“桥梁环境作用与长寿命设计”虚拟专刊

策划专家：王晓明教授

  UHPC-HPC组合梁尺寸与配筋

强盐沼泽区干湿循环作用下桥梁桩基腐蚀损伤

冯忠居¹，陈慧芸^{1, 2}，王富春¹，胡海波³，徐占慧⁴，姚贤华⁵

1.长安大学公路学院 2.西华大学建筑与土木工程学院 3.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心 4.青海省公路科研勘测设计院 5.华北水利水电大学土木与交通学院

为探明干湿循环与强盐沼泽腐蚀作用下桥梁桩基混凝土材料损伤机理，通过室内模拟试验，研究了不同材料质量比的混凝土浸入不同浓度复合盐溶液，经干湿循环后的质量损失率、相对动弹性模量和抗侵蚀系数；基于扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和化学成分分析相结合的方法，研究了桩身混凝土抗腐蚀微观机理。研究结果表明：经干湿循环后混凝土质量增长是因为在材料内部生成了钙矾石、Friedel盐等膨胀性晶体，氯盐的存在能够抑制硫酸盐对于桩基混凝土的侵蚀作用；复合盐溶液浓度不同时，经过120次的干湿循环后，水泥、碎石、砂子、水、粉煤灰、减水剂、硅灰、膨胀剂质量比为327∶1 103∶767∶170∶87∶7∶22∶44(质量比Ⅲ)的桩基混凝土试件的相对动弹性模量为92.7%，抗侵蚀系数最小为0.91，而在未添加硅灰和膨胀剂的质量比与仅添加硅灰的质量比下桩基混凝土试件的相对动弹性模量最大为89.7%，抗侵蚀系数最小为0.80，质量比Ⅲ的桩基混凝土试件的抗侵蚀性能较好，桩基混凝土试件受到膨胀力但内部未产生裂缝，说明添加硅灰和膨胀剂提升了桩基混凝土的抗侵蚀能力且可以确保桩基混凝土不产生裂缝。可见，实际工程中可综合考虑区域内腐蚀性离子类别等因素，在质量比Ⅲ的基础上进一步优化桩基混凝土的质量比。

桥梁跨越区段

模拟酸雨侵蚀环境下钢筋混凝土结构长期性能研究综述

任青阳^{1, 2}，靳红华^{1, 2}，肖宋强^{1, 2}，王飞飞^{1, 2}，陈斌^{1, 2}

 1.重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 2.重庆交通大学土木工程学院

为深化对酸雨侵蚀环境下钢筋混凝土结构长期性能演变机制的认识，论述了酸雨侵蚀作用下混凝土材料腐蚀机理、侵蚀模型和物理力学性能时变过程；分析了酸雨锈蚀钢筋的溶液腐蚀机理和大气动态冲刷机制，总结了锈蚀钢筋形貌表征与锈蚀率指标定量化研究成果，归纳了已有锈蚀钢筋力学性能退化模型和本构模型，概述了钢混界面黏结性能演变规律和黏结-滑移本构关系模型；梳理了梁、柱构件及结构静、动力学性能演变规律的室内试验结果、理论计算方法和数值仿真结果的最新研究进展与不足，并展望了未来的研究方向与重点。研究结果表明：酸雨腐蚀混凝土可归因于酸雨离子成分的交互作用，亟需适用性较强的理论模型以揭示腐蚀和扩散机制；室内加速试验揭示了酸雨侵蚀作用下混凝土物理力学性能时变规律，应完善室内加速试验制度，搭建耦合宏细观层次关键指标的混凝土损伤评价体系和预估模型；酸雨加速锈蚀钢筋试验多基于均匀锈蚀，钢筋腐蚀方法和形貌表征逐渐向不均匀锈蚀发展，应进一步发展高精度扫描技术，借助统计分析理论建立钢筋不均匀锈蚀特征参数，优化钢筋力学性能退化模型；通电锈蚀试验和拉拔试验演绎了钢混界面黏结性能演化规律，并建立了黏结-滑移本构关系，但忽略了实际钢筋混凝土结构的受力特点，且锈蚀过程显著区别于自然锈蚀，应考虑酸雨环境与材料特性复杂多变的特点，研究细微观钢混界面损伤行为，揭示酸雨环境、材料特性与黏结性能的内在关系；酸雨侵蚀钢筋混凝土结构时效性能研究多集中在试件层次，且采用腐蚀试验与承载力试验分阶段进行，忽略了荷载-环境的耦合作用，试验所设环境较为单一，试验制度与方法亦未统一，应对标实际工程，考虑实际结构承载和环境工况，搭建长期荷载-酸雨侵蚀耦合作用试验系统，探索荷载-环境-材料多场关联机制，完善理论计算方法与数值仿真手段，揭示结构长期性能演变过程，并推动现场暴露试验发展，量化室内-现场映射关系，指导工程实际。

