桥梁水下结构病害分级评定标准研究

陈 亮

(浙江省交通科学研究院，杭州 310006)

桥梁水下结构病害分级评定标准研究

陈 亮

(浙江省交通科学研究院，杭州 310006)

针对目前国内桥梁水下结构安全性评定中存在的一些问题，在分析桥梁水下结构病害成因的基础上，将桥梁水下结构病害分为基础冲刷病害、基础变形病害、混凝土表面病害及其他病害四类；结合实际桥梁水下结构评定工作中的检测数据，综合考虑了《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)中的评定指标，得出了评定指标各标度的评定标准，研究结果对现有的桥梁结构评估体系提供了有益补充并为后续的桥梁结构安全性评估奠定了基础。

桥梁水下结构；安全性评定；结构病害；评定标准；基础冲刷

0 引 言

近年来，随着我国交通事业的不断发展，各类车辆等级也有很大的提高，大量低等级公路被改建扩建。在台风、洪水、冰冻等自然灾害或者重车超载等外因侵蚀下，有些桥梁已出现不同程度的损伤，导致承载能力大大降低，甚至发生突然垮塌事故。例如2010年8月19日的暴雨中，浙江安县先林大桥、崇州怀远老定江大桥、华阳通济古桥和宝成铁路广汉石亭江铁路大桥四座大桥相续垮塌，造成了严重的人员和财产损失。这类桥梁垮塌原因主要是洪水对桥梁水下结构的冲刷，致使水下基础被部分掏空，桥墩倾斜破坏，进而引起上部结构的整体垮塌[1-2]。

为了防止此类事故的发生，可通过桥梁检测对此类桥梁的安全性作出准确评估，给桥梁管理养护部门提供正确参考。然而桥梁基础多位于水下，具有一定的隐蔽性，一般的病害在桥梁检查中难以发现，目前国内规范对于桥梁水下结构的检测内容及病害分类标准也未作相应规定[3]。针对目前国内对桥梁水下结构检测及评估工作存在的问题，本文结合实际桥梁水下结构检测工作，分析了水下结构病害及成因，提出了适用于工程实际的桥梁水下结构病害分级评定标准。

1 现行的安全性评定标准及规范

目前我国现行的涉及桥梁结构安全性评定标准的规范及标准有《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)(以下简称《养护规范》)[4]、《公路桥梁承载力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)(以下简称《评定规程》)[5]以及《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)(以下简称《评定标准》)[6]。

1.1 《养护规范》

《养护规范》中对于全桥总体技术状况等级评定，采用了考虑桥梁各部件权重的综合评定方法。将桥梁技术状况等级分为一类、二类、三类、四类、五类。并给出了相应的养护措施：一类桥梁进行正常保养；二类桥梁需进行小修；三类桥梁需进行中修，酌情进行交通管制；四类桥梁需进行大修或改造，及时进行交通管制，如限载、限速通过，当缺损较严重时应关闭交通；五类桥梁需进行改建或重建，及时关闭交通。对于桥梁水下结构检测的相关规定仅在桥梁检查中条3.2.4第9款(基础是否受到冲刷损坏、外露、悬空、下沉，墩台及基础是否受到生物腐蚀)和条3.3.11第6款(基础下是否发生不许可的冲刷或掏空现象，扩大基础的地基有无侵蚀。桩基顶段在水位涨落、干湿交替变化处有无冲刷磨损、颈缩、露筋，有无环状冻裂，是否受到污水、咸水或生物的腐蚀。必要时对大桥、特大桥的深水基础应派潜水员潜水检查)有部分涉及，但并无详细的评定标准，无法对桥梁水下结构的安全性进行量化评定。

1.2 《评定规程》

《评定规程》用承载能力检验系数Z1表示构件表观损伤状况、材质强度和桥梁结构固有模态等对结构承载能力的影响；用承载能力恶化系数ξe表示鉴定期内结构质量状况进一步恶化(表观缺损、钢筋锈蚀、混凝土碳化等)产生的不利影响；用截面折减系数ξc、ξs表示材料风化、碳化、物理与化学损伤(混凝土剥落、疏松、掉棱、缺角、桩基与墩柱由于冲蚀引起的剥落颈缩等)引起的结构构件有效截面损失，以及钢筋腐蚀剥落造成的钢筋有效面积损失对构件截面抗力效应的影响。该方法将桥梁的缺损劣化状况及运营荷载状况等对承载能力的不利影响通过一系列的影响系数体现出来，比《公路旧桥承载能力鉴定方法》(试行)考虑的影响因素全面。但是该规程是在《养护规范》基础上规定了桥梁结构(构件)的承载能力评定方法，对于桥梁水下结构的承载力评定并未作出规定。

