桥梁检测基本理论和应用价值.
2.1桥梁的主要病害机理
GB/T50283-1999《公路工程结构可靠度设计统一标准》规定公路工程
结构必须满足下列功能要求:
（1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。
（2）在正常使用时，具有良好的工作性能。
（3）在正常维护下，具有足够的耐久性能。
（4）在预计的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。
凡由于人为的(勘察、设计、施工、使用等)或自然的(地质、风雨、冰
冻等)原因，使桥梁结构出项不符合上述规范和标准要求的一些问题和现象，统称桥梁结构的病害。按照不同的严重程度可分为四类:
1、完好或基本完好:桥梁结构基本满足上述要求，与建造时比基本没有
可观测到的病害。
2、轻微损伤的病害:这类病害并不影响结构的承载力、刚度、完整性及其使用功能，但要消除由于它们造成的损伤则需要额外的费用，有时还要在使用过程中对结构作系统的观察。如勾缝脱落、混凝土轻微剥落等。
3、一般性损伤的病害:这类病害虽不一定影响结构应有的承载力，但却使它们的使用性能下降维护费用增大，影响美观。如钢筋混凝土梁挠度过大、出现肉眼可见裂缝、基础发生整体沉降等。
4、严重性损伤或破坏性损伤的病害:这类病害表现为材料强度不足，构件残缺有伤，构件截面尺寸不足，连接构造质量低劣及使用环境恶劣，如超载、撞击等。这类病害如不及时消除，可能迅速导致局部结构甚至整体结构的破坏，而修复此类病害则需耗费巨额资金，有些甚至无法修复，需要推倒重建。
 除第一类外，其余三类病害可能是显露的，如混凝土漏振拆模后发现大面积空洞;也可能是隐蔽的，如埋设在混凝土中的钢筋位置有错。隐蔽的病害尤其危险，因为它们有着良好外表的假象，不易被察觉，一旦这类病害导致结构发生破坏就会带来严重后果。下面本文就桥梁结构中的主要病害进行分析。
2.1.1混凝土碳化
1、混凝土碳化机理
混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其他酸性气体发生化学反应的过程。碳化的实质是混凝土的中性化。碳化使混凝土的PH值降低，一旦碳化到钢筋表面且PH值小于9时，钢筋就会因其表面的钝化膜遭到破坏而产生锈蚀。一般而言，混凝土的碳化速度取决于二氧化碳气体的扩散速度及二氧化碳与混凝土成分的反应速度。
2、混凝土碳化深度预测模型
混凝土碳化深度预测模型一直是结构工程领域的热点问题，国内外学者提出了很多种碳化预测模型，基本可分为两大类：基于扩散理论建立的理论模型；基于碳化试验的经验模型。
主要研究成果有:(1)龚洛书等提出的利用混凝土碳化多系数分成预测长期自然碳化深度。在假定周围介质因素和工艺条件不变的情况下，通过大量试验，研究了水泥用量、水灰比、粉煤灰取代量、水泥品种、集料品种和养护方法等因素对混凝土碳化的影响，在此基础上提出的混凝土快速标准碳化的多系数方程。(2)基于混凝土抗压强度的经验模型。中国建筑科学研究院邱小坛等通过对大量混凝土碳化观测结果的统计分析，提出以混凝土抗压强度标准值为主要参数，考虑环境修正、养护条件修正和水泥品种修正的谈话计算公式。(3)牛荻涛提出的预测混凝土碳化深度的随机模型从混凝土碳化过程及影响因素可知，导致混凝土碳化深度产生变异的主要原因来自于混凝土本身的变异性和环境的变异性。根据混凝土碳化影响因素分析，从碳化理论模型入手，以工程实用为目的，提出以环境条件与混凝土质量影响为主，并考虑碳化位置、混凝土养护浇筑面、工作应力修正的预测混凝土碳化深度的多系数随机模式。
2.1.2钢筋锈蚀
1、钢筋锈蚀机理
混凝土结构中的钢筋同时满足以下条件时就会产生锈蚀:(1)钢筋表面存在电位差，不同电位的区段之间形成阳极和阴极；(2)阳极区段的钢筋表面处于活化状态，在阳极发生反应；(3)存在水分和溶解氧，在阴极发生反应。
