第1章 绪论
1.1 混凝土箱梁桥的发展动态
混凝土箱梁桥作为一种常见的桥梁结构，具有抗弯、抗扭刚度大，整体性能好等力学优点，被广泛应用于我国高速公路、铁路以及城市建设等领域[1]。近年来，随着交通运输需求的不断增加、施工工艺的快速发展以及新型材料(如超高性能混凝土、工程水泥基复合材料、纤维增强复合材料(fiber reinforced plastic，FRP))等技术的应用，混凝土箱梁桥在桥梁跨度与宽度方面均实现了突破[2]，如图1.1所示。其中，在跨度方面，英德北江四桥[3]、石板坡长江大桥复线桥[4]、漩水沱岷江特大桥*大跨度已分别突破100m、330m和180m；在桥宽方面，厦门翔安西路主线桥*大宽度可达50m[5]，这使得在40～300m跨度范围内，箱梁成为*有竞争力的主梁截面形式[6]。在大跨度桥梁建设方面，随着箱梁桥空间力学行为分析方法的逐步完善和改进，以箱梁为主梁截面的斯卡恩圣特桥[7]和北盘江特大桥[8]也得到了大力发展，其主梁跨度分别为530m和445m。可以看出，箱梁仍然是当前各类桥梁体系主要采用的主梁构件。
图1.1 箱梁桥在桥梁跨度与宽度方面的突破应用
然而，由于箱梁桥大空腔的构造和薄壁受力特征，在服役期容易出现跨中下挠、梁体开裂以及耐久性劣化等病害[9]。特别是服役于碳化、氯盐等严酷环境中的混凝土箱梁结构，在碳化与氯离子侵蚀及荷载的耦合作用下，极易发生开裂、剥落以及力筋锈蚀等病害[10]，大大降低了桥梁结构的承载能力与服役寿命。因此，为了保证混凝土箱梁桥在复杂环境条件下的长寿命服役，贯穿整个箱形桥梁工程全寿命周期的空间力学分析、结构设计及耐久性能设计的相关研究，仍然是推动混凝土箱梁桥高质量发展的关键科学和工程问题。
1.2 混凝土箱梁空间力学行为研究现状
箱梁作为由顶板、底板和腹板构成的空间薄壁结构，其空间力学行为与一般的杆系结构不同，具有较高的截面效率指标和抗扭惯性矩，对正负弯矩几乎有相同的抵抗能力。由于箱梁结构的特殊性，它不仅在结构构造上具有空间多维性，在荷载作用下也具有空间多维和多模式的受力与变形特点，当承受对称荷载时，主要发生竖向弯*变形，伴有剪力滞现象[11]；当承受偏心荷载时，不仅有竖向弯*变形，还伴有扭转、畸变变形等[12]。
在箱梁空间受力的各形态中，剪力滞效应是箱梁薄壁受力的*典型特征之一，对于单室箱梁，剪力滞效应由翼板剪切变形所致，多数学者采用翘*位移函数进行研究[13-18]。目前，围绕箱梁剪力滞效应的分析方法大多集中在变分法和三维板壳或块体有限元法等[19]。其中变分法由于其力学推理明晰、计算结果与普通梁理论能较好地对应而广受欢迎，但缺点是以等厚翼板作为分析对象，具有一定的局限性。对于常见的翼板变厚度的混凝土箱梁桥，利用势能变分原理可以发现，翼板厚度变化对正负剪力滞效应和剪力滞变形产生影响[19，20]。此外，箱梁截面配筋[21]、不同截面形式(截面高度、截面顶底板厚度)[22]、预应力布束方式[23]等因素也会对剪力滞效应造成影响。
箱梁截面形式的空间受力多维性除了剪力滞效应，还体现在畸变、扭转等基本形态上。在偏心荷载作用下，约束扭转引起的翘*正应力可达到弯*正应力的45%[24]，且对箱梁截面上的剪力流也会产生不可忽略的影响[25]。对于箱梁约束扭转时的二次剪力流，可建立悬臂板和闭合箱室上二次剪力流及二次扭矩的实用计算公式[26]，还可以采用考虑截面剪切变形影响的等效弹性地基梁比拟法[27]。畸变效应也是箱梁桥在偏心荷载作用下空间复合受力中的一种变形模式，由畸变产生的横向弯*应力可以达到与纵向弯*应力同一数量级水平。目前对于箱梁畸变的分析，常采用解析法和有限元法[28]。解析法将作用于箱梁截面上的偏心荷载根据等效荷载思想分解为对称荷载与反对称荷载，对称荷载作用时按梁的弯*理论求解，反对称荷载作用时根据薄壁杆件扭转理论分解为刚性扭转和畸变两种荷载模式的叠加[29]。有限单元法基于三维板壳和块体理论，建立箱梁结构精细的三维有限元数值分析模型，施加箱梁边界和畸变荷载，求解获得畸变应力，是当前结构精细化分析的通用和便捷方法[30]。此外，还有学者采用初始参数法[31]、广义坐标法原理和混合变分原理[32]等方法对畸变效应进行研究。在跨中布置横隔板可以限制箱梁的畸变变形和横向弯*，但畸变翘*应力会因此显著增大[28]，横隔板的布置数量、位置及自身参数等因素也将对畸变效应产生举足轻重的影响[33]。