酸雨侵蚀

混凝土单箱多室箱梁温度梯度地域差异性

徐向锋¹，马禄爱¹，张峰²，张磊³，邬刚²

1.山东交通学院交通土建工程学院 2.山东大学岩土与结构工程研究中心 3.东南大学交通学院 

为确定不同地区混凝土单箱多室箱梁日照温差代表值，在西藏山南、陕西铜川与广西来宾分别建立了室外日照温度场试验模型，同时安装了大量温度传感器与气象采集器，通过现场实测数据总结了山南、铜川和来宾气象差异性；通过长期箱梁测试温度与逐时气象数据的逐步回归，提出了山南、铜川和来宾箱梁温差计算公式；调研了西藏6个地级市、陕西10个地级市和广西14个地级市1955—2016年的气象数据，并将气象日值数据分解为逐时气象数据用于温差计算，基于超阈值分布模型得到了3个地区重现期为50年的温度作用代表值，并绘制了温度作用分布地图。研究结果表明：箱梁模型实测的向阳侧边腹板竖向温差、中腹板竖向温差、顶板横向温差与底板横向温差从高到低依次为山南、铜川和来宾，说明受地理位置影响，中国不同地区的箱梁竖向温差和横向温差具有差异性；混凝土箱梁顶板向阳侧横向温差均高于底板，山南、铜川和来宾箱梁顶板向阳侧横向温差比底板分别高30.7%、23.2%和11.1%；西藏、陕西和广西的中腹板竖向温差地域差异性最大可达10.5 ℃，顶板横向温差地域差异性最大可达20.3 ℃，说明混凝土桥梁的日照作用具有明显的地域差异性。

培森柳江特大桥

腐蚀-疲劳荷载耦合作用下桥梁拉索高强钢丝自漏磁信号变化规律

孟庆领¹，杨家炳¹，潘鹏超¹，杨新磊¹，王宝林²，宋金博^{3, 4}

1.天津城建大学土木工程学院 2.天津市交通科学研究院 3.江西交通职业技术学院路桥工程学院 4.悉尼大学工程学院

为增强桥梁拉索高强钢丝漏磁检测的实用性，开展了腐蚀、应力单一因素作用试验与预腐蚀-疲劳-腐蚀、预疲劳-腐蚀-疲劳三阶段交互作用试验，阐述了腐蚀-疲劳耦合作用对自漏磁信号的影响机制。研究结果表明：腐蚀区域的自漏磁信号极值随腐蚀时间的增加而增加，且变化特征越发明显，腐蚀缺陷引起的异常自漏磁信号最大变化可达50 000 nT；随着疲劳加载循环次数的增加，无锈蚀高强钢丝自漏磁信号整体呈现先增加后稳定的趋势，当疲劳加载循环次数大于10 000时，磁场强度的增加速率降低且趋于平缓；预腐蚀后施加的交变应力场会削弱腐蚀缺陷引起的自漏磁信号，再次腐蚀后的磁场信号变化与预腐蚀程度有关，预腐蚀9 h后施加疲劳荷载，之后再腐蚀3 h，与单一腐蚀12 h相比，自漏磁信号强度削弱了32%；施加预疲劳交变应力场可强化磁场，导致腐蚀后自漏磁信号极值增加，当预疲劳加载循环次数从1 000增加至100 000时，自漏磁信号强度增大了30%。由此可见，早期腐蚀引起的高强钢丝异常自漏磁信号可被疲劳作用掩盖，考虑单一腐蚀与应力变化难以反映高强钢丝自漏磁检测效果，需综合考虑腐蚀-疲劳的耦合效应，以获得桥梁拉索高强钢丝自漏磁信号变化规律，从而为桥梁拉索无损检测提供分析依据。