直接暴露于水和氧气环境中不受保护的钢筋会发生锈蚀。锈蚀过程是电化学锈蚀过程，是由铁与电解质溶液接触形成大量的微锈蚀电池所引起的。由电解质的不同，主要考虑下列两种情况。一是混凝土碳化引起的钢筋锈蚀。当有二氧化碳和水气侵入混凝土内部，与混凝土中的碱性物质中和，导致混凝土的PH值降低，造成全部或部分钢筋表面钝化膜的破坏。由于钢材材质和表面的非均匀性，在钢筋表面的不同部位总会出现较大的电位差，形成阴极和阳极。因此，在潮湿环境下，由于氧气和水的参与，钢筋就发生电化学反应。随时间推移，一部分氢氧化铁进一步氧化，生成疏松的、易剥落的沉积物一铁锈，并伴有体积膨胀，约为原体积的2至4倍，由此导致钢筋混凝土结构产生顺筋裂缝和混凝土保护层脱落、钢筋外露，降低了结构安全度，从而严重影响钢筋混凝土构件的正常使用。二是氯离子侵入引起的钢筋锈蚀。氯离子是极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土到达钢筋表面，并吸附于钝化膜处时，可降低该处的PH值，破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋锈蚀。氯离子虽然不构成锈蚀产物，在锈蚀反应中夜不消耗，但锈蚀的中间产物对锈蚀反应起催化作用。锈蚀电池作用的结果是在钢筋表面产生锈蚀坑。其存在和发展，加大了钢筋电位差，使锈蚀加速。此外锈蚀坑相当于一个缺口，在钢筋受拉时引起应力分布不均，造成应力集中，可导致钢筋的早期断裂，即应力锈蚀。这是化学锈蚀与应力复合作用的结果，主要与锈蚀介质、钢筋的应力水平和钢筋材质有关，钢筋的强度和应力值对应力锈蚀有重要影响。钢筋强度越高，其变形性能越差，越容易发生应力锈蚀;钢筋应力越高，应力锈蚀的敏感性越大。
2、钢筋锈蚀的影响因素
混凝土结构中的钢筋锈蚀受许多因素的影响，其中主要包括：
(1)混凝土液相PH值。 当PH值大于10时，钢筋、锈蚀速度很小；当PH值小于4时，钢筋锈蚀速度急剧增加。
(2)混凝土中氯离子含量。一般情况，钢筋混凝土中氯盐掺量应小于水泥重量的1%，掺氯盐的混凝土必须振捣密实，不宜采用蒸气养护。
(3)混凝土的密实度和保护层厚度。棍凝土对钢筋的保护作用体现在两方面：一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层可阻止外界腐蚀介质、氧气和水的渗入。第二种作用主要取决于混凝土的密实度和保护层厚度。
(4)粉煤灰等掺合料的数量
国内外研究表明，掺用粉煤灰等掺合料可降低混凝土碱性，提高混凝土密实度，改变混凝土内部孔隙结构，阻止外界腐蚀介质、氧气和水分的渗入，还可增强混凝土抵抗散电流对钢筋的腐蚀作用。
 (5)环境条件
 温度、湿度及干湿交替作用、海水飞溅、海盐渗透等可引起钢筋锈蚀。实践表明，混凝土在潮湿及腐蚀介质中的使用寿命比在干燥环境及无腐蚀介质下减少2至3倍。
 (6)钢筋应力状态
 应力腐蚀可造成应力集中产生裂纹源，进而造成裂纹尖端部位材料的脆化引起裂缝发展导致钢筋断裂。
3、钢筋锈蚀对结构性能的影响
 混凝土中的钢筋锈蚀后，产生体积膨胀，混凝土保护层出现顺筋裂缝，使钢筋与混凝土的粘结力下降，钢筋截面面积减小，屈服强度降低，抗拉强度和极限延伸率明显降低，从而降低结构的承载能力和稳定性，危及结构物的安全。
2.1.3裂缝分析
混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。引起裂缝的原因很多，可归纳为两大类：第一类:由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝(又称受力裂缝)，其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。第二类:由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当自应力达到混凝土抗拉强度极限值时，就会引起混凝土裂缝。裂缝一旦出现，变形得到释放，自应力也就消失了。两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%，以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。有时两类裂缝融在一起。对裂缝原因的分析是裂缝危害性评定、裂缝修补和加固的依据。
1、结构性裂缝
在混凝土即将开裂的瞬间，钢筋应力远小于使用阶段钢筋应力，因此在使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是不可避免的，称为正常裂缝。实践证明，在正常使用条件下，裂缝宽度小于0.3mm时，钢筋不致生锈。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004 )规定:钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值:
