混凝土桥梁服役性能退化及预防性维护综述
混凝土桥梁服役性能退化及预防性维护综述
随着我国桥梁数量的不断增加以及交通运输量的持续增长，越来越多的桥梁出现服役性能退化现象。因此，合理预测桥梁的剩余使用寿命，并在适当的时间进行保养和维护，成为桥梁安全高效运行的关键。本文从桥梁材料劣化机理、材料力学性能退化、钢筋混凝土结构力学性能退化模拟、桥梁服役性能评估、剩余使用寿命预测和预防性维护策略制定等六个方面进行了阐述，分析了钢筋混凝土桥梁服役性能退化、评估、预测与提升等研究现状。
混凝土桥梁服役性能退化现状
我国是桥梁大国，据统计截至2022年底，我国共有桥梁约112.52万座，累计长度11.706万公里，居世界首位。其中近四十年修建的桥梁约占总量的80%，超过40万座桥梁已经服役20多年，需要进行科学有效地维护管理。因此，我国桥梁正在由以“建设为主”转向“建养并重”发展。
资料显示，我国大量桥梁正在面临老化和病害问题。虽然按1972年及之后的设计标准修建的桥梁能够基本满足目前交通需求，但受制于服役环境的复杂性以及当时的技术水平和材料水平，既有桥梁普遍存在服役性能退化等问题，并进一步出现承载力不足等状况。此外，随着交通运输荷载加重、运输密度提高以及运输需求增加，许多桥梁面临着超载和超设计寿命服役的问题。
混凝土桥梁服役性能退化机理
混凝土桥梁服役性能退化主要体现在材料劣化、结构力学性能退化等方面。其中，材料劣化主要包括混凝土碳化、冻融破坏、盐类侵蚀、碱-骨料反应等；钢筋劣化则主要体现在钢筋锈蚀和疲劳两方面。
混凝土劣化机理
混凝土劣化主要包括碳化、冻融破坏、盐类侵蚀、碱-骨料反应等。其中，混凝土碳化是指环境中的CO2或某些酸性气体与暴露在空气中的混凝土表面接触并且不断向内部扩散，与混凝土中的碱性水化物（如CaO）发生反应，生成碳酸钙或其他物质的多相物理化学过程。混凝土碳化会降低混凝土的碱度，造成钢筋锈蚀，进而引发混凝土保护层开裂以及钢筋与混凝土之间粘结破坏等不良后果。
混凝土的冻融破坏主要发生在严寒地区，其机理是混凝土孔隙水遇冷冻后体积膨胀，孔壁产生挤压应力，待温度升高后冰冻融化，孔壁应力随之消失，经过多次循环作用或孔壁应力超过混凝土强度时导致混凝土开裂。
盐类侵蚀主要表现为混凝土弹性模量和抗压强度的下降。盐类对混凝土的侵蚀分物理侵蚀和化学腐蚀两大类。物理侵蚀是指盐溶液结晶膨胀对混凝土产生的破坏，而化学腐蚀是水泥水化产物与盐发生化学反应导致的破坏。
碱-骨料反应是指骨料的特定成分与混凝土中的碱发生反应，进而导致混凝土膨胀开裂。碱-骨料反应因发生在混凝土内部且长期存在难以根除，故被称为混凝土“癌症”，至今也是国内外研究的热点。
钢筋劣化机理
在钢筋混凝土结构中，钢筋劣化是影响结构耐久性的主要因素，也是工程实际中关注的重点问题。钢筋劣化主要体现在钢筋的锈蚀和疲劳两方面，其中锈蚀是主要的劣化形式。
钢筋锈蚀会消耗原有钢筋，并形成性能差、体积大的锈胀物。根据氧化程度的不同，锈胀物的体积可达原钢筋损失体积的2.2至6.4倍。钢筋锈蚀不仅会引起混凝土保护层脱落，还会导致钢筋的屈服强度、延展性以及钢筋与混凝土之间的粘结性能降低。
钢筋疲劳损伤也是导致桥梁性能退化的一大因素。钢筋疲劳破坏是一个损伤累积的过程，疲劳损伤不仅与作用大小有关，而且与作用频率有关。为确保桥梁的安全性和可靠性，对其进行疲劳试验至关重要。
混凝土桥梁服役性能退化模型
混凝土桥梁服役性能退化模型是基于劣化机理、实验数据、经验公式和统计方法等建立的计算模型，用于描述材料在使用过程中力学性能退化的规律和趋势。桥梁服役性能退化从层次组成上可分为材料力学性能退化、构件力学性能退化和结构力学性能退化，基于不同层级，许多既有文献提出了相应的研究模型。
锈蚀钢筋力学性能退化模型
锈蚀钢筋力学性能退化研究体现在多个方面，主要有锈蚀钢筋的本构关系、锈蚀量与锈胀时间以及混凝土锈胀开裂等。锈蚀钢筋的本构关系可用力学模型表示。锈蚀量与锈胀时间对于评估结构安全，规划维护以延长结构使用寿命，有效管理桥梁及推动材料研发与改进具有重要意义。混凝土锈胀开裂是结构寿命衰减的主要因素之一，通过研究锈胀开裂模型可以评估预测结构在寿命期内裂缝扩展情况，并制定有效的维护和加固策略，以提高结构可靠性和安全性。
预应力损失退化模型
预应力混凝土预应力筋（如高强度钢筋、钢丝或钢绞线）在长期服役下将产生预应力损失，影响因素包括材料特性（如混凝土收缩与徐变，钢筋松弛、锈蚀与疲劳等）、外部环境（如温度、湿度、荷载与化学腐蚀物等）和施工工艺（如张拉方法与张拉控制应力等）等。
混凝土力学性能退化模型
