桥梁水下混凝土结构状态评价研究

陈 阳，潘骁宇，李 尚，谢 旭

(1.浙江省交通规划设计研究院， 杭州 310015； 2.浙江交通职业技术学院 路桥学院， 杭州 311112；3.浙江大学 土木工程系， 杭州 310058)



桥梁水下混凝土结构状态评价研究

陈 阳1，潘骁宇2，李 尚1，谢 旭3

(1.浙江省交通规划设计研究院， 杭州 310015； 2.浙江交通职业技术学院 路桥学院， 杭州 311112；3.浙江大学 土木工程系， 杭州 310058)

桥梁水下结构是桥梁的重要承重构件，其结构状态可分为耐久性状态和安全性状态2类。分析水下混凝土结构材料性能退化模式和病害特征，提出结构状态主要评价因子，并基于层次分析法建立结构状态评价模型。以一座实际桥梁的水下结构为例，对该模型的评价结果予以验证。验证结果表明，该模型的评价结果可较好地反映水下结构的真实状态，具有实际应用价值。

水下；混凝土结构；检测参数；耐久性；安全性

桥梁水下结构指跨越江河、海域桥梁的下部结构。水下结构所处的区域包括水下区及干湿交替区。桥梁水下结构在复杂的环境中服役，起传递荷载的作用，是桥梁的重要承重构件。

目前，桥梁结构状态的评价主要依据JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》、JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》及CJJ 99—2003《城市桥梁养护技术规范》等。这些标准将桥梁分为桥面系、上部结构、下部结构3个子系统，对其分别进行评价后，用加权平均方法来确定整座桥梁的技术状况、等级。但是，上述标准对桥梁水下结构的检测内容、评价方法均缺乏明确规定，甚至没有涉及。实际工程中，水下结构的检测评估往往只能依据技术人员的主观判断，从而常常导致其得不到重视，随意性大。

另一方面，随着混凝土结构的安全事故及早期失效案例频繁发生，国内外学者对混凝土材料的退化规律和机理进行了大量研究[1-3]，对各类环境中结构耐久性的评估方法也基本形成，相关研究成果在现行技术规范中也得到了反映。如JTJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》和GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》等标准全面规定了材料性能退化的形式、检测方法以及评价其影响的方法。这些标准为规范水下混凝土结构的耐久性评估奠定了基础。

水下混凝土结构由于受到复杂环境的影响，材料性能退化及结构病害形式相对较为复杂，且混凝土材料自身的性能退化及结构病害的程度、外界影响因素的评价等也具有不确定性的特点。为了解决这种因果关系复杂、相关指标模糊的综合系统评估问题，近年来基于模糊逻辑的方法逐渐受到国内外学者的重视[4～6]。该方法通过层次分析法建立结构状态、环境作用、病害发展之间的因果关系，并通过隶属函数确定评估构件对各模糊参数的隶属相关度，最终确定结构的状态，从而减少了主观判断对结构评价结果的影响。

本文基于上述背景，以建立水下混凝土结构状态评估体系为目的，通过材料退化及典型病害的调查，分析不同病害的形成机理、发展过程及病害对桥梁安全性及耐久性的影响。另外，基于层次分析法建立结构状态评估模型，利用现行混凝土结构的检测、评估及设计规范的要求建立相关检测参数的检测及分级方法，且提出桥梁水下混凝土结构的状态评估模型，并用工程实例予以验证。

1 桥梁水下混凝土结构病害分析

影响水下混凝土结构性能退化的因素分为材料性能退化和结构病害2方面。本文就水下混凝土结构服役水环境对上述2方面的影响进行阐述。

1.1 水下混凝土材料性能退化

混凝土属于多孔、非均质碱性材料。水对这种材料的影响一方面起到避免混凝土碳化和干缩开裂的有利作用；另一方面，结构在水的物理作用和化学侵蚀下性能会产生退化。根据大量桥梁水下混凝土检测结果及材料特性，混凝土材料性能退化主要有以下几种形式：

1) 溶蚀。当外界软水渗入混凝土内部时，导致能溶于水的物质CH(Ca(OH)2)中的钙不断由内向外扩散且被溶解。随后，CSH凝胶以相同机理进行分解迁移[7]。溶蚀引起表面混凝土强度及密实度下降，影响结构的承载能力和对钢筋的保护作用。干湿交替部位的混凝土溶蚀病害如图1所示。

2) 磨损和冲蚀。水下结构由于长期受到水流(特别是高速水流)的冲刷、侵蚀，结构发生冲蚀损伤，形成冲坑和掏洞，造成骨料、钢筋裸露，从而影响结构的耐久性和安全性。混凝土的磨损和冲蚀病害如图2所示。