I类及II类环境0.2mm
III类及IV类环境O.15mm
 I类环境一温暖或寒冷地区的大气环境;与无侵蚀性的水或土接触的环境。
II类环境一严寒地区的大气环境;使用除冰盐环境;滨海环境。
III类环境一海水环境。
Iv类环境一受侵蚀性物质影响的环境。
结构性裂缝除正常裂缝外，主要还包括以下几种:一是荷载裂缝。(1)受压裂缝：当设计的混凝土抗压强度不够或超载使用时，在承压应力大的部位，出现局部拉应力导致产生与压力方向平行的多条局部受压裂缝，甚至导致局部混凝土压碎。(2)弯曲裂缝：当受拉区拉应力超过混凝土抗拉强度时出现弯曲裂缝。随荷载的增大，裂缝宽度增大，长度延伸缝数增多，裂缝区域逐渐向两侧发展。(3)剪切裂缝：发生在剪应力最大的部位。对受弯构件和压弯构件，往往发生在支座附近，由下部开始，沿着与轴线25至45左右的角度开裂。随着荷载增大，裂缝长度不断增长并向受压区发展，裂缝数量增加且逐渐向跨中方向扩大。二是施工裂缝。在混凝土结构浇注、构件支座、起膜、运输、堆放、拼装及吊装的过程中，由于各种原因而产生裂缝。主要有以下情况: (1)混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发，引起混凝土浇筑坍落度过低，使混凝土出现不规则的网状裂缝。(2)初期养护不当：在混凝土初期养护时，由于浇水不足或不及时或遇大风天气施工，混凝土表面急骤干燥，出现塑性收缩状态，会在混凝土表面产生不规则裂缝，一般深度较浅。(3)骨料中含土过多，会使混凝土随着干燥而产生不规则网状裂缝，并使混凝土强度降低。(4)振捣不密实，出现蜂窝，形成各种荷载裂缝的起点。三是不均匀沉降引起的裂缝。这类裂缝宽度较大，往往在节点处易产生，常见于双柱或多柱框架式墩台。框架梁两端发生的裂缝方向相反，下沉柱上的梁柱接头处可能发生水平裂缝。
2、非结构性裂缝
（1）收缩裂缝
在混凝土凝固过程中，水分由表及里逐步蒸发，截面上温度不等，内外干缩量不一样，当混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.05至0.2mm之间。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。板类构件则多沿短边方向，均匀分布于相邻两钢筋间，方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腹板产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部，中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。
 （2）温度裂缝
钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，当受到约束时，在混凝土内部会产生拉应力，当此拉应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，就会引起混凝土开裂。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型:一是截面均匀温差裂缝。一般桥梁结构为杆件体系长细结构，当温度变化时构件截面受到均匀温差的作用，可忽略截面两个方向的变形，只考虑沿梁长方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。二是截面上、下温差裂缝。以箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，考虑桥梁为长细结构，可简化为沿梁的竖向温度梯度来处理，假设梁的截面高度方向呈线性变化。在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴有弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构位移，且因多余约束存在还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土开裂。三是截面内外温差裂缝。大体积混凝土产生大量水化热不易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，使截面内部产生非线性温差。在温差作用下，结构产生弯曲变形，且符合平截面假定，截面纵向纤维因温差的伸长而受到约束，产生温度自应力，易造成混凝土开裂。混凝土温度裂缝有以下特点:裂缝发生在板.上时多为贯穿裂缝;在梁上时多为表面裂缝；梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边；大面积结构裂缝多是纵横交错；裂缝宽度不一，一般在O.Smm以下，且沿结构全长没有多大变化。