  电化学腐蚀试验

锈蚀分布对斜拉索承载能力的作用效应

徐俊¹，张志乐¹，林志平²

1.同济大学土木工程学院 2.福建省高速公路集团有限公司

为了提高斜拉索极限承载力评估的精度，考虑了斜拉索锈蚀损伤的影响，建立了锈蚀钢丝力学性能模型，模拟了完好与锈蚀钢丝的力学性能；以3种典型截面锈蚀分布模型模式和3种典型索长方向锈蚀分布模型类型的联合作用为前提，分析了斜拉索内不同位置处的锈蚀程度，研究了斜拉索的锈蚀分布规律；采用蒙特卡罗方法模拟了不同锈蚀程度下索内钢丝的力学性能，最终得到了索的极限承载力以及斜拉索达到极限承载力时的断丝数，统计分析了斜拉索极限承载力、断丝数、锈蚀深度以及截面锈蚀率之间的相关关系，分析了锈蚀分布规律的影响。分析结果表明：不同锈蚀分布条件下，锈蚀斜拉索达到极限承载力时的断丝数的样本均值相差可达到约3倍，而斜拉索极限承载力的样本均值变化可达到约20%；虽然锈蚀斜拉索达到极限承载力时的断丝数随着锈蚀程度增加而增加，但是断丝数与极限承载力间的相关性较差，在某些锈蚀分布条件下甚至仅为0.014；为了保证斜拉索的安全可靠性，不宜以断丝数作为评估索承载力的技术指标。

钢丝上下两侧的不同锈蚀程度

钢箱梁桥面沥青混合料燃烧温度荷载与效应分析

李阳¹，王佐才^{1, 2}，王昌建^{1, 3}，韩光兆¹

 1.合肥工业大学土木与水利工程学院 2.合肥工业大学土木工程防灾减灾安徽省工程技术研究中心 3.合肥工业大学安徽省氢安全国际联合研究中心

为研究在火灾作用下钢箱梁与桥面铺装结构热效应，建立了小尺度钢桥面燃烧试验台，获取了油料火灾作用下沥青铺装层的上表面、中部和下表面温度数据；针对上表面温度数据，拟合得到了一条基于燃烧试验数据的升温曲线，与ISO 834标准升温曲线进行对比，并对小尺度试验的温度场进行了数值模拟验证；建立了11.25 m×3.60 m的钢箱梁桥有限元模型，获取了桥梁在跨中、支座附近和全跨火灾工况下的应力和变形特征。研究结果表明：在试验拟合升温曲线的作用下，二维数值模拟试件的中部温度260.70 ℃和底部温度89.38 ℃与试验数据248.90 ℃和82.59 ℃相近，且升温趋势较一致，说明温度场数值模拟结果可靠；火灾荷载作用区域钢箱梁顶板温度下降最高可达60.91%，表明沥青混合料铺装层能在一定程度上阻挡温度传递；跨中、支座火灾工况下钢箱梁最大Mises应力均出现在火荷载向低温扩散传播的冷热交替区域；跨中火灾工况在火荷载区域出现上挠变形，而支座火灾工况分别在火荷载区域和跨中区域出现上挠和下挠变形；全跨火灾Mises应力分布较均匀，跨中下挠变形严重；3种火灾模式下，基于试验拟合升温曲线的应力和变形数据均滞后且低于ISO 834标准升温曲线。

