英国克利夫顿吊桥
任何暴露在室外、经历过各种气候的建筑，都不可避免地受到风雨、冷热交替的影响。悬崖就是一个典型的例子。造成岩石结构损坏的过程通常涉及风驱动的雨水穿透岩石或渗入多孔膨胀缝，冻结和破碎石头。建于公元1092年的达勒姆大教堂就是一个典型的例子。据说这座古建筑至少已经维护了50年了。当局使用脚手架对其周围进行修复。这可能是大多数大型古建筑最终都会面临的局面。那些没有得到持续维护的建筑，甚至因年久失修而沦为废墟。
结构基础的性能必须被视为结构使用寿命的决定性因素之一。无论是延伸基础还是桩基础，设计的稳健性通常会防止基础失效，但地面条件本身可能会导致材料失效。一个结构能否直立，在将土力学理论应用到地基上之前，需要反复试验。人们对软土地基、岩石和桩基的认识主要是基于当地的知识而不是理论。桩通常用于有沼泽的情况。桩最脆弱的部分是靠近表面的一小部分，它对潮湿和干燥最敏感，因此只需对其进行保护即可延长桩的使用寿命。
图1 达勒姆高架桥
英国过去也使用过其他天然材料“柳条绳垫和羊毛”。英国的铁路建设时代需要建造大量的高架桥，这些高架桥通常由岩石、砖块或两者的混合物建造。在沼泽环境中，常见的做法是用柳枝编织席子，铺上羊毛作为支撑，并在此基础上搭建拱形结构。达勒姆高架桥（图1）位于伦敦至爱丁堡的主线上。它以这样的基础设施而闻名。这座铁路桥自1856年开始使用。150多年后，它仍然见证着干线列车的更替。联系人。
桥梁的寿命取决于什么？
如果我们把同样的理论延伸到桥梁上，近代最古老的桥梁无疑是铁路桥。铁路桥梁通常是由砖或石制成的拱形结构，或由熟铁或铸铁制成的梁桥和桁架。
拱桥生活
拱桥的本质是坚实的基础。不幸的是，英国和世界其他地区铁路繁荣时期建造的铁路桥梁并不符合这些条件。英国铁路主要建于1840年至20世纪初，用于连接主要工业城市。沿线建筑材料可能发生变化，因此地基沉降导致拱形变形，从而降低拱形的承载能力，导致拱顶变形破坏。
当时，拱桥是由工匠建造的，很大程度上没有使用现代工程的标准设计。拱门的尺寸是由石匠估计的，他们在没有理论基础的情况下桥梁钢结构细节设计，根据制图员准备的图纸进行工作。
研究表明，砌体拱门和现代混凝土材料性能耐用且可靠。
金属桥梁的慢性病
随着铸铁和锻铁技术的进步，能够承受拉力的钢也出现了。
随着铁路荷载的变化，不按现代标准设计的桥梁开始按照现代标准进行评估，许多桥梁的评估远低于现代标准。评估的主要部分是检查桥梁的整体状况。
检查发现，这些桥梁经常在相似位置出现腐蚀现象。最严重的腐蚀通常发生在剪力最高的轴承处，或最大法兰张力点的跨中位置。在梁和桁架的细节设计中，您几乎总能找到积水、树叶或其他碎片的角落。通常，这种情况发生在垂直加劲肋和底部翼缘的交叉处，或者桁架构件相交的地方。
从这种类型的腐蚀中吸取的教训是，如果定期、频繁地清洁这些区域，就可以延长桥梁的使用寿命。
桥梁寿命终止的定义
一旦更换成本低于维修成本，我们就可以认为结构已达到其使用寿命。
更换的替代方案是减少桥梁的功能，例如将公路桥改建为人行桥，使旧桥的用途可以继续存在。
腐蚀是决定钢桥梁使用寿命的关键因素。关键区域的断裂通常难以修复。理论上，它们承受着很大的压力，无法轻易缓解，这使得更换桥面成为一个不错的选择。
现代桥梁的问题