图1 干湿交替部位混凝土溶蚀

图2 混凝土磨损、冲蚀

3) 冻融破坏。寒冷地区夜间结冰，而日间太阳照射下冰水溶化，反复结冰和溶化过程引起混凝土疏松开裂，导致水分渗透到混凝土内部。水结成冰时会导致体积膨胀，从而进一步扩大裂缝范围。在水面干湿交替区域，当混凝土表面不够密实时，容易发生冻融病害[8]。冻融导致表面混凝土的密实性及力学性能下降。混凝土的冻融破坏如图3所示。

图3 冻融破坏

4) 氯离子侵蚀。沿海或近海混凝土桥梁由于环境中氯离子浓度高，氯离子侵蚀到混凝土内部不但会破坏钢筋的碱保护膜，同时还会使钢筋产生电位差，致使锈蚀电流产生，加速钢筋的腐蚀速度。钢筋锈蚀不但会削弱钢筋的有效截面积并降低其力学性能，同时还会致使钢筋与混凝土的粘结性能降低且保护层开裂。

5) 化学侵蚀。海水、地下水的硫酸盐可导致混凝土硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵入混凝土内部后，其会与混凝土内氢氧化钙、水化铝酸钙、硫铝酸钙等水泥水化物和未水化的铝酸三钙发生化学反应，形成膨胀性的石膏和钙钒石。石膏、钙矾石体积将分别膨胀1.2倍和2.5倍，导致硬化混凝土开裂破坏，从而加速渗透。同时，石膏的形成还会导致混凝土刚度、强度降低、表面软化[9]。此外，CO2、盐酸、硫酸、硝酸等无机酸、有机酸渗入混凝土内也会发生化学侵蚀。硫酸盐的侵蚀病害如图4所示。

图4 硫酸盐侵蚀病害

6) 碱骨料反应。碱骨料反应是混凝土细孔溶液中氢氧化物(KOH、NaOH)和骨料中的碱活性矿物质之间发生的化学反应，生成的化学物(碱、SiO2)吸水发生膨胀，从而导致混凝土开裂，结构性能下降。碱骨料反应病害如图5所示。

图5 碱骨料反应病害

7) 混凝土碳化。大气中CO2与水泥水化物之间发生化学反应，引起保护层混凝土的pH值下降，破坏钢筋的碱性保护膜。

8) 钢筋锈蚀。当氯离子渗入到混凝土结构内部，会使混凝土保护层碳化、开裂、失效或者钢筋直接外露。钢筋与水分和氧气直接接触而产生锈蚀。钢筋锈蚀不但会削弱钢筋的有效面积，降低钢筋强度和与混凝土之间的粘结性能，而且还对结构承载能力和耐久性有非常大的影响。钢筋锈蚀病害如图6所示。

图6 钢筋锈蚀

1.2 水下混凝土结构病害

水下混凝土结构的病害形式与桥梁其他部位的病害既有相同之处，也有其特殊性。下面根据病害类型分析水下混凝土结构的主要病害形式及其对结构的影响(不包含船撞等结构意外损伤)。

1) 混凝土开裂。开裂是混凝土结构的典型病害，也是导致钢筋锈蚀、材料抗渗性下降、结构变形和影响结构外观等的主要原因之一。混凝土开裂病害如图7所示。

图7 混凝土开裂

混凝土开裂通常是多种原因引起的综合结果，故判定其成因时需考虑桥梁使用环境，及裂缝分布形式、发展规律，并结合材料特性和结构受力状态来推断裂缝的成因。根据裂缝产生原因，可将其分为非结构性裂缝和结构性裂缝(受力裂缝)2大类。

2) 混凝土表面缺陷。层离、剥落、污染、水生动植物腐蚀等混凝土表面缺陷是水下结构最常见的病害。虽然冲蚀、溶蚀一般也集中在混凝土表面，属于表面缺陷的一种，但分布特征及发展过程与上述缺陷有所差异，本文不归为同一类来考虑。钢筋锈胀引起的层裂如图8所示。

图8 混凝土层离病害

3) 基础冲刷。基础冲刷是水下结构物的重要病害形式。桥墩及基础影响原水流的方向，导致水流在基础周围迅速改变，带走基础下面及基础周围的土，引起冲刷病害。冲刷会改变结构的受力状态，对桥梁的使用安全有显著影响。桥墩基础冲刷如图9所示[10]。

图9 桥墩冲刷病害

冲刷形态分为一般冲刷与局部冲刷2种[11-12]。一般冲刷通常由河道输沙不平衡或泥沙超限开挖所致，局部冲刷主要由建造水工结构物所致。桥梁结构的基础冲刷属于局部冲刷。

4) 结构变形。混凝土结构变形包括长期变形和短期变形2种。长期变形是由外部条件缓慢变化和收缩、徐变等混凝土固有性质所致。外部条件缓慢变化包含地基下沉、地基变形引起的永久性残余变形等情况。而短期变形是外力作用下产生的塑性变形，如结构在交通荷载、地震荷载、船撞等外力作用下发生的塑性变形。结构下沉、倾斜等变形影响构件的受力状态，当变形过大时，直接影响桥梁的使用安全。

