使用寿命的预测解码——公路桥梁耐久性检测评定

确保公路桥梁安全耐久是加快建设交通强国、推动交通运输高质量发展的重要支撑。2018年和2019年相继发生了两起由于桥梁结构耐久性不足导致的桥梁垮塌事故。一起为意大利的莫兰迪大桥垮塌。莫兰迪大桥是欧洲首座钢筋混凝土斜拉桥，于1967年建成。事故调查分析表明，经过50年的使用，该桥斜拉索和主梁钢筋锈蚀非常严重，远远超出钢筋混凝土结构的耐久性极限状态；另一座垮塌的则是台湾南方澳大桥。该桥是吊杆拱桥，于1998年通车。其垮塌的直接原因是其下锚头及附近吊杆的锈蚀，部分吊杆下锚头附近的钢绞线有效残余截面积仅剩余22%～31%。

从这两起事故可以看出，耐久性是公路桥梁结构安全的重要保障，在桥梁养护中应加以重视。而桥梁耐久性检测评定是及时、合理开展养护的重要前提，也是践行“主动养护、预防为主”这一理念的基础支撑。

桥梁结构耐久性是指桥梁结构或构件在设计确定的环境作用和维修使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其安全性和适用性的能力。因此，公路桥梁耐久性检测评定对象确定为主体结构受力构件，如图1所示。其中，斜拉桥的典型受力构件是斜拉索、索塔，此外还包括桥墩、桥台和基础；而悬索桥的典型受力构件是主缆以及与之相关的吊索、索塔、锚碇，及加劲梁、桥墩、桥台和基础等。当桥梁包含的主体结构构件数量较多时，对受力构件采用类别划分的方式，分别进行耐久性评定，便于实施分类养护，提高养护的针对性和经济性。

图1 公路桥梁结构耐久性检测评定对象

耐久性病害大致可以归结为两大类：即可以目视发现和无法通过眼睛直接观察到的。这两者都是性能保持能力降低的体现。

目视可以发现的病害，主要是外观耐久状态，分为两种：一种是耐久性病害导致的结构构件表面发生明显可视变化，另一种是结构构件防护或保护措施不足在结构构件表面的体现，即质量缺陷。如果检测时构件耐久状态不佳，此种保持能力就会降低，达到耐久性极限状态的时间就会缩短，如图2所示，检测时两种不同的耐久性状态在达到同一耐久性极限状态时对应不同耐久年限t1和t2。

图2 耐久性劣化对结构性能的影响

目视无法发现的病害，是结构构件材质性能在环境侵蚀作用下的潜在变化，影响到结构使用寿命，需要通过检测分析、评定剩余耐久年限对其耐久性进行判断。剩余耐久年限主要体现构件保持安全性和适用性不致降低或者降低幅度在允许范围内的年限，主要与构件劣化发展趋势相关。公路桥梁耐久性检测评定采用外观耐久状态和剩余耐久年限相结合的方法。

外观耐久状态所评定的是目视可见病害或防护性能降低的程度，选用Ia、IIa、IIIa和IVa四个等级来表征桥梁结构构件外观耐久状态。其中，Ia表示目视难以看出劣化现象，虽然结构外观局部存在轻微质量缺陷，但总体良好；IIa则代表结构构件总体耐久性病害尚未发生，但目视可看到轻微质量缺陷或局部轻微的耐久性病害；IIIa意味着耐久性病害已经发生且表现的较为明显，表明结构耐久性已经接近或达到耐久性极限状态，或防护损伤非常严重，已基本失去对结构性能的保持能力；Iva则说明结构外观病害已经非常严重，表明已经丧失保持结构性能的能力。等级划分的原则一是对人的视觉、感觉的冲击程度；二是维修的迫切程度；三是对结构性能的影响程度。

剩余耐久年限分别采用劣化模型法和时间外推法进行估算，当构件耐久性劣化到极限状态时，达到构件耐久的年限。对于劣化机理和研究成果较为成熟、有可靠劣化模型的耐久性劣化趋势预测，采用劣化模型法。而对于劣化机理或研究成果不够成熟的耐久性劣化预测，则选用时间外推法。所谓时间外推法是指利用实际检测得到的构件耐久性劣化参数建立与时间的关系，并通过计算从耐久性劣化到极限状态的时间即可得到剩余耐久年限。无论劣化模型法还是时间外推法，所使用的指标参数值，尽量采用现场检测数据进行计算分析，以反映桥梁结构剩余耐久年限的实际情况。

此外，耐久性劣化具有随时间变化的特性，检测评定需要定期开展并进行数据积累，形成时间序列数据。利用这些数据对劣化模型和外推模型不断地加以修正，耐久性评定结果将会越来越趋近实际情况。