混凝土受内外环境的影响会发生力学性能退化，主要表现为混凝土的弹性模量下降、本构关系变化与强度降低等。混凝土本构关系可以通过试验分析和理论推导来获得。随着有限元理论和计算机技术的发展，以有限元模型为代表的数值分析模型逐渐成为混凝土本构关系研究的重要方向。有限元模型可以更准确地模拟混凝土在多尺度、多物理场耦合和不同加载条件下的力学行为和损伤演化过程。除力学模型和数值分析模型外，近年来还出现了基于统计学和机器学习的模型，如基于人工神经网络、支持向量机和深度学习等预测模型。
钢筋与混凝土之间的粘结强度退化模型
钢筋与混凝土之间的牢固粘结是保证二者共同工作的前提。当粘结不足时会导致结构承载力和刚度下降，直接影响钢筋混凝土结构的使用性能。在役钢筋混凝土结构粘结强度退化受到多种因素的影响，如钢筋锈蚀、环境侵蚀、混凝土强度下降和混凝土开裂等都会降低其粘结性能。
混凝土桥梁服役性能评估
桥梁服役性能评估方法主要有两类，即数据驱动的服役状态评定方法与物理模型驱动的结构性能评估方法。数据驱动的服役状态评定方法是利用既有桥梁的历史检查数据，对桥梁的服役状态进行评定，包括技术状态评定和适应性评定（如承载能力、通行能力、抗灾害能力和耐久性等），但目前主要以技术状态评定为主。物理模型驱动的结构性能评估方法主要是利用结构可靠度理论，对既有桥梁的结构性能进行定量评估。
混凝土桥梁剩余使用寿命预测
随着桥梁数量的不断增加以及交通运输量的持续增长，越来越多的桥梁出现服役性能退化现象。因此，合理预测桥梁的剩余使用寿命，并在适当的时间进行保养和维护，成为桥梁安全高效运行的关键。这不仅能够节约大量资源和资金，还能有效避免因桥梁结构性能缺损引发交通事故。
桥梁寿命预测方法大致可以分为经验法、类比法、加速试验法、人工智能法、物理模型法和概率分析法等。其中，回归分析预测法、马尔可夫预测法、人工神经网络预测法、可靠度预测法等在桥梁寿命预测中都有广泛应用。
混凝土桥梁预防性维护策略制定
桥梁结构力学性能发生退化后，需要及时进行养护维修，以有效降低退化速度，提高在役桥梁服役性能水平，延长结构使用寿命。对于如何养护维修，需要考虑最佳时间，过早会造成资源浪费，过晚又达不到效果。
养护工程根据养护目的和养护对象，可分为日常养护、预防养护、修复养护、专项养护和应急养护。根据养护时间点不同，桥梁养护又可分为矫正性养护和预防性养护。相比矫正性养护，预防性养护在于养护时间的提前性，养护时间需要根据养护的经济性和桥梁的技术状况等科学确定。
桥梁维修有基于状态和基于可靠度两种方法，目前应用最广的是基于状态的维修方法，基于可靠度的维修方法还处于探索阶段，是未来的发展方向。预防性养护的核心工作主要是成本效益分析及最优养护时机分析，成本效益分析主要是对桥梁养护成本的计算与预测，分析养护方案能带来的社会经济效益。
结论与展望
本文从桥梁材料劣化机理、材料力学性能退化、钢筋混凝土结构力学性能退化模拟、桥梁服役性能评估、剩余使用寿命预测和预防性维护策略制定等六个方面进行了阐述，分析了钢筋混凝土桥梁服役性能退化、评估、预测与提升等研究现状，指出了相关理论和研究的不足，得出以下结论：
研究钢筋与混凝土的材料机理可为建立结构性能退化模型、预测结构的使用寿命以及制定最优的维修养护策略提供理论依据。在研究其劣化机理时，应充分考虑多因素耦合作用，并力求与实际环境相结合。另外，材料微观损伤对宏观力学性能影响的定量关系有待于进一步探索。
结构力学性能退化有理论模型和试验模型等，各种模型各具特色，应相互借鉴、取长补短。针对不同材料与构件应科学的选择，并应考虑多模型相结合，综合对比得出最优结果。对于各种材料、构件和结构的性能退化研究，可以考虑真实环境下的多因素耦合力学性能退化试验，以获得与实际相匹配的数据。
桥梁技术状态评定作为桥梁服役状态评估的一种方法，具有操作简单、实用性强等特点，但评定结果的准确性会受检查人员的主观性影响。而时变可靠度法为更加科学的评估桥梁服役性能提供了有效途径，但统计参数的精确性和随机因素的全面性对可靠度计算的准确性影响较大。对重要桥梁可考虑研究构建数字孪生系统，以对桥梁服役性能进行实时动态评估。
桥梁剩余使用寿命预测是桥梁智能运维中的一项重要内容，为科学制定养护和维修计划提供依据。目前，准确预测桥梁剩余使用寿命仍然具有挑战性，但明确材料劣化、结构力学性能退化和结构可靠度三者之间的内在联系对桥梁寿命预测具有关键作用。
在进行桥梁养护维修时，应根据桥梁实际情况尽可能的确定各种优化目标，选择合适的优化方法，制定最佳维护策略，达到最好的维修效果。同时研究维修后的桥梁结构力学性能和维修效果，可为后期再维修提供技术支持。