陳 陽，潘驍宇，李 尚，謝 旭

(1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院， 杭州 310015； 2.浙江交通職業(yè)技術學院 路橋?qū)W院， 杭州 311112；3.浙江大學 土木工程系， 杭州 310058)

?

橋梁水下混凝土結構狀態(tài)評價研究

陳 陽1，潘驍宇2，李 尚1，謝 旭3

(1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院， 杭州 310015； 2.浙江交通職業(yè)技術學院 路橋?qū)W院， 杭州 311112；3.浙江大學 土木工程系， 杭州 310058)

橋梁水下結構是橋梁的重要承重構件，其結構狀態(tài)可分為耐久性狀態(tài)和安全性狀態(tài)2類。分析水下混凝土結構材料性能退化模式和病害特征，提出結構狀態(tài)主要評價因子，并基于層次分析法建立結構狀態(tài)評價模型。以一座實際橋梁的水下結構為例，對該模型的評價結果予以驗證。驗證結果表明，該模型的評價結果可較好地反映水下結構的真實狀態(tài)，具有實際應用價值。

水下；混凝土結構；檢測參數(shù)；耐久性；安全性

橋梁水下結構指跨越江河、海域橋梁的下部結構。水下結構所處的區(qū)域包括水下區(qū)及干濕交替區(qū)。橋梁水下結構在復雜的環(huán)境中服役，起傳遞荷載的作用，是橋梁的重要承重構件。

目前，橋梁結構狀態(tài)的評價主要依據(jù)JTG/T H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》、JTG H11—2004《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》及CJJ 99—2003《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》等。這些標準將橋梁分為橋面系、上部結構、下部結構3個子系統(tǒng)，對其分別進行評價后，用加權平均方法來確定整座橋梁的技術狀況、等級。但是，上述標準對橋梁水下結構的檢測內(nèi)容、評價方法均缺乏明確規(guī)定，甚至沒有涉及。實際工程中，水下結構的檢測評估往往只能依據(jù)技術人員的主觀判斷，從而常常導致其得不到重視，隨意性大。

另一方面，隨著混凝土結構的安全事故及早期失效案例頻繁發(fā)生，國內(nèi)外學者對混凝土材料的退化規(guī)律和機理進行了大量研究[1-3]，對各類環(huán)境中結構耐久性的評估方法也基本形成，相關研究成果在現(xiàn)行技術規(guī)范中也得到了反映。如JTJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》和GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》等標準全面規(guī)定了材料性能退化的形式、檢測方法以及評價其影響的方法。這些標準為規(guī)范水下混凝土結構的耐久性評估奠定了基礎。

水下混凝土結構由于受到復雜環(huán)境的影響，材料性能退化及結構病害形式相對較為復雜，且混凝土材料自身的性能退化及結構病害的程度、外界影響因素的評價等也具有不確定性的特點。為了解決這種因果關系復雜、相關指標模糊的綜合系統(tǒng)評估問題，近年來基于模糊邏輯的方法逐漸受到國內(nèi)外學者的重視[4～6]。該方法通過層次分析法建立結構狀態(tài)、環(huán)境作用、病害發(fā)展之間的因果關系，并通過隸屬函數(shù)確定評估構件對各模糊參數(shù)的隸屬相關度，最終確定結構的狀態(tài)，從而減少了主觀判斷對結構評價結果的影響。

本文基于上述背景，以建立水下混凝土結構狀態(tài)評估體系為目的，通過材料退化及典型病害的調(diào)查，分析不同病害的形成機理、發(fā)展過程及病害對橋梁安全性及耐久性的影響。另外，基于層次分析法建立結構狀態(tài)評估模型，利用現(xiàn)行混凝土結構的檢測、評估及設計規(guī)范的要求建立相關檢測參數(shù)的檢測及分級方法，且提出橋梁水下混凝土結構的狀態(tài)評估模型，并用工程實例予以驗證。

1 橋梁水下混凝土結構病害分析

影響水下混凝土結構性能退化的因素分為材料性能退化和結構病害2方面。本文就水下混凝土結構服役水環(huán)境對上述2方面的影響進行闡述。

1.1 水下混凝土材料性能退化

混凝土屬于多孔、非均質(zhì)堿性材料。水對這種材料的影響一方面起到避免混凝土碳化和干縮開裂的有利作用；另一方面，結構在水的物理作用和化學侵蝕下性能會產(chǎn)生退化。根據(jù)大量橋梁水下混凝土檢測結果及材料特性，混凝土材料性能退化主要有以下幾種形式：