然而，现代材料结构的设计和细节设计是在高速公路扩建的早期进行的，当时人们对其长期性能以及它们将如何恶化知之甚少。
混凝土曾经被认为具有永久性能，但现在已经经历了碱-硅反应、碳化、氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀和高岭土侵蚀，仅举较常见的例子。
钢结构可能会以多种方式损坏，而这些损坏通常无法立即用肉眼察觉。因此，必须使用仪器对桥梁进行监测。应变计可以检测应力状态，染料渗透可以检测焊缝中的裂纹，并且可以通过使用声发射监测（AEM）来感测疲劳裂纹的程度，每次裂纹发生时应力的逆转都可以通过“连续监测“到达”。对于难以进入的封闭结构，可以通过空气采样来确定封闭结构的状况，也可以使用远程光学或视频记录仪器通过开口进行观察。
大多数现代桥梁使用混凝土作为其结构的支撑，桥面由钢筋混凝土或预应力混凝土或钢混凝土制成。人们普遍认为桥面伸缩缝已充分密封，因此没有尝试保护梁座或支撑框架上的混凝土材料。
随着机动车辆数量的增加以及更现代、更快的汽车的出现，在道路上撒盐以防止冬季结冰的做法变得更加普遍。盐中的氯离子转移到钢筋上，改变了它们的外观。化学环境导致钢材腐蚀并损坏混凝土表面。
我们以英格兰中部一条高架道路的上梁为例。测试过程中，我们对现有的平屋顶梁进行了改进，在顶面加了一层砂浆层，并让顶面落下，让积水流出。计算表明，修复成本非常高。但事实证明，上梁仍然状况良好，而其他平顶上梁则遭受了氯离子渗透的所有负面影响。如果顶部设计为从一开始就排水，则可以避免这笔费用。
桥面伸缩缝密封的重要性
在高速公路建设热潮之前，人们很少关注桥面伸缩缝的密封问题。大跨度铁路桥梁通常是没有伸缩缝的拱桥。钢桥的露天桥面上有伸缩缝，但高速列车却感觉不到它们的问题。然而，对于公路桥梁来说，轮胎在驶过伸缩缝时会发出噪音，掉落的碎片会阻止伸缩缝关闭。因此，带有伸缩缝的公路桥梁的设计并不理想。 （如图2所示）。
图2 桥面伸缩缝漏水后果
对防漏伸缩缝的追求导致了许多取决于桥面预期移动的设计。在英国，这些设计由英国交通部 BD 33/94 (1994) 标准涵盖，该标准建议埋地膨胀缝小于 20mm，沥青塞膨胀缝范围为 5mm 至 40mm，收缩浇铸密封剂为 5mm 至 12mm，其尺寸小于嵌入式膨胀节。根据其设计，使用 5 毫米至 40 毫米的预制压应力密封件进行钻孔，并在其上方冲制专有的膨胀缝。
设计工程师使用当时可用的材料设计了各种解决方案。在公路桥梁建设初期，设计者将用于固定表面的角钢用螺栓固定在桥面上，并在缝隙中添加密封胶；尝试使用环氧树脂混凝土来保护表面并在间隙中添加密封剂。 ;但纤维混凝土的尝试没有成功。
沥青塞膨胀缝 (APJ) 在 20 世纪 70 年代末取得了成功，它在沥青粘合剂中添加了夏季稳定、冬季富有弹性的聚合物，使其成为桥面膨胀缝的理想选择。 。
APJ有缺点，所以后来出现了改进。 “橡胶弹性金属流道”桥面伸缩缝是针对较大的桥面伸缩缝运动而开发的，但其缺点是将框架固定到桥面的螺栓逐渐松动。将“橡胶弹性金属滑道”与混凝土聚合物缩颈相结合已取得很大成功，但其性能取决于缩颈安装过程。 （如图3所示）。
图3 金属流道失效及缩孔修复