1.3 《评定标准》

《评定标准》按照不同桥型进行桥梁评定分类，并细化不同桥型的部件分类；根据不同桥型的构件类型指定了评定细则，将评定指标进行细分并提出了量化标准；在《养护规范》5类桥梁技术状况评定的基础上，提出了单项控制指标，改进了原有的桥梁技术状况的评定模型。该评定标准中在条9.3.2中对于基础(包括水下基础)评定指标及分级评定标准作出了规定。但该标准中对基础的检测指标主要侧重于冲刷、掏空、损坏、基础沉降、滑移、倾斜和开裂等影响结构安全的方面，基础各评定指标的评定标准并未区分水上基础和水下基础，未针对桥梁水下基础的工作状态和特点作出相应的规定。

从上述现行的规范、标准可以看出，目前对于桥梁水下结构检测的内容及方法均未作详细规定，缺乏适合于桥梁水下结构专门的安全评估体系。而对桥梁结构安全性作出准确评估的前提条件就是首先应确定桥梁水下结构病害的分级评定标准。

2 桥梁水下结构病害分类

桥梁水下结构的损害是由设计、施工、运营管理及自然环境等诸多原因造成的，其主要的损坏形式有基础冲刷病害、基础变形病害、混凝土表面病害及其他病害。

2.1 基础冲刷病害

处于水流中的桥梁基础周围流场主要包括桥墩前涌波、桥墩迎水面的下降水流、两侧扰流在床面附近形成的马蹄形漩涡、桥墩两侧形成的尾流漩涡及桥墩后的漩涡。每个漩涡都形成了一个低气压中心，使漩涡区床面静止的泥沙发生阵发性随机运动状态，当水流流速达到泥沙的起动流速时，泥沙就开始起动并向下游移动，导致基础冲刷病害[7]。

桥梁常采用的基础分为扩大基础及桩基础。采用扩大基础结构的桥梁，基础持力层一旦受到水流冲刷掏空，对于桥梁结构安全性影响非常大。桩基础分嵌岩桩和摩擦桩，冲刷对嵌岩桩承载力影响不大。采用摩擦桩基础的桥梁，桩基础受到局部冲刷将使得原有摩擦桩有效桩长变短，降低了原有桩基础的承载力。

典型的扩大基础冲刷病害示意见图1。其中H表示冲刷深度，L表示冲刷长度。

2.2 基础变形病害

桥梁水下基础底面河床在发生持续冲刷、淘空作用下，基础持力层发生了改变，将导致基础的倾斜、滑移或沉降，一旦桥梁基础发生了变形，对于连续梁、连续刚构桥、拱桥这一类超静定结构，即使少量的基础变形仍会对桥梁整体受力产生很大不利影响，严重影响桥梁结构整体的安全性；此外，在巨大偶发性外力荷载的作用下，例如船舶撞击桥梁下部结构，质量较大的浮冰或者漂流物撞击桥墩或者基础，都可能产生基础变形病害。

图1 扩大基础冲刷示意

2.3 混凝土表面病害

桥梁下部构件绝大多数都是由混凝土结构浇筑而成，常见的水下混凝土结构表面病害有以下几类：

(1)干湿交替处混凝土表面麻面、骨料外露和疏松脱壳等病害。主要因高速水流冲刷、淘刷、磨损和气蚀作用形成，常发生在河流急弯、结构物断面突变及不平整部位。。

(2)混凝土表面的空洞、露筋、缩径、扩径等病害。往往是因施工原因所致，因历史施工条件限制，部分老桥下部结构施工质量较难控制。随着上游在桥梁建设完后新建水电站等引起了水文重大变化，导致河床变迁或降低，使得原来埋在河床以下的基础及基础病害暴露出来，对结构安全性和耐久性影响较大。

(3)混凝土表面成块破损、刮擦等病害，甚至导致构件倾斜。病害原因是由机械、船舶、漂流物或其它坚硬物体的撞击所造成的。病害常见部位为桥墩、承台或者基础等部位。

(4)水下混凝土结构物的表层裂缝对结构构件的损坏更为严重。特别是近海或沿海地区桥梁的水下钢筋混凝土容易受到海水的侵蚀而破坏,这也使海洋环境中的建筑物腐蚀程度大于陆上建筑物。

(5)近海或者沿海水下混凝土表面容易滋生众多海生物，由此产生的外来负载和海生物对于混凝土腐蚀对于结构安全性都有一定的不利影响。

(6)冻融、风化剥蚀使混凝土表面疏松脱壳或成块脱落。主要成因是严寒地区的冰冻及干湿交替的循环作用及侵蚀性水的化学作用。常发生在水位变化及水经常接触的部位。

沿海、近海的水下混凝土结构产生腐蚀的机理如图2所示：

图2 海洋环境混凝土腐蚀机理示意

2.4 其他病害

设计时基础结构形式、尺寸选取不合理，以及未按要求设置结构调治物，这些对于桥梁整体结构的安全性均会产生不利影响；此外，由于水下基础施工质量较难控制，导致施工时立柱与桩基错位，也会影响到结构受力。