1) 溶蝕。當外界軟水滲入混凝土內(nèi)部時，導致能溶于水的物質(zhì)CH(Ca(OH)2)中的鈣不斷由內(nèi)向外擴散且被溶解。隨后，CSH凝膠以相同機理進行分解遷移[7]。溶蝕引起表面混凝土強度及密實度下降，影響結構的承載能力和對鋼筋的保護作用。干濕交替部位的混凝土溶蝕病害如圖1所示。

2) 磨損和沖蝕。水下結構由于長期受到水流(特別是高速水流)的沖刷、侵蝕，結構發(fā)生沖蝕損傷，形成沖坑和掏洞，造成骨料、鋼筋裸露，從而影響結構的耐久性和安全性。混凝土的磨損和沖蝕病害如圖2所示。

圖1 干濕交替部位混凝土溶蝕

圖2 混凝土磨損、沖蝕

3) 凍融破壞。寒冷地區(qū)夜間結冰，而日間太陽照射下冰水溶化，反復結冰和溶化過程引起混凝土疏松開裂，導致水分滲透到混凝土內(nèi)部。水結成冰時會導致體積膨脹，從而進一步擴大裂縫范圍。在水面干濕交替區(qū)域，當混凝土表面不夠密實時，容易發(fā)生凍融病害[8]。凍融導致表面混凝土的密實性及力學性能下降?；炷恋膬鋈谄茐娜鐖D3所示。

圖3 凍融破壞

4) 氯離子侵蝕。沿?；蚪；炷翗蛄河捎诃h(huán)境中氯離子濃度高，氯離子侵蝕到混凝土內(nèi)部不但會破壞鋼筋的堿保護膜，同時還會使鋼筋產(chǎn)生電位差，致使銹蝕電流產(chǎn)生，加速鋼筋的腐蝕速度。鋼筋銹蝕不但會削弱鋼筋的有效截面積并降低其力學性能，同時還會致使鋼筋與混凝土的粘結性能降低且保護層開裂。

5) 化學侵蝕。海水、地下水的硫酸鹽可導致混凝土硫酸鹽侵蝕。硫酸鹽侵入混凝土內(nèi)部后，其會與混凝土內(nèi)氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、硫鋁酸鈣等水泥水化物和未水化的鋁酸三鈣發(fā)生化學反應，形成膨脹性的石膏和鈣釩石。石膏、鈣礬石體積將分別膨脹1.2倍和2.5倍，導致硬化混凝土開裂破壞，從而加速滲透。同時，石膏的形成還會導致混凝土剛度、強度降低、表面軟化[9]。此外，CO2、鹽酸、硫酸、硝酸等無機酸、有機酸滲入混凝土內(nèi)也會發(fā)生化學侵蝕。硫酸鹽的侵蝕病害如圖4所示。

圖4 硫酸鹽侵蝕病害

6) 堿骨料反應。堿骨料反應是混凝土細孔溶液中氫氧化物(KOH、NaOH)和骨料中的堿活性礦物質(zhì)之間發(fā)生的化學反應，生成的化學物(堿、SiO2)吸水發(fā)生膨脹，從而導致混凝土開裂，結構性能下降。堿骨料反應病害如圖5所示。

圖5 堿骨料反應病害

7) 混凝土碳化。大氣中CO2與水泥水化物之間發(fā)生化學反應，引起保護層混凝土的pH值下降，破壞鋼筋的堿性保護膜。

8) 鋼筋銹蝕。當氯離子滲入到混凝土結構內(nèi)部，會使混凝土保護層碳化、開裂、失效或者鋼筋直接外露。鋼筋與水分和氧氣直接接觸而產(chǎn)生銹蝕。鋼筋銹蝕不但會削弱鋼筋的有效面積，降低鋼筋強度和與混凝土之間的粘結性能，而且還對結構承載能力和耐久性有非常大的影響。鋼筋銹蝕病害如圖6所示。

圖6 鋼筋銹蝕

1.2 水下混凝土結構病害

水下混凝土結構的病害形式與橋梁其他部位的病害既有相同之處，也有其特殊性。下面根據(jù)病害類型分析水下混凝土結構的主要病害形式及其對結構的影響(不包含船撞等結構意外損傷)。