2 桥梁水下混凝土结构状态评估系统

通常，结构状态评估方法有层次分析法(AHP法)、模糊神经网络算法、模糊综合评定法等，这些方法各有特点。本文采用AHP法来评价桥梁水下混凝土结构状态。该方法是分析复杂系统结构状态的一种有效方法[13]。AHP法将定量分析与定性分析相结合，根据问题的性质和分析目标，将整体分解为不同的组成因素，并根据因素间的关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型对目标问题进行评定。

AHP法的应用需要以下步骤：建立层次分析模型、构造出各层次中的判断矩阵、层次排序及其一致性检验等。

2.1 水下混凝土结构层次分析模型

水下混凝土结构的评估方式包括耐久性评估及安全性评估2方面。其中耐久性评估注重材料性能的劣化速度，而安全性评估则注重当前的结构病害程度。虽然两者侧重点不同，但并不独立，其评价指标互相重叠。

AHP法通常把结构划分为几个部件，先根据部件的病害状况进行状态评估，然后再加权累计并获得结构整体的评价结果。尽管水下混凝土结构组成单一，但其耐久性及安全性受到多种因素的影响，包括环境条件、材料特性及病害状况等。本文根据前述病害分析及结构服役环境，提出层析分析模型，如图10所示。图10中，Ai为各层级的判断矩阵；第1层分为环境条件、材料性能及结构病害，本文把钢筋锈蚀作为材料性能来考虑；第2层中，环境条件分为水环境和大气环境，材料性能退化分成钢筋和混凝土，结构病害分为表面病害、开裂、变形等4类；第3层分为抵抗能力和退化现状，其中对于不可再分为抗力及退化的参数直接作为底层的参数；第4层为底层参数。

图10 水下混凝土结构层次分析模型

层次分析法中，底层参数均可通过外观检查或特殊检测等方式获得。本文参照JTJ/T J21—2011《公路桥梁承载能力评定规程》、GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》等相关规定来评价底层实测结果的指标参数。通过将底层权重和病害程度相组合来确定上一层指标，依次递增，最终可获得水下混凝土结构整体状况的评价结果。

2.2 构造判断矩阵(确定权重)

AHP法通过构造各层次判断矩阵来确定参数的权重值。判断矩阵的形式如式(1)所示。

(1)

式中：A为正互反阵；n为指标个数；aij为指标间两两比较的重要性标度，用表1所示的1～9标度(或其倒数)给出[14]。A是一致性正互反矩阵，须满足式(2)的一致性条件。

(2)

本文构造矩阵中，各因素间两两比较的重要性标度由专家经验得到，即把专家经验转化为参数权重值。根据各层参数的权重值，可计算参数总排序权重值。因矩阵繁多，本文仅给出总排序权重值。

2.3 层次排序及一致性检验

层次排序包含层次单排序及层次总排序。层次单排序是对于上一层次某因素而言，本层次各因素的重要性排序；层次总排序是对于目标层而言，底层各因素的重要性排序。层次排序实际是求解判断矩阵最大特征根对应的特征向量的过程。对于一致性判断矩阵A而言，A的最大特征根λ=n，其余n-1个特征根均等于0。当人为构造的判断矩阵偏离式(2)的一致性条件时，Saaty等人[17]建议用其最大特征根对应的归一化特征向量作为权向量w，则

Aw=λmaxw

(3)

λmax比n大得越多，则A的不一致性就越严重，引起的判断误差也就越大，故需对一致性进行检验。Satty[14]提出如式(4)所示的一致性指标CI。对于不同阶数的判断矩阵而言，则需区别对待一致性要求，且需引入平均随机一致性指标RI，见表2。当阶数大于2时，两者的比值称为一致性比率CR，其计算公式见式(5)。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(4)

CR=CI/RI

(5)

Vargas[15]认为当CR小于0.1时，不一致程度可以接受。本文基于专家经验构造的判断矩阵，在通过一致性检验后，计算得到层次单排序权重值wi及层次总排序权重值w0。其中，层次总排序权重值如表3、表4所示。

表2 平均随机一致性指标

表3 耐久性评估系统的总排序权重

表4 安全性评估系统的总排序权重

依据现行规范及相关试验研究成果，本文将所有检测参数均按最优隶属度区间划分为1～5级，各参数检测结果依此法评级后，均用于桥梁水下混凝土结构的状态评价。根据评价结果中数据所在范围，把最终获得的水下混凝土结构评定结果分为如下5类。