 跨中失火Mises应力分布

强腐后Q345钢力学性能退化试验

乔文靖¹，杨帆¹，胡启涵¹，张浩¹，焦雪峰²

1.西安工业大学建筑工程学院 2.北亚利桑那大学工程、信息学和应用科学学院

系统研究了强腐后Q345钢表面形貌和腐蚀时间对其力学性能退化的影响；采用浓度36%工业盐酸在室温环境下快速腐蚀的方法，设计了腐蚀时间分别为0、1、2、4、8、12、24、48、72 h的9组钢试件；采用三维非接触激光扫描仪和扫描电镜扫描腐蚀钢，测量了最大蚀坑宽度、高度和腐蚀试件厚度，计算了最大蚀坑影响系数；开展了拉伸试验，结合扫描形貌与微观组织形态解释了强腐后Q345钢的力学性能退化机理；建立了浓度36%工业盐酸在室温环境强腐后Q345钢的腐蚀动力学曲线和本构关系模型，揭示了强腐后Q345钢的力学性能退化规律。研究结果表明：随着腐蚀时间的增加，Q345钢的腐蚀动力学曲线展示了腐蚀率的变化规律；腐蚀时间在1 h以内，最大蚀坑影响系数增大最为明显，钢的名义屈服强度、名义抗拉强度、名义弹性模量和伸长率退化较大，分别达到未腐蚀钢的3.00%、0.69%、1.99%和4.88%；当腐蚀时间超过12 h，最大蚀坑影响系数增加缓慢，钢的名义屈服强度、名义抗拉强度、名义弹性模量和伸长率退化较为缓慢，分别达到未腐蚀钢的7.58%、4.02%、10.27%和26.64%；随着最大蚀坑影响系数和腐蚀时间的增加，屈强比变化较小；在腐蚀试件的应力-应变本构关系曲线中，随着腐蚀时间的增加，钢材的屈服平台逐渐缩短甚至消失，钢材由延性破坏转变为脆性破坏。

腐蚀试件三维扫描数据

高寒盐沼泽区干湿-冻融循环下桥梁桩基腐蚀损伤与承载特性

冯忠居¹， 霍建维¹，胡海波²，李铁¹，姚贤华³，徐占慧⁴，王富春¹，刘宁⁴

1.长安大学公路学院 2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心 3.华北水利水电大学土木与交通学院 4.青海省公路科研勘测设计院

为探明青海地区桥梁桩基在干湿-冻融循环条件下的腐蚀损伤特性, 依托德香高速公路工程, 在现场埋设钢筋和混凝土试件进行干湿-冻融循环1年, 采用室内试验将混凝土试件进行干湿-冻融循环225次, 对比分析了不同位置和不同循环时间条件下混凝土质量、抗侵蚀系数、相对动弹性模量、抗压强度、微观机理以及钢筋锈蚀率的变化规律; 采用数值仿真分析了未防护桩基20年内承载力变化规律, 并提出了高寒盐沼泽区桥梁桩基防护措施。研究结果表明: 随着试件埋设深度的增加, 现场桩基混凝土试件的抗侵蚀系数相关度增大, 最大值为0.93;随着时间的增加, 桩基混凝土试件的抗压强度最大损失率为38.20%, 埋深0.25 m处钢筋的面积锈蚀率最大, 为91%;表面涂抹环氧树脂可以有效减少钢筋锈蚀率, 桩基混凝土试件与钢筋的质量变化不明显; 干湿-冻融循环225次时, 桩基混凝土试件的边角处出现脱落, 四周出现裂纹, 但质量变化较小, 相对动弹性模量降低了39.10%, 抗侵蚀系数降低到0.51, 混凝土的抗压强度损失率为65.88%, 其内部因出现Friedel盐等膨胀性物质而趋于破坏; 随着剥落厚度和腐蚀深度的增加, 前8年桩基的承载力基本不变, 8年后其承载力逐步降低, 若不进行维护, 第20年桩基承载力降低34.45%;建议在桩基服役8年后, 要进行重点防护。

德香高速公路沿线病害

桥墩温度梯度对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

张鹏飞，连西妮，桂昊，雷晓燕

华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心

针对桥墩温度梯度引起的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向附加力与变形, 以梁-板-轨相互作用原理和有限元法为基础, 建立了多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型, 详细考虑了钢轨、轨道板、CA砂浆、底座板及桥梁等主要结构和细部结构的空间尺寸与力学属性; 采用单位荷载法计算了桥墩纵向温差作用引起的墩顶纵向位移, 分析了墩顶位移影响下桥上无砟轨道无缝线路纵向力与位移的分布规律。分析结果表明: 当各墩顶发生均匀位移时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路纵向力分布规律及其最大值一致, 且随着墩顶均匀位移的增加而线性增大, 轨板相对位移峰值均出现在两侧桥台、台后锚固结构末端以及第2跨和最后一跨固定支座墩顶处; 当墩顶均匀位移为5 mm时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上钢轨最大纵向力分别为79.62和79.54 kN, 最大纵向位移分别为4.94和4.91 mm, 轨板最大相对位移均为0.23 mm; 当各墩顶发生不均匀位移时, 钢轨纵向力及轨板相对位移均在邻墩位移存在差异处发生突变, 多跨简支梁桥上固结机构纵向受力大于大跨连续梁桥; 对于高墩桥梁, 需重点关注相邻墩身高差最大处的轨板相对位移、底座板与桥梁相对位移及固结机构的纵向受力。

 桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道无缝线路精细化有限元模型

长寿命高性能耐候钢桥研究进展与工程应用

王春生，张静雯，段兰，谭晨欣

长安大学公路学院

系统归纳与剖析了国内外耐候钢桥的研究新进展及工程应用情况, 总结了稳定耐候锈层的形成机制、选材标准、腐蚀与疲劳损伤机理、耐候构造、耐候螺栓研发以及锈层检测与评价技术等方面的关键科技成果, 梳理并完善了耐候钢桥的适用范围和腐蚀余量设计指标, 提出了耐候钢桥锈层稳定化处理及施工技术要点; 评析了耐候钢桥锈层损伤检测与评价技术、腐蚀损伤养管技术, 结合美、日耐候钢桥工程事故经验教训和中国首批长寿命高性能耐候钢桥建设技术创新成果, 探讨了该领域的技术创新方向。研究结果表明: 耐候锈层由外层的γ-FeOOH、α-FeOOH以及内层的非晶态FeOOH化合物与Fe₃O₄构成, 稳定耐候锈层能否形成与保持, 主要受氯离子、积水和积尘等因素的影响; 建议编制中国高性能耐候钢桥选材区划图谱, 完善稳定耐候锈层构造设计准则; 现代耐候钢桥具有高性能和长寿命的技术特征, 带锈层构造细节的面内应力疲劳、面外变形疲劳试验和数值断裂力学模拟, 以及耐候高强螺栓长期耐损性能研究的推进, 将为建立完善的耐腐蚀、抗疲劳设计准则奠定基础; 人工智能技术的应用将推动长寿命高性能耐候钢桥智能运维技术的重大进步; 应加大研发投入, 建立具有中国自主知识产权的长寿命高性能耐候钢桥设计、建造和运维标准规范体系, 培养高素质的工程技术人才, 推进交通强国建设。

CTOD试样的塑性区

钢-混凝土组合梁桥温度作用与效应综述

刘永健，刘江

长安大学公路学院

为深化对钢-混凝土组合梁桥温度作用与效应的认识, 从施工阶段水化热温度作用与效应计算, 运营阶段温度作用模式与取值, 以及温度效应计算方法等方面, 综述了国内外研究现状, 探讨了后续的研究重点和方向。研究结果表明: 现浇组合梁桥施工阶段水化热温度作用是桥面板早期开裂的重要原因, 准确计算组合梁水化热温度效应的关键在于选取更为准确适用的水化热模型和考虑温度变化对混凝土硬化过程中弹性模量、抗拉强度以及剪力钉连接刚度发展的影响; 运营环境下组合梁桥主要考虑均匀温度、正负温度梯度等3种温度作用模式, 由于不同国家气候环境的差异及研究历程的不同, 各国规范关于组合梁桥温度作用模式和取值的规定尚不统一, 温度梯度作用的取值并非基于统计分析方法得到, 在取值时亦未充分利用已有历史气象数据资源; 组合梁桥温度效应的计算多基于有限元数值模拟展开, 求解组合梁温度效应的解析计算方法也逐渐准确化, 钢-混界面关系已从不考虑界面滑移发展到考虑界面滑移, 温度分布模式从简单的钢-混均匀温差发展到钢与混凝土任意温度分布, 但还应加强建立任意边界组合梁温度效应求解的理论模型; 组合梁桥温度问题研究的未来发展方向应集中在开展基于效应分类的组合梁温度作用模式研究, 从机理上加强对组合梁温度自生效应和次生效应的认识, 加强组合梁桥长期温度实测, 基于统计分析确定组合梁温度作用代表值; 同时充分利用中国各地区气象部门历史气象数据, 开展组合梁温度作用地域差异性取值研究。

中国最长耐候钢—混凝土组合梁桥合龙