不久产生与模板移动方向平行的裂缝；第三种塑性裂缝是由于混凝土搅拌时间过长，使混凝土凝固速度加快，造成结构上的微裂缝；第四种塑性裂缝是由于混凝土养生不好，造成现浇混凝±表面水分蒸发过快，产生的不规则的裂缝。
3、环境因素
(1)温度裂缝
混凝土受水泥水化放热、阳光照射、大气及周围温度、电弧焊接等因素的影响而出现冷热变化时，将发生收缩和膨胀，产生温度应力，温度应力超过混凝土强度时，即产生裂缝，称为温度裂缝。
大体积混凝土(厚度大于2m)，浇注后由于水化放热，内部温度很高，而造成内外温差过大，极易产生裂缝。在施工时无妥善的散热措施，由于内外温差太大，很容易形成温度裂缝。
当连续刚构、拱桥等结构两端固定时，由于周围温度变化将产生附加应力。容易与其它应力形成合力，造成开裂。在梁体分段浇注和分层浇注时，在新旧混凝土接头处、沿接缝面的垂直方向也易产生裂缝，这是因为水泥水化热引起的。
(2)锈蚀裂缝
锈蚀裂缝主要是由于钢筋发生锈蚀，体积膨胀，对周围混凝土产生挤压，而导致开裂。钢筋腐蚀是混凝土桥中最主要的病害，是造成混凝土结构桥梁退化的主要原因，钢筋腐蚀的过程是一个复杂、综合的过程，钢筋腐蚀的大小对混凝土结构的抗弯强度、变形能力、延性、粘结强度以及失效模式有很大的影响。因此，腐蚀程度是预测钢筋混凝土结构寿命的一个主要参数[6]。
钢筋锈蚀主要是二氧化碳和氯离子的侵入造成的。二氧化碳和水汽从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，和混凝土中的碱性物质进行中和，会导致混凝土PH值降低。当混凝土完全碳化后，就出现PH<9的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面钝化膜逐渐被破坏，在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。
如果混凝土中存在氧气和湿气，氯离子的侵入也会破坏钝化膜。氯离子的渗入会出现更严重的问题，特别在滨海地区，尽管混凝土的渗透性很低，氯离子也能以相当快的速度渗透，使相当厚的混凝土覆盖层的使用寿命大大低于钢筋混凝土结构的正常寿命。
裂缝走向沿钢筋方向。一般有三种开裂形式。第一种类型开裂，在每边都有一条表面裂纹，并且裂纹平行于受腐蚀钢筋。大部分裂缝属于第一种。第二种类型开裂，观察到两条表面裂纹，其中一条在侧面，并且平行于钢筋，另一条在顶面，并且在另一根受腐蚀钢筋的正上方。第三种类型开裂，与第二种开裂类似，侧面的裂纹高度在受腐蚀钢筋位置处，另外两条表面裂纹平行于另一根腐蚀钢筋，一条在侧面，与钢筋相邻，另一条在上方。
(3)冻害裂缝
在混凝土强度不高的情况下，因保温措施不当，使其受到严寒袭击和冻融循环作用，表面严重受冻，因所含水分冻结膨胀，而使表面出现裂缝。裂缝严重者有时呈不规则网状。
1.2.2 结构裂缝
结构裂缝是指由外荷载引起的裂缝，预示结构承载力不足或下降的裂缝，称为结构性裂缝。这类裂缝的产生究其力学机理，都是因为结构整体或局部构件的强度、刚度、延性不足引起的。
1、外力作用
(1)剪切裂缝
这类裂缝多发生在简支梁和连续梁支点附近剪应力最大的部位。方向主要由梁体下部开始与梁轴线里250～500左右斜方向展开，产生这类裂缝的原因有设计原因，也有施工原因。设计中只注意了正截面的强度，而对于斜截面强度或主拉应力重视不够；或遗漏了最不利截面或缺乏最不利组合的工况。如果是预应力现浇段边跨，没有设弯起钢束[8]；由于边跨梁段梁高较小，反力大，如果只是有顺桥