1) 混凝土開裂。開裂是混凝土結構的典型病害，也是導致鋼筋銹蝕、材料抗?jié)B性下降、結構變形和影響結構外觀等的主要原因之一?；炷灵_裂病害如圖7所示。

圖7 混凝土開裂

混凝土開裂通常是多種原因引起的綜合結果，故判定其成因時需考慮橋梁使用環(huán)境，及裂縫分布形式、發(fā)展規(guī)律，并結合材料特性和結構受力狀態(tài)來推斷裂縫的成因。根據(jù)裂縫產(chǎn)生原因，可將其分為非結構性裂縫和結構性裂縫(受力裂縫)2大類。

2) 混凝土表面缺陷。層離、剝落、污染、水生動植物腐蝕等混凝土表面缺陷是水下結構最常見的病害。雖然沖蝕、溶蝕一般也集中在混凝土表面，屬于表面缺陷的一種，但分布特征及發(fā)展過程與上述缺陷有所差異，本文不歸為同一類來考慮。鋼筋銹脹引起的層裂如圖8所示。

圖8 混凝土層離病害

3) 基礎沖刷?；A沖刷是水下結構物的重要病害形式。橋墩及基礎影響原水流的方向，導致水流在基礎周圍迅速改變，帶走基礎下面及基礎周圍的土，引起沖刷病害。沖刷會改變結構的受力狀態(tài)，對橋梁的使用安全有顯著影響。橋墩基礎沖刷如圖9所示[10]。

圖9 橋墩沖刷病害

沖刷形態(tài)分為一般沖刷與局部沖刷2種[11-12]。一般沖刷通常由河道輸沙不平衡或泥沙超限開挖所致，局部沖刷主要由建造水工結構物所致。橋梁結構的基礎沖刷屬于局部沖刷。

4) 結構變形。混凝土結構變形包括長期變形和短期變形2種。長期變形是由外部條件緩慢變化和收縮、徐變等混凝土固有性質(zhì)所致。外部條件緩慢變化包含地基下沉、地基變形引起的永久性殘余變形等情況。而短期變形是外力作用下產(chǎn)生的塑性變形，如結構在交通荷載、地震荷載、船撞等外力作用下發(fā)生的塑性變形。結構下沉、傾斜等變形影響構件的受力狀態(tài)，當變形過大時，直接影響橋梁的使用安全。

2 橋梁水下混凝土結構狀態(tài)評估系統(tǒng)

通常，結構狀態(tài)評估方法有層次分析法(AHP法)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法、模糊綜合評定法等，這些方法各有特點。本文采用AHP法來評價橋梁水下混凝土結構狀態(tài)。該方法是分析復雜系統(tǒng)結構狀態(tài)的一種有效方法[13]。AHP法將定量分析與定性分析相結合，根據(jù)問題的性質(zhì)和分析目標，將整體分解為不同的組成因素，并根據(jù)因素間的關聯(lián)影響以及隸屬關系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結構模型對目標問題進行評定。

AHP法的應用需要以下步驟：建立層次分析模型、構造出各層次中的判斷矩陣、層次排序及其一致性檢驗等。

2.1 水下混凝土結構層次分析模型

水下混凝土結構的評估方式包括耐久性評估及安全性評估2方面。其中耐久性評估注重材料性能的劣化速度，而安全性評估則注重當前的結構病害程度。雖然兩者側(cè)重點不同，但并不獨立，其評價指標互相重疊。

AHP法通常把結構劃分為幾個部件，先根據(jù)部件的病害狀況進行狀態(tài)評估，然后再加權累計并獲得結構整體的評價結果。盡管水下混凝土結構組成單一，但其耐久性及安全性受到多種因素的影響，包括環(huán)境條件、材料特性及病害狀況等。本文根據(jù)前述病害分析及結構服役環(huán)境，提出層析分析模型，如圖10所示。圖10中，Ai為各層級的判斷矩陣；第1層分為環(huán)境條件、材料性能及結構病害，本文把鋼筋銹蝕作為材料性能來考慮；第2層中，環(huán)境條件分為水環(huán)境和大氣環(huán)境，材料性能退化分成鋼筋和混凝土，結構病害分為表面病害、開裂、變形等4類；第3層分為抵抗能力和退化現(xiàn)狀，其中對于不可再分為抗力及退化的參數(shù)直接作為底層的參數(shù)；第4層為底層參數(shù)。

圖10 水下混凝土結構層次分析模型

層次分析法中，底層參數(shù)均可通過外觀檢查或特殊檢測等方式獲得。本文參照JTJ/T J21—2011《公路橋梁承載能力評定規(guī)程》、GB/T 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》等相關規(guī)定來評價底層實測結果的指標參數(shù)。通過將底層權重和病害程度相組合來確定上一層指標，依次遞增，最終可獲得水下混凝土結構整體狀況的評價結果。