1类：状态评估结果在[1,1.5)，结构处于完好状态。

2类：状态评估结果在[1.5,2.5)，结构处于需要适当加强养护的良好状态。

3类：状态评估结果在[2.5,3.5)，结构处于应小修的一般状态。

4类：状态评估结果在[3.5,4.5)，结构处于需要中修的病害状态。

5类：状态评估结果在[4.5,5]，结构处于需要大修的危险状态。

根据病害类型的危害性，本文提出单项控制指标，即当出现以下情况时，水下混凝土结构整体评估结果直接定为5类。

1) 耐久性评定：钢筋锈蚀程度(钢筋截面损失率)、保护层厚度、裂缝参数中只要有1项达到5类，则水下混凝土结构整体评定为5类。

2) 安全性评定：基础冲刷、结构变形(倾斜、不均匀沉降)、表面缺陷中只要有1项达到5类，则水下混凝土结构整体评定为5类。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

龙兴殿大桥位于龙丽高速公路龙游新建段。该桥中心桩号为K38+034，全长781.4 m，跨径布置为7×20 m+5×25 m+5×25 m+5×25 m+(36 m+65 m+36 m)+5×25 m。该桥分左右2幅，双幅等宽，桥面全宽25.50 m，单幅桥面净宽11.5 m。该桥水下混凝土结构为桥墩桩柱及钻孔桩基础，其中立柱采用C30混凝土，桩基采用C25混凝土。

该桥位于水库上游山区，水环境及大气环境均处于良好状态。但由于山区季节性雨水及水库蓄放水对水位及流速的影响，导致该桥水下混凝土结构出现了典型冲刷病害。对该桥左、右幅21～24号墩共计36根桩进行了水下桩基检测。检测内容及评定标度见表5，病害如图11所示。

表5 检测指标输入值

注：L为桥梁跨径。

图11 龙兴殿大桥病害

3.2 结果分析

根据检测结果，按本文层次分析模型对龙兴殿大桥进行结构状态评价，评价结果如表6所示。

表6 龙兴殿大桥评估结果

从表5可知，在影响结构耐久性的重要指标中，钢筋锈蚀程度(钢筋截面损失率、钢筋锈蚀电位)标度为3；在影响结构安全性的重要指标中，基础冲刷、表面缺陷、结构变形标度为3。从表6可知，结构耐久性评定结果为1.69，安全性评定结果为2.28，因此，该桥水下混凝土结构的耐久性和安全性状况均为2类，表明其处于良好状态。这些评价结果与桥梁的实际情况也比较吻合。

综上所述，本文的评估模型既全面考虑了各个检测参数的影响，又合理地反映了各个检测参数在耐久性及安全性评估中的不同重要性程度，使桥梁水下混凝土结构的状态评估更具科学性和合理性。

4 结束语

本文系统归纳了桥梁水下混凝土结构的材料性能退化及病害类型，应用层次分析法建立了桥梁水下混凝土结构耐久性和安全性的评估模型，并通过专家经验构造了层次分析法判断矩阵，其可合理地计算各个检测参数的权重。另外，采用评估模型对实际桥梁水下混凝土结构进行了评估，结果表明，评估模型的权值合理，其耐久性及安全性评估结果与桥梁实际情况吻合。

[1] 李 熹.水下摄像技术在既有结构基桩检测中的应用[J].中国水运(下半月)，2011，11(2)：16-18.

[2] 黄 沛，王 宇，朱德华.水下电视探测技术在工程桩完整性检测中的应用[J].中国港湾建设，2006(4)：24-29.

[3] 秦伟航.水中桩基础病害检查方法[J].交通科技与经济，2012，14(2)：20-22.

[4] 范 云.损伤桥墩承载力数值模拟分析[D].大连：大连海事大学，2008.

[5] 王钧利.海水中钢筋混凝土桥墩承载力分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2009，33(4)：707-710.

[6] 魏宗彬.沿海桥梁桩基检测及其病害分析[J].中国市政工程，2009(1)：76-77.

[7] 陈胡星，叶 青，沈锦林，等.钙矾石的长期稳定性[J].材料科学与工程，2001，19(2)：69-71.

[8] 张 峰.海水冻融与侵蚀耦合作用下桥梁下部结构耐久性评估[D].济南：山东大学，2009.

[9] 刘 建.天津沿海地区桥梁混凝土耐久性技术研究[D].天津：天津大学，2009.

[10]韩海骞.潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[11]康家涛.冲刷对桥墩安全性的影响研究[D].长沙：中南大学，2008.

[12]沈 周.铁路桥梁扩展基础冲刷探测与稳定性分析[D].长沙：中南大学，2006.

[13]许树伯. 层次分析法[M].天津：天津大学出版社，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

浙江省交通运输厅科技计划项目(2012H11)

2016-06-14

陈 阳(1985-)，男，浙江省杭州市人，本科，工程师。

1009-6477(2016)05-0079-07

U443.2

A