沿海高速公路桥梁结构全寿命安全评估与提升技术
【成果名称】沿海高速公路桥梁结构全寿命安全评估与提升技术
【成果属性】
【推荐单位】浙江省交通规划设计研究院有限公司
【成果体现形式】新技术
【鉴定/评价单位】浙江省交通运输厅
【成果研究形式】与院校或院所合作
【鉴定/评价日期】2019-05-18
【成果推广形式】
【成果内容简介】简要技术说明： 本研究的目的为提高和改善沿海高速桥梁结构耐久性，延长结构物的使用寿命，降低运营期养护、维修、改造费用，降低和避免由于桥梁结构物失效产生的经济损失和社会影响，使得桥梁结构物能在既定的设计使用年限内发挥出结构自身最大的使用价值。 项目具体将从沿海高速公路桥梁结构全寿命周期的角度出发，针对机制砂混凝土在沿海高速公路桥梁结构中的长期性能、复杂作用下沿海混凝土桥梁结构的疲劳与安全性能、沿海高速公路混凝土桥梁结构寿命提升技术以及桥梁结构全寿命设计理论和安全评估体系等方面进行系统的研究，使得沿海高速公路桥梁结构的全寿命性能（安全、适用、耐久、经济、生态等）达到最优或优化，从而进一步提高沿海高速公路桥梁结构的整体经济和社会效益，提升沿海高速公路桥梁结构安全可靠水平与经营效益。 本项目研究成果是包括机理研究、性能试验、工程实践等方面为一体的综合技术，具有重要的理论和实践意义。 主要技术性能指标： （1）提出的基于真实骨料形状参数的机制砂混凝土模拟方法，可为机制砂混凝土配合比优化设计提供理论依据，实现了机制砂混凝土与普通砂混凝土的等强设计，并有效的解决了机制砂混凝土的早期干缩问题，28d干缩率控制在3.5×10-4以内，低于普通砂混凝土干缩率。 （2）提出了机制砂混凝土构件长期性能设计方法，有效实现机制砂混凝土结构抗裂控制、长期徐变控制和疲劳安全保障，为机制砂混凝土应用范围的推广提供设计依据。 （3）明确了钢筋压磁信号与钢筋混凝土构件疲劳性能的对应关系，定义了基于压磁效应参数的钢筋混凝土受弯构件的疲劳损伤变量，证明了用混凝土梁受力筋的压磁效应评估钢筋混凝土结构疲劳性能的方法的有效性，为钢筋混凝土结构疲劳性能无损检测提供新方法。 （4）基于引起混凝土桥梁发生疲劳的关键因素车辆荷载（车流量和车辆荷载特点），同时考虑其它环境因素引起材料劣化的影响，结合现行混凝土桥梁检测、评估和养护相关规范，采用层次分析法，结合模糊数学理论，建立混凝土桥梁疲劳性能评价指标体系与分级标准。 （5）传统的电化学除氯技术的极化电流密度大于0.3A/m2时，其断裂能比值已低于80%，为脆性断裂。按极化电流密度3A/m2进行双向电迁时，钢筋的断裂能比值仍大于80%，属于塑性断裂范围。因此，在安全自腐蚀电位下，双向电迁技术的极化电流可达3A/m2，而传统电化学除氯技术仅为0.6A/m2，其耐久性修复效率至少提高5倍。 （6）纳米材料电迁移—混凝土性能增强技术，可实现混凝土孔隙率在纳米粒子电迁移后有所减少，孔隙分布图中峰值孔径左移，表面整体孔隙率都有所减小，显著改善混凝土内部孔隙结构。 （7）通过分析沿海高速公路桥梁结构的多重设计目标，将结构的全寿命设计过程分为安全与可靠性设计、耐久性设计、经济评价、区域环境评价、社会评价和全球环境评价等六个等级，提出了沿海高速公路桥梁结构的全寿命分层设计方法。 （8）考虑工程活动的空气污染物、废水和固体废弃物，以污染防治理论为基础建立了全寿命环境成本模型。考虑工程活动在个人层面和社会层面的不良社会影响及其经济损失，形成了沿海高速公路桥梁结构的全寿命社会成本模型。基于可持续发展的理念，形成了包含直接成本、环境成本和社会成本的结构全寿命总成本模型，并以MATLAB为平台开发“工程结构全寿命总成本计算软件”。