2.2 構造判斷矩陣(確定權重)

AHP法通過構造各層次判斷矩陣來確定參數(shù)的權重值。判斷矩陣的形式如式(1)所示。

(1)

式中：A為正互反陣；n為指標個數(shù)；aij為指標間兩兩比較的重要性標度，用表1所示的1～9標度(或其倒數(shù))給出[14]。A是一致性正互反矩陣，須滿足式(2)的一致性條件。

(2)

本文構造矩陣中，各因素間兩兩比較的重要性標度由專家經(jīng)驗得到，即把專家經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為參數(shù)權重值。根據(jù)各層參數(shù)的權重值，可計算參數(shù)總排序權重值。因矩陣繁多，本文僅給出總排序權重值。

2.3 層次排序及一致性檢驗

層次排序包含層次單排序及層次總排序。層次單排序是對于上一層次某因素而言，本層次各因素的重要性排序；層次總排序是對于目標層而言，底層各因素的重要性排序。層次排序?qū)嶋H是求解判斷矩陣最大特征根對應的特征向量的過程。對于一致性判斷矩陣A而言，A的最大特征根λ=n，其余n-1個特征根均等于0。當人為構造的判斷矩陣偏離式(2)的一致性條件時，Saaty等人[17]建議用其最大特征根對應的歸一化特征向量作為權向量w，則

Aw=λmaxw

(3)

λmax比n大得越多，則A的不一致性就越嚴重，引起的判斷誤差也就越大，故需對一致性進行檢驗。Satty[14]提出如式(4)所示的一致性指標CI。對于不同階數(shù)的判斷矩陣而言，則需區(qū)別對待一致性要求，且需引入平均隨機一致性指標RI，見表2。當階數(shù)大于2時，兩者的比值稱為一致性比率CR，其計算公式見式(5)。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(4)

CR=CI/RI

(5)

Vargas[15]認為當CR小于0.1時，不一致程度可以接受。本文基于專家經(jīng)驗構造的判斷矩陣，在通過一致性檢驗后，計算得到層次單排序權重值wi及層次總排序權重值w0。其中，層次總排序權重值如表3、表4所示。

表2 平均隨機一致性指標

表3 耐久性評估系統(tǒng)的總排序權重

表4 安全性評估系統(tǒng)的總排序權重

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及相關試驗研究成果，本文將所有檢測參數(shù)均按最優(yōu)隸屬度區(qū)間劃分為1～5級，各參數(shù)檢測結果依此法評級后，均用于橋梁水下混凝土結構的狀態(tài)評價。根據(jù)評價結果中數(shù)據(jù)所在范圍，把最終獲得的水下混凝土結構評定結果分為如下5類。

1類：狀態(tài)評估結果在[1,1.5)，結構處于完好狀態(tài)。

2類：狀態(tài)評估結果在[1.5,2.5)，結構處于需要適當加強養(yǎng)護的良好狀態(tài)。

3類：狀態(tài)評估結果在[2.5,3.5)，結構處于應小修的一般狀態(tài)。

4類：狀態(tài)評估結果在[3.5,4.5)，結構處于需要中修的病害狀態(tài)。

5類：狀態(tài)評估結果在[4.5,5]，結構處于需要大修的危險狀態(tài)。

根據(jù)病害類型的危害性，本文提出單項控制指標，即當出現(xiàn)以下情況時，水下混凝土結構整體評估結果直接定為5類。

1) 耐久性評定：鋼筋銹蝕程度(鋼筋截面損失率)、保護層厚度、裂縫參數(shù)中只要有1項達到5類，則水下混凝土結構整體評定為5類。

2) 安全性評定：基礎沖刷、結構變形(傾斜、不均勻沉降)、表面缺陷中只要有1項達到5類，則水下混凝土結構整體評定為5類。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

龍興殿大橋位于龍麗高速公路龍游新建段。該橋中心樁號為K38+034，全長781.4 m，跨徑布置為7×20 m+5×25 m+5×25 m+5×25 m+(36 m+65 m+36 m)+5×25 m。該橋分左右2幅，雙幅等寬，橋面全寬25.50 m，單幅橋面凈寬11.5 m。該橋水下混凝土結構為橋墩樁柱及鉆孔樁基礎，其中立柱采用C30混凝土，樁基采用C25混凝土。