耐久性极限状态是指构件保持安全性和适用性的能力达到限值要求。用于计算构件耐久年限的耐久性极限状态根据环境作用类别、耐久性劣化机理和结构重要性程度确定。通常情况下，钢筋混凝土梁、预应力混凝土结构以钢筋即将开始锈蚀作为耐久性极限状态，而钢筋混凝土墩柱、拱圈、基础等受压构件以构件表面出现锈蚀裂缝为耐久性极限状态，钢构件以受力截面锈蚀不超过5%作为耐久性极限状态，索结构和主缆则将钢丝开始锈蚀定为耐久性极限状态。

桥梁调查内容包括资料调查、桥位环境及外观初步调查，在必要时还应进行构件材料成分分析。资料调查主要涉及桥梁设计文件和竣工资料、桥梁服役历史、桥梁检查及维护资料。现场使用环境调查主要涵盖桥梁所处环境作用类别、作用等级和结构构件局部环境以及交通流量等。外观初步调查主要关注桥梁耐久性主要劣化形式和劣化发展状况。通过桥梁调查，收集耐久性相关资料、明确公路桥梁所处的环境作用类别和等级。

构件类别根据构件截面形式、受力特点和建造材料等进行划分，例如：T梁和空心板、简支构件和连续构件、预应力混凝土构件和钢筋混凝土构件均需要分别作为一个构件类别。

评定单元则根据构件类别、环境条件和表观特征等加以划分。同一构件类别中，环境作用效应、材料性能和表观特征基本一致的构件将作为一个评定单元。而不一致的则被分别划分为不同的评定单元。例如，梁桥中的边梁和中梁因其所处环境条件有差别，需要划分为不同的评定单元；构件大气区、浪溅区、水位变动区、水下区或埋置区等也因所处环境各异，需要分属于不相同的评定单元。耐久性劣化表观特征明显比其他构件严重或与其他构件不一致的，也需要单独划分评定单元。

钢筋混凝土及预应力混凝土构件的耐久性检测内容参见表1；钢结构构件和缆索构件主要针对板材和筋（丝）材的锈蚀进行检测；而对于石材结构而言，检测其风化、冻融等及砌块间接缝砂浆劣化；其他材质的检测内容则通过耐久性调查和劣化机理分析后确定。

钢筋混凝土及预应力混凝土构件、钢结构构件的外观耐久状态评定包括外观质量缺陷评定和外观劣化度评定，并以两者中差者的等级作为外观耐久状态评定等级；圬工石材构件、拉索及主缆外观耐久状态评定宜为外观劣化度评定，并以外观劣化度等级作为外观耐久状态评定等级。当构件有表面防护涂层或阴极保护等防腐措施时，还需要对涂层劣化状态或阴极保护效果予以检测评定。

后张预应力体系是一套单独的受力体系，其承载模式和耐久性防护体系都有别于普通混凝土构件。因此，其耐久性评定也是一套相对独立的评价体系。后张预应力体系耐久性检测评定的内容主要包括预应力筋及其与之相关的防护体系，涉及预应力筋锈蚀情况、预应力筋防护状况、转向结构和锚固端防护情况。主要评定预应力筋的状态及其防护情况，以及转向结构的耐久性及完好性。

对于后张预应力构件而言，钢筋混凝土构件部分与后张预应力体系部分的耐久性检测评定均需要开展，最终构件的耐久性评定结果以两者中严重者为准。

构件剩余耐久年限需要在当前环境和使用状态下依据检测结果采用极限状态法进行估算。混凝土碳化、氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀年限预测，需通过现场检测得到混凝土保护层厚度、碳化系数、氯离子扩散系数等相关参数，采用劣化模型法来计算剩余耐久年限。对于硫酸盐侵蚀、混凝土冻融、碱集料反应导致的混凝土劣化，以及钢构件、缆索构件在实际服役环境中的锈蚀等耐久性问题，耐久年限计算分析理论尚不成熟，应选择时间外推法来估算剩余耐久年限。

构件评定单元的外观耐久状态等级应以评定单元中数量占2/3及以上的构件评定等级为准。当各评定等级的构件数量均不足2/3时，应该重新划分评定单元。

当评定单元中只有一个构件时，评定单元的剩余耐久年限即为构件的年限。而当评定单元中检测构件数量多于一个且估算的剩余耐久年限不一致时，评定单元的剩余耐久年限取值采用区间的形式表达：当评定单元中有2～3个检测构件时，取构件年限的最大值和最小值作为剩余耐久年限区间上下限；当评定单元中含有4个及以上检测构件时，评定单元的剩余耐久年限采用具有90%保证率的平均值的推定区间来表示。

构件评定单元剩余耐久年限应根据目标使用年限判定是否满足要求。当构件评定单元剩余耐久年限的区间下限值大于桥梁结构的目标使用年限时，可判定构件剩余耐久年限满足要求。

当构件剩余耐久年限无法进行定量估算时，可选取外观耐久状态的评定等级作为其耐久性等级；而当构件剩余耐久年限能定量估算时，根据外观耐久状态和剩余耐久年限的评定结果按表2加以评定。

当桥梁结构遭受多种环境作用或出现多种耐久性病害时，宜分别评定耐久性状况，以最差等级作为耐久性评定结果，并在检测评定报告中注明其对应的环境条件和耐久性病害。