然而，桥面伸缩缝的维护，特别是长期堆积的碎石的清除，对其使用寿命至关重要。因为随着环境温度季节性升高，任何被困的砾石都会压实并阻止膨胀缝在关闭时正常工作，在许多情况下会导致膨胀缝损坏。
具有大甲板位移的膨胀节本身就是一个有趣的话题。这些伸缩缝的目的是为过往车辆提供平滑的行驶表面，同时通过像水槽一样让水流走来控制水流。膨胀节制造商有多种不同的膨胀节设计，涉及多种原理。
桥梁支座的使用寿命
在公路桥梁的早期设计中，小跨度桥梁结构具有自由端和固定端，以适应温度膨胀和纵向收缩，但桥梁比跨度更宽的事实经常被忽视。弹性支座因超过设计位移而发生故障或移位，导致支座破裂或桥梁偏离原来位置。将支座恢复到原来的位置是三十或四十年后的一项重大任务，通常涉及整个桥面的吊装。
滑动轴承通常由一层粘合到钢基上的聚四氟乙烯 (PTFE) 组成。该 PTFE 层还可以在抛光的不锈钢板上滑动，该不锈钢板也粘合到钢底座上。
这种支架的有限寿命可以从它们的循环次数和行驶距离得知。通过给轴承加润滑脂可以延长使用寿命，但磨损仍然不可避免，必须更换轴承。这涉及到桥梁的吊装，其成本远远高于更换轴承本身，因此设计阶段越容易，未来的成本就越低。
如何协调设计与施工
长期设计要求和施工方法之间经常出现冲突。承包商要求更改或简化设计细节以适应其施工方法的情况并不罕见。因此，如果设计师利用他们的经验来详细说明其结构以便于施工，将减少施工人员要求设计变更以及在施工过程中必须进行设计变更的数量。重新设计需求。
因此，应考虑桥梁各种构件的预制。除无法简化的复杂结构外，大多数桥面都可以预制。预制梁是正常行为，但如果细节适当，隔断也可以预制。主要困难在于将舱壁连接到主体结构上，使其成为桥梁的一个组成部分。这样做的优点是减少对工艺的依赖，减少现场施工时间。欧洲设计标准 EN4 (2005) 允许剪力连接件聚集在一起，为跨整个桥面宽度预制复合混凝土桥面打开了大门。
初始成本与长期维护成本
如果不采取任何维护措施，结构的使用寿命不可能超过其设计寿命。
我们必须对钢结构进行喷漆，以应对桥面伸缩缝失效和支座磨损的问题。尽管设计师尽了最大努力，混凝土仍然会恶化。英国交通部 BD 36/92 (1992) 标准评估和比较钢结构和混凝土结构的维护成本。
当桥梁预留维修通道且桥面吊装相对简单时，更换支座不成问题。特别是对于英国来说，长期以来人们一直期望在原始设计中规定未来更换轴承的要求。然而，如果桥梁不提供维护通道，成本就会上升。
例如，20世纪70年代，在英格兰南部的一个河口修建了一座大型高架桥，采用PTPE与不锈钢滑动轴承粘合。由于这座桥在建造时没有考虑更换支座，因此更换支座的费用超过了200万英镑，其中支座的费用仅为2万英镑。
当设计一座使用寿命为 120 年的桥梁时，我们必须接受这样的事实：在其生命周期的某个时刻，桥梁必须升起以进行更换；否则支撑必须持续 120 年。
另一种需要考虑的方法是改变支撑设计的理念。通常，支撑件的设计应符合规范或标准允许的应力，但这会将所选材料的应力水平设置为最大值；另一种方法是通过增加接触面积来减少应力，使支撑设计设计超过安全标准，这样做的结果是增加了轴承的首次购买成本，但可以节省轴承的更换成本。轴承。
如何延长桥梁的使用寿命
几十年来我们积累了丰富的经验，为延长桥梁的使用寿命做了大量的工作，但细节上还有改进的空间。