（3）钢筋锈蚀引起的裂缝
 钢筋锈蚀后，其锈蚀产物的体积比原来膨胀了2至4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力。当膨胀应力大于混凝土抗拉强度时就会产生裂缝。这种裂缝一般都为沿钢筋长度方向发展的顺筋裂缝。
 （4）碱一骨料反应裂缝
 碱一骨料反应是指水泥中的碱和骨料中的活性氧化硅发生反应，生成碱一硅酸盐凝胶并吸水产生膨胀压力，致使混凝土出现开裂现象。这种裂缝的形状及分布与钢筋限制有关，其破坏特征为:当钢筋限制力很小时，表面混凝土产生杂乱无章的网状裂缝，并在缝中有白色浸出物，或者在骨料颗粒周围出现反应环；当钢筋限制力强时出现顺筋裂缝。
2.2桥梁的刚度理论
桥梁刚度是一个变量，桥梁刚度变化受诸多因素得影响：如早期设计荷载较低、车辆超载、混凝土得徐变，受拉钢筋得松弛等。阻尼是确定桥梁振动的重要动力参数之一，阻尼消耗能量，使桥梁振动减弱，对桥梁是有利的。桥梁阻尼可分为固有阻尼和外加阻尼。固有阻尼主要由材料的内阻尼、摩擦阻尼和其他阻尼构成。桥梁振动过程中，通常用振动的能量消耗率来表示结构阻尼的强弱。桥梁的振型、刚度、阻尼比相互关系如下。
(1)桥梁的振型与时间和位置有关，是时间和位置的函数。
(2)桥梁的刚度与频率的平方成正比。
(3)在工程实践中一般只采取一阶振型，忽略阻尼。
2.3桥梁检测评估体系研究
因为公路桥梁的数量大分布面广，检测工作量浩大，不可能全面同等检测。须首先对运营期长、社会重要性高、先天或后天结构缺损严重、交通繁重、行线路不足的桥梁优先给予检测。各国都根据具体情况制定了分级排序的国标准，基本方法大同小异，都是采用模糊分离的方法。首先对感兴趣的指标专家作模糊分级，并由专家给出指标的权中，作为行业、地区或某桥的标准；用时，对桥的规定指标用模糊分级进行评分，并加权总和。
1、《公路养护技术规范》（JTJ073-96）综合评定法
2、 综合评定法的算式

式中：
—全桥技术状况评分（0-100），高分表示桥梁技术状况好。
—按下表方法对各部件评定标度（0－5）；对于标度的定量描述为桥梁技术状况，分为四类五种。
—桥梁各部件权重，见表 3-2。
2.3 桥梁技术状况评定标准(表1)
2.4 综合评定分类界限
 ≥88     一类桥梁——好
88  > ≥60   二类桥梁——较好
60  > ≥40  三类桥梁——差
40  >      四类桥梁——危桥
当桥梁的 ≥60时,不排除其中有评定标度 ≥3d的部件,仍有维修的需求。

2.4桥梁承载能力评定
对桥梁检测最直接的检验方法就是桥梁的荷载试验。通过荷载试验可以更加准确的评价桥梁的工作状态。桥梁的荷载试验的任务是根据试验目的和要求来确定。一般地说，桥梁荷载试验的主要任务：
1. 确定桥梁结构的承载力及营运条件
（1）对于重要的桥梁结构，除在设计阶段进行必要项目的试验研究外，通常在桥梁的建成竣工后，通过荷载试验来鉴定桥梁结构的质量和运营条件，分析判断桥梁的实际承载能力。
（2）对于需要改建或加固的桥梁，通过荷载试验可以进一步提供桥梁改造技术的依据，尤其是对缺少设计资料的旧桥。
（3）对于新型桥梁及运用新材料、新工艺的复杂桥梁结构，通过系统的荷载试验，可以了解和掌握结构在荷载作用下的实际受力状态，验证结构计算图式，并探索具有普遍意义的规律，为充实和发展桥梁结构的计算理论和施工工艺积累科学资料。
2.分析桥梁的病害原因及其变化规律
对于遭受到洪水、冰冻、地震、撞击、河床挖坑或冲刷而损伤的桥梁结构，或在桥梁建造或使用期间发现有严重缺陷，如过大的变形或裂缝等，常通过桥梁荷载试验进行综合分析研究，提出合理的整治方案和养护措施。
3.检验桥梁结构的内在质量
对新型桥梁或加固、改建桥梁进行竣工验收鉴定，以对桥梁结构整体受力性能能否达到设计文件和规范的要求做出评价，检验预期的设计效果。经过荷载试验的桥梁，应根据整理的试验资料分析结构的工作状况，进一步评定桥梁的承载能力，为新建桥梁验收做出鉴定结论，或作为旧桥承载力鉴定见算的依据，并纳入桥梁承载能力鉴定报告和桥梁承载能力鉴定表。