综上所述，目前薄壁箱梁桥畸变效应的理论研究基本形成了以板元分析法、能量变分法、广义坐标法等为主的分析理论，研究目标主要是构建以畸变角为广义未知函数的畸变控制微分方程，求解方法主要是应用弹性地基梁比拟法对等截面箱梁桥畸变效应进行求解，利用加权残数法或纽马克法对变高度箱梁桥畸变效应近似求解。这些研究对混凝土箱梁桥的空间力学问题进行了深入探索，总结出了许多关于剪力滞效应、扭转、畸变、横向弯*的理论及计算方法，但不难发现，现有计算方法均未考虑材料劣化问题，而钢筋和混凝土为非线性材料，且大多混凝土结构都处于带裂缝工作状态，非线性特征尤为明显。传统的分析和设计方法往往采用线弹性理论，这与实际情况有较大出入。因此，更加准确地反映钢筋混凝土箱梁桥的非线性受力特性非常重要，特别是空间多维应力与空间多因素环境耦合作用下的材料劣化及结构可靠性分析的相关理论和方法将显得尤为关键。
1.3 混凝土箱梁桥的耐久性研究现状
1.3.1 环境因素作用下混凝土耐久性研究现状
国外对混凝土的碳化和受氯离子侵蚀等问题的耐久性研究可追溯至19世纪40年代，而国内从20世纪60年代才开始研究混凝土碳化和钢筋的锈蚀等问题[34]。当前，国内外关于混凝土碳化和氯离子侵蚀的研究，已经形成了包括不同材料组成、不同环境条件、不同加载条件及考虑耦合效应的混凝土碳化和氯离子侵蚀机理、规律及服役寿命预测方法[35-38]，初步形成了从材料组成、保护层厚度、氯离子渗透系数、结构体系及施工措施等方面减少混凝土碳化和受氯离子侵蚀的方法[35-42]，体现在行业规范中，并在大型工程中得到应用[43]。
混凝土由于孔隙溶液的高碱度(pH=12.5～13.5)，钢筋被氧化铁膜(γFe2O3)所钝化而受到保护，当环境中的CO2和氯化物通过混凝土孔隙结构和微裂缝通道向内部渗透时，氧化铁膜被碳化和氯离子产生的阳极所破坏，从而引起钢筋脱钝锈蚀，造成混凝土结构的破坏[44]。混凝土碳化可表示为CO2与混凝土中的氢氧化钙反应形成碳酸钙的化学方程[45]，氯离子侵蚀则是氯离子与钢筋铁原子及水溶液发生的一系列电化学反应并*终形成氧化铁的过程[46]。碳化和氯离子侵蚀除与水泥类型、水泥组成、养护条件等有关外，主要与混凝土的环境温度、湿度以及空气中CO2及氯离子浓度等有关[47]。目前，国内外学者通过室内外试验、腐蚀模型建立、数值模型腐蚀模拟等研究，在混凝土碳化和氯离子侵蚀的预测方面取得了大量的研究成果[34，35，48]。在混凝土碳化和受氯离子侵蚀的试验研究方面，Monteiro等[49]对50余座4～99年龄期建筑结构露天混凝土碳化的深度进行了测试。陈树东等[50]结合苏通大桥各关键部位的混凝土，进行了一维、二维和三维碳化试验研究，研究表明混凝土的二维、三维碳化具有明显的交互作用。Guo等[51]结合海洋环境中的桥梁结构，进行了考虑腐蚀效应的沿海桥墩的循环试验，研究了腐蚀损伤对试样力学性能的影响。牛荻涛等[52]通过盐溶液浸泡与碳化交替的试验方式，研究了碳化对氯离子扩散的影响，结果表明碳化作用加快了混凝土中氯离子的扩散速度。在碳化和氯离子侵蚀的理论模型方面，在大量的室内和现场试验的基础上，已经形成的共识是碳化符合菲克(Fick)**定律、碳化深度与碳化速率和时间的平方根呈比例[48，50]。