該橋位于水庫上游山區(qū)，水環(huán)境及大氣環(huán)境均處于良好狀態(tài)。但由于山區(qū)季節(jié)性雨水及水庫蓄放水對水位及流速的影響，導致該橋水下混凝土結構出現(xiàn)了典型沖刷病害。對該橋左、右幅21～24號墩共計36根樁進行了水下樁基檢測。檢測內(nèi)容及評定標度見表5，病害如圖11所示。

表5 檢測指標輸入值

注：L為橋梁跨徑。

圖11 龍興殿大橋病害

3.2 結果分析

根據(jù)檢測結果，按本文層次分析模型對龍興殿大橋進行結構狀態(tài)評價，評價結果如表6所示。

表6 龍興殿大橋評估結果

從表5可知，在影響結構耐久性的重要指標中，鋼筋銹蝕程度(鋼筋截面損失率、鋼筋銹蝕電位)標度為3；在影響結構安全性的重要指標中，基礎沖刷、表面缺陷、結構變形標度為3。從表6可知，結構耐久性評定結果為1.69，安全性評定結果為2.28，因此，該橋水下混凝土結構的耐久性和安全性狀況均為2類，表明其處于良好狀態(tài)。這些評價結果與橋梁的實際情況也比較吻合。

綜上所述，本文的評估模型既全面考慮了各個檢測參數(shù)的影響，又合理地反映了各個檢測參數(shù)在耐久性及安全性評估中的不同重要性程度，使橋梁水下混凝土結構的狀態(tài)評估更具科學性和合理性。

4 結束語

本文系統(tǒng)歸納了橋梁水下混凝土結構的材料性能退化及病害類型，應用層次分析法建立了橋梁水下混凝土結構耐久性和安全性的評估模型，并通過專家經(jīng)驗構造了層次分析法判斷矩陣，其可合理地計算各個檢測參數(shù)的權重。另外，采用評估模型對實際橋梁水下混凝土結構進行了評估，結果表明，評估模型的權值合理，其耐久性及安全性評估結果與橋梁實際情況吻合。

[1] 李 熹.水下攝像技術在既有結構基樁檢測中的應用[J].中國水運(下半月)，2011，11(2)：16-18.

[2] 黃 沛，王 宇，朱德華.水下電視探測技術在工程樁完整性檢測中的應用[J].中國港灣建設，2006(4)：24-29.

[3] 秦偉航.水中樁基礎病害檢查方法[J].交通科技與經(jīng)濟，2012，14(2)：20-22.

[4] 范 云.損傷橋墩承載力數(shù)值模擬分析[D].大連：大連海事大學，2008.

[5] 王鈞利.海水中鋼筋混凝土橋墩承載力分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2009，33(4)：707-710.

[6] 魏宗彬.沿海橋梁樁基檢測及其病害分析[J].中國市政工程，2009(1)：76-77.

[7] 陳胡星，葉 青，沈錦林，等.鈣礬石的長期穩(wěn)定性[J].材料科學與工程，2001，19(2)：69-71.

[8] 張 峰.海水凍融與侵蝕耦合作用下橋梁下部結構耐久性評估[D].濟南：山東大學，2009.

[9] 劉 建.天津沿海地區(qū)橋梁混凝土耐久性技術研究[D].天津：天津大學，2009.

[10]韓海騫.潮流作用下橋墩局部沖刷研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[11]康家濤.沖刷對橋墩安全性的影響研究[D].長沙：中南大學，2008.

[12]沈 周.鐵路橋梁擴展基礎沖刷探測與穩(wěn)定性分析[D].長沙：中南大學，2006.

[13]許樹伯. 層次分析法[M].天津：天津大學出版社，1987.

[14]SAATY T L. The analytic hierarchy process [M]. New York：McGraw Hill，1980.

[15]VARGAS L G. Recip rocal matrices with random coefficients [J]. MathematicalModelling， 1982，3(1)：69-81.

Study on Evaluation of the Status of Underwater Concrete Structure of Bridges

CHEN Yang1, PAN Xiaoyu2, LI Shang1, XIE Xu3

Underwater structure of bridge is the substantial bearing member of bridge and its structural status includes durability status and safety status. This paper analyzes the performance degradation model and disease features of underwater concrete structural material, and suggests major evaluation factors for structure status, and sets up structure status evaluation model based on analysis hierarchy process. An underwater structure of a real bridge is used to verify the evaluation result of this model. The verification result shows the evaluation result of the models may well demonstrate the true status of underwater structure, and it has practical application value.

Underwater; concrete structure; test parameters; durability; safety

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.019

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2012H11)

2016-06-14

陳 陽(1985-)，男，浙江省杭州市人，本科，工程師。

1009-6477(2016)05-0079-07

U443.2

A