对于混凝土桥梁，现行混凝土规范试图通过增加覆盖层来消除碳化引起的钢材腐蚀；规范规定了骨料和水泥的类型，以避免碱硅反应；法规还禁止使用氯化钙等对混凝土有害的物质。添加剂。
除此之外，经常受到氯化物或其他外部攻击的混凝土暴露区域通常覆盖有一层防止氯化物或其他有害物质进入的层。这些层可以是施加到混凝土暴露区域表面的阻挡层，也可以是施加到表面并渗入混凝土以形成阻挡的液体层。
过去有证据表明，用砖砌体或其他陶瓷材料覆盖混凝土可以通过防止雨水或地表水渗透来保护结构混凝土，尽管它本身可能承担一些维护责任。
桥面边缘的梁可以覆盖玻璃钢面板等环境屏障，以保护桥面免受氯化物的影响，但这种覆盖物应易于更换，否则将成为维护负担。
桥面应连续放置在桥台上，以消除桥面伸缩缝的需要，桥台应根据跨度或挠度条件酌情设计为整体式或半整体式。
桥面应平整且具有轮廓，以防止积水。
对于结构体系桥梁，混凝土桥面通常可以使用上述相对于组合桥梁的所有方法进行处理，但钢结构本身应进行详细处理，以防止水或碎片积聚，也包括筑巢的鸟类。种类。
除非使用耐候钢，否则防腐是必要的，但某些地区的桥梁比其他地区更容易受到腐蚀，因此应特别注意防腐，例如附加油漆层。
在不利环境或桥梁内难以进入的位置（可能位于同一位置），应考虑用玻璃增强塑料或类似材料覆盖整个桥面，以提供环境屏障和永久检查通道，这在转弯需要对桥梁进行检查，维护是在其设计寿命内进行的。
详细施工的重要性
除了规范和标准中的规则外，还有一些规则。如果以这些规则为指导桥梁钢结构细节设计，就可以确保桥梁的长期无故障使用寿命。这些规则包括——
•假设有水进入，则将水排出
•不要只依赖一位代理人；假设第一个代理可能失败，有一个备份代理
•例如，假设密封件将失效，则应提供一个通道来吸收通过密封件泄漏的水
•细节支撑具有滑动表面，将最容易受到砂粒损坏的表面置于最上面
• 详细的支撑，方便更换
•在较低应力下，应花钱购买较大的轴承，以延长更换轴承的使用寿命
•尽可能使用整体式结构，以完全消除支撑。
简单维护的重要性
重复简单的补充维护可以避免大规模维护或长时间推迟大规模维护的发生。较小的维护包括——
•定期清洁支撑件
•每年在灌浆季节后清洁排水沟
•每年检查变形的接头并清除砂粒
•密闭箱内设有排水装置，用于排出积水
• 齐平外部加强筋
•局部修补漆
•防止鸟类筑巢或在维护完成后移走巢穴
大规模维护计划
可预见的主要维护内容是更换轴承和甲板伸缩缝，因此必须提前预留计划和资金。为了尽可能减少大规模维护的频率，或者说尽可能降低大规模维护过程的难度，设计者可以进行以下工作——
•在支撑结构上设计顶升点，用于顶升桥面和更换支撑件
•设计将甲板从上述位置吊起；这会产生反向力矩，这对于预应力梁非常重要
•对轴承进行过度设计，以减少应力并减少轴承材料的磨损
•现场施工经常受到极端天气的影响，因此尽可能使用预制桥面伸缩缝，以减少对现场施工的依赖
•详细说明连接到特定伸缩缝的甲板端部，以确保最佳性能
桥梁结构一旦完成，在其设计生命周期内无人看管是不切实际的。然而，设计人员可以通过仔细的细节设计来减少维护或修理的需要，并且在已知组件的设计寿命的情况下使组件更换尽可能容易。
本文发表/《桥梁维护与运营》杂志2020年第1期、第9期
作者/Alan.G.莫迪
作者为阿特金斯公司公路交通部总工程师