在考虑环境、养护条件、水泥品种等因素修正的基础上，Zhou、张誉、Monteiro等国内外学者提出了近20种CO2深度预测公式[47-49]；关于氯离子的侵蚀，国内外学者在大量试验研究的基础上，建立了基于Fick第二定律的多种修正(拟合)氯离子扩散系数法[34，47，53，54]，表征和反映混凝土受氯离子侵蚀的程度。在碳化和氯离子侵蚀的数值模拟方面，主要基于CO2和氯离子在混凝土中的物理和化学扩散机制，基于Fick定律，建立了基于热扩散理论的有限元数值模拟方法[55，56]、元胞自动机(cellular automata，CA)模型[57-59]和扩散限制凝聚(diffusion-limited aggregation，DLA)模型[60，61]，预测和模拟混凝土受碳化和氯离子侵蚀的进程。
通过对耐久性研究近况的梳理，目前在混凝土碳化和受氯离子侵蚀的影响因素、腐蚀机理及预测模型等方面均取得了丰硕的研究成果，有力地支持了新建混凝土结构的耐久性设计和既有混凝土结构的耐久性评估。但既有研究主要针对单重或双重环境作用，对多重复杂环境耦合作用下的耐久性研究还比较缺乏，数据系统不够完善，并且试验多集中在材料领域，对混凝土桥梁的构件和结构原位试验较少，而且大多数研究以实心截面梁(矩形、梯形等)为主，针对混凝土箱梁桥耐久性的研究较少。箱梁作为空间薄壁结构的特殊截面构造形式，受物理损伤和化学侵蚀的特征常表现出多维性和多向性，采用传统的以实心构件或结构建立的理论模型和分析方法则无法考虑箱梁特殊的构造形式对侵蚀劣化的影响。因此，如何考虑在箱梁截面大尺寸、截面外壁和内腔存在环境差异的情况下，建立混凝土箱梁碳化和受氯离子侵蚀的预测方法，是非常必要的。
1.3.2 环境与荷载耦合作用下混凝土耐久性研究现状
虽然CO2和氯化物进入混凝土通常由吸收和扩散机制控制，但外部荷载可以通过改变混凝土的微观结构来影响这个过程[62]。混凝土结构往往是在荷载因素、环境因素和材料因素的双重和多重耦合作用下服役的，损伤因素之间的正负效应叠加和交互作用将加速混凝土结构的损伤[36]。国内外学者对荷载对碳化或(及)氯离子侵蚀进行了大量的研究[34，48，63]。金南国等[64]通过39根受弯小梁试件的研究，表明随着荷载水平的增加，碳化和氯盐传输深度显著增大，随着循环次数的增加，荷载作用对碳化和氯盐传输的影响更加明显。Lei等[65]试验研究表明，外部荷载可以改变混凝土内部的孔隙结构特性和拉伸应力的变化分布，有利于氯离子渗透。蔡传国[66]、刑锋[37]研究表明，承受交变荷载的混凝土桥梁结构的复杂应力状态引起的碳化和氯离子侵蚀将更加严重。总之，既有研究表明，CO2和氯离子在混凝土中的渗透具有结构敏感性[37]，而混凝土结构受弯产生的弯*拉应力会加速碳化和氯离子对结构的损伤[36]。
对混凝土箱梁而言，其服役中以自重和使用活载(汽车、火车)下的弯*受力为主。箱梁的薄壁结构效应、纵向弯*的剪力滞效应和横向弯*的框架效应，在各板内产生了沿厚度和宽度方向非均匀分布的应力[67]，混凝土箱梁截面非均匀分布的应力状态与碳化及氯离子侵蚀耦合作用机理必然与普通实心截面梁不同，这将给采用既有研究理论进行混凝土箱梁的耐久性分析、设计和评价带来新的挑战。
1.4 混凝土桥梁耐久性寿命预测与提升技术研究进展
在桥梁的全寿命周期内，随着运营时间的推移，由于材料性能退化、环境侵蚀、交通量增长等问题，许多在役混凝土桥梁都出现了性能下降、服役寿命不足的问题。一方面，社会经济发展与进步对桥梁承载力的需求有所提高，许多既有混凝土桥梁由于建设时技术条件的制约已经不能满足当下桥梁承载力的要求。另一方面，许多在役桥梁在运营过程中因为发生碳化和受氯离子侵蚀等环境影响作用，其结构开始出现老化，进而导致钢筋腐蚀、混凝土风化等，降低了其使用寿命。同时，随着交通量的增加、超载现象的普遍，以及对桥梁的管养不到位，桥梁结构的耐久性、安全性和适用性受到影响，结构老化速度加快，
展开