3 桥梁水下结构病害分级评定标准

根据桥梁水下结构常见病害类别及其产生原因，同时考虑到能与现有的《评定标准》及《养护规范》相互衔接。将桥梁水下结构各检测指标的病害分级标准定为良好、较好、较差、差和危险五种状态，对应的评定标度分别为1、2、3、4、5。

3.1 基础冲刷病害

基础冲刷病害的分级标准依据笔者参与检测评定的几十座桥梁水下结构检测结果，同时借鉴《评定标准》中的评定指标，考虑到采用不同的基础(扩大基础、摩擦桩基础、嵌岩桩)受冲刷时对于桥梁结构安全性影响的不同，按三种不同的基础类型将基础冲刷病害评定标准各分为5度，评定标准按照定性描述和定量描述，见表1～表3。

表1 扩大基础冲刷、掏空

表2 摩擦桩基础冲刷、掏空

表3 嵌岩桩冲刷、掏空

注：嵌岩桩冲刷对于桩基承载力影响很小，标度设为1、2两度。

3.2 基础变形病害

基础变形病害的分级标准依据笔者参与检测评定的几十座桥梁水下结构检测结果，借鉴《评定标准》中的评定指标，考虑到基础变形指标较难以量化反映，将基础变形病害评定标准分为5度，基础变形病害按定性描述见表4。

表4 基础沉降、滑移和倾斜

3.3 构件表面病害

《评定标准》中将桥梁基础构件的表面病害细分为混凝土剥落、露筋、冲蚀、裂缝等评定指标再分别确定其标度。笔者在实际桥梁结构安全性评定工作中发现，采用该评定方法有可能由于各构件表面病害的分项评定指标分别扣分后，造成整体结构评定扣分较多，而与实际桥梁结构安全性状态不符的情况。考虑到上述几种评定指标都属于构件表面病害，同时这几种评定指标对结构安全性影响基本相同，因此可将这几种评定指标归纳为构件表面病害来统一进行评定。由于某一标度存在多条评定标准细则，实际操作时按所有细则中最不利细则取用。采用该评定方法可更为准确的反应桥梁结构安全状态，同时也便于实际桥梁的安全性评定。构件表面病害评定标准见表5。

表5 构件表面病害

3.4 其他病害

其他病害的分级标准依据笔者参与检测评定的几十座桥梁水下结构检测结果，借鉴《评定标准》中的评定指标，将基础其他病害评定标准分为4度，其他病害评定标准按定性描述见表6：

表6 其他病害

4 结 语

本文针对目前桥梁水下结构评定规范存在的不足，在分析水下结构病害及其成因的基础上，提出了适用于工程实际的桥梁水下结构病害分级评定标准，对现有的桥梁结构评估体系提供了有益补充并为后续的桥梁结构安全性评估奠定了基础。

[1]姜海西,肖汝诚.沿海及跨海桥梁下部结构防腐与加固[J]．结构工程师,2008,24(4):125-131．

[2]陈斌.孙姜大桥水下桩基础病害检测与加固方案选择[J]．交通建设与管理,2009,(11):98-100．

[3]洪四雄,刘庆东,陈一超,等.港珠澳大桥水下结构物的多手段探测[J]．海洋测绘，2009,29(5): 71-73．

[4]JTG H11-2004，公路桥涵养护规范[S]．

[5]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S]．

[6]JTG/T H21-2011，公路桥梁技术状况评定标准[S]．

[7]张彦,李国平.海洋环境对桥梁下部结构的影响[J]．海岸工程，2006, 25(1): 35-40．

Research on Classified Evaluation Standard of Disease on Bridge Underwater Structure

CHEN Liang

(Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou 310006,China)

At present, many problems exist on safety evaluation of bridge underwater structure. In order to solve these problems, bridge underwater structure’s diseases are classified with foundation scouring, foundation deformation, concrete surface disease and other diseases after the analyses of the reasons. Combined with some practice data of bridge underwater structures evaluation and considering evaluation index of 《Standards for Technical condition Evaluation of Highway Bridges》(JTG/T H21-2011), the classified evaluation standard are obtained. The research results can improve the existing evaluation system and lay a good foundation on subsequent bridge structure’s safety evaluation.

bridge underwater structure;safety evaluation;structure disease;evaluation standard; foundation scouring

2014-06-24

浙江省交通运输厅科研计划项目(2012H41)

陈 亮(1980-)，男，浙江杭州人，工程师，硕士，E-mail：26019752@qq.com。

U446

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.003

1671-234X(2014)03-0010-06