【成果前景介绍】本课题从材料、构件、结构三个层次出发，结合现行混凝土梁桥检测、评估相关规范，提出的机制砂混凝土结构长期性能设计方法，将实验研究、理论分析和检测方法融合为一体，建立与空间、时间、荷载效应相一致的机制砂混凝土结构力学性能研究体系，这对于建立机制砂混凝土结构设计与评估体系具有重要的作用，对指导实际工程设计、施工和维护也具有重要的应用价值。本项目的研究成果对解决天然砂匮乏地区配制混凝土的砂源问题，提高我国机制砂混凝土应用水平，拓展机制砂混凝土的应用范畴，支持我国基本建设持续发展，保护生态环境具有重要的意义。 提出的沿海混凝土桥梁疲劳性能评价方法，将在役钢筋混凝土梁桥结构的疲劳性能划分为五个模糊等级和三个组成层次，充分考虑疲劳性能失效的特点而采用了不同的考核指标。各个等级之间连续变化，既与现行公路桥涵养护规范相衔接，又避免了等级的突变，可操作性强，因而具有良好工程应用价值；各个层次都有确定的疲劳性能等级与之对应，这对于基于疲劳性能的设计、维修加固无疑具有参考价值。用频数统计法确定权重，用改进后的隶属度公式确定隶属度，用加权平均法作为模糊算子，改进的模糊综合评判方法较好地解决了最大隶属度法存在的缺陷，避免了误判的可能性。该方法可以直观判断桥梁的缺陷原因，以便采用相应的、合理的处治措施，操作简单易行，尤其适用于设计资料不全或桥梁检测数据多为定性分析的情况。 提出的双向电迁技术能够广泛地应用于氯盐侵蚀钢筋混凝土结构，以排出保护层中的氯离子、迁入阻锈剂，以达到阻止钢筋锈蚀，防止锈胀裂缝出现，延长结构服役寿命的效果。本项目的研究成果可广泛应用于建筑、交通、军事等领域，特别适用于提升沿海地区氯盐侵蚀混凝土结构、除冰盐环境混凝土结构、海水海砂混凝土结构以及海上快速军事应急混凝土结构设施等的使用寿命。项目研究成果已在宁波大榭大桥、乐清湾大桥、江苏南通小洋口桥等工程中进行了应用，取得了显著的耐久性提升效果。为了进行量化生产和大规模推广应用，还需与模具企业合作，优化双向电迁阳极固定装置结构。目前项目所用阳极固定装置已能够实现水位变动区的双向电迁，但仍然需要在增大双向电迁单位面积、装置安装无损性、装置安装自动化等方面进行优化，应与模具企业合作，根据实际工程的构件规模和尺寸进行阳极固定装置的标准设计与生产。 提出的工程结构全寿命总成本模型和相关计算软件能够将结构的环境影响和社会影响货币化，并与结构的直接成本结合，形成包含经济、环境和社会影响的综合指标，体现结构的综合可持续性，可根据不同工程需求或决策者的风险态度调整直接成本、环境成本和社会成本之间的比例，以适应不同的决策背景。 本项目的研究成果可广泛应用于工程结构的全寿命设计过程中，对结构进行可持续性评价、基于全寿命总成本的方案设计、比选和优化等，特别适用于土木工程基础设施的全寿命设计和评估。本项目的研究成果已针对大榭大桥和乐清湾大桥进行了实例分析，获得了可持续性较好的结构设计和维护方案，验证了该模型的可行性。
【成果登记日期】2019-05-18
【成果属性】
【推荐单位】浙江省交通规划设计研究院有限公司
【成果体现形式】新技术
【鉴定/评价单位】浙江省交通运输厅
【成果研究形式】与院校或院所合作
【鉴定/评价日期】2019-05-18
【成果推广形式】
【成果内容简介】简要技术说明： 本研究的目的为提高和改善沿海高速桥梁结构耐久性，延长结构物的使用寿命，降低运营期养护、维修、改造费用，降低和避免由于桥梁结构物失效产生的经济损失和社会影响，使得桥梁结构物能在既定的设计使用年限内发挥出结构自身最大的使用价值。 项目具体将从沿海高速公路桥梁结构全寿命周期的角度出发，针对机制砂混凝土在沿海高速公路桥梁结构中的长期性能、复杂作用下沿海混凝土桥梁结构的疲劳与安全性能、沿海高速公路混凝土桥梁结构寿命提升技术以及桥梁结构全寿命设计理论和安全评估体系等方面进行系统的研究，使得沿海高速公路桥梁结构的全寿命性能（安全、适用、耐久、经济、生态等）达到最优或优化，从而进一步提高沿海高速公路桥梁结构的整体经济和社会效益，提升沿海高速公路桥梁结构安全可靠水平与经营效益。 本项目研究成果是包括机理研究、性能试验、工程实践等方面为一体的综合技术，具有重要的理论和实践意义。 主要技术性能指标： （1）提出的基于真实骨料形状参数的机制砂混凝土模拟方法，可为机制砂混凝土配合比优化设计提供理论依据，实现了机制砂混凝土与普通砂混凝土的等强设计，并有效的解决了机制砂混凝土的早期干缩问题，28d干缩率控制在3.5×10-4以内，低于普通砂混凝土干缩率。 （2）提出了机制砂混凝土构件长期性能设计方法，有效实现机制砂混凝土结构抗裂控制、长期徐变控制和疲劳安全保障，为机制砂混凝土应用范围的推广提供设计依据。 （3）明确了钢筋压磁信号与钢筋混凝土构件疲劳性能的对应关系，定义了基于压磁效应参数的钢筋混凝土受弯构件的疲劳损伤变量，证明了用混凝土梁受力筋的压磁效应评估钢筋混凝土结构疲劳性能的方法的有效性，为钢筋混凝土结构疲劳性能无损检测提供新方法。 （4）基于引起混凝土桥梁发生疲劳的关键因素车辆荷载（车流量和车辆荷载特点），同时考虑其它环境因素引起材料劣化的影响，结合现行混凝土桥梁检测、评估和养护相关规范，采用层次分析法，结合模糊数学理论，建立混凝土桥梁疲劳性能评价指标体系与分级标准。 （5）传统的电化学除氯技术的极化电流密度大于0.3A/m2时，其断裂能比值已低于80%，为脆性断裂。按极化电流密度3A/m2进行双向电迁时，钢筋的断裂能比值仍大于80%，属于塑性断裂范围。因此，在安全自腐蚀电位下，双向电迁技术的极化电流可达3A/m2，而传统电化学除氯技术仅为0.6A/m2，其耐久性修复效率至少提高5倍。 （6）纳米材料电迁移—混凝土性能增强技术，可实现混凝土孔隙率在纳米粒子电迁移后有所减少，孔隙分布图中峰值孔径左移，表面整体孔隙率都有所减小，显著改善混凝土内部孔隙结构。 （7）通过分析沿海高速公路桥梁结构的多重设计目标，将结构的全寿命设计过程分为安全与可靠性设计、耐久性设计、经济评价、区域环境评价、社会评价和全球环境评价等六个等级，提出了沿海高速公路桥梁结构的全寿命分层设计方法。 （8）考虑工程活动的空气污染物、废水和固体废弃物，以污染防治理论为基础建立了全寿命环境成本模型。考虑工程活动在个人层面和社会层面的不良社会影响及其经济损失，形成了沿海高速公路桥梁结构的全寿命社会成本模型。基于可持续发展的理念，形成了包含直接成本、环境成本和社会成本的结构全寿命总成本模型，并以MATLAB为平台开发“工程结构全寿命总成本计算软件”。
【成果前景介绍】本课题从材料、构件、结构三个层次出发，结合现行混凝土梁桥检测、评估相关规范，提出的机制砂混凝土结构长期性能设计方法，将实验研究、理论分析和检测方法融合为一体，建立与空间、时间、荷载效应相一致的机制砂混凝土结构力学性能研究体系，这对于建立机制砂混凝土结构设计与评估体系具有重要的作用，对指导实际工程设计、施工和维护也具有重要的应用价值。本项目的研究成果对解决天然砂匮乏地区配制混凝土的砂源问题，提高我国机制砂混凝土应用水平，拓展机制砂混凝土的应用范畴，支持我国基本建设持续发展，保护生态环境具有重要的意义。 提出的沿海混凝土桥梁疲劳性能评价方法，将在役钢筋混凝土梁桥结构的疲劳性能划分为五个模糊等级和三个组成层次，充分考虑疲劳性能失效的特点而采用了不同的考核指标。各个等级之间连续变化，既与现行公路桥涵养护规范相衔接，又避免了等级的突变，可操作性强，因而具有良好工程应用价值；各个层次都有确定的疲劳性能等级与之对应，这对于基于疲劳性能的设计、维修加固无疑具有参考价值。用频数统计法确定权重，用改进后的隶属度公式确定隶属度，用加权平均法作为模糊算子，改进的模糊综合评判方法较好地解决了最大隶属度法存在的缺陷，避免了误判的可能性。该方法可以直观判断桥梁的缺陷原因，以便采用相应的、合理的处治措施，操作简单易行，尤其适用于设计资料不全或桥梁检测数据多为定性分析的情况。 提出的双向电迁技术能够广泛地应用于氯盐侵蚀钢筋混凝土结构，以排出保护层中的氯离子、迁入阻锈剂，以达到阻止钢筋锈蚀，防止锈胀裂缝出现，延长结构服役寿命的效果。本项目的研究成果可广泛应用于建筑、交通、军事等领域，特别适用于提升沿海地区氯盐侵蚀混凝土结构、除冰盐环境混凝土结构、海水海砂混凝土结构以及海上快速军事应急混凝土结构设施等的使用寿命。项目研究成果已在宁波大榭大桥、乐清湾大桥、江苏南通小洋口桥等工程中进行了应用，取得了显著的耐久性提升效果。为了进行量化生产和大规模推广应用，还需与模具企业合作，优化双向电迁阳极固定装置结构。目前项目所用阳极固定装置已能够实现水位变动区的双向电迁，但仍然需要在增大双向电迁单位面积、装置安装无损性、装置安装自动化等方面进行优化，应与模具企业合作，根据实际工程的构件规模和尺寸进行阳极固定装置的标准设计与生产。 提出的工程结构全寿命总成本模型和相关计算软件能够将结构的环境影响和社会影响货币化，并与结构的直接成本结合，形成包含经济、环境和社会影响的综合指标，体现结构的综合可持续性，可根据不同工程需求或决策者的风险态度调整直接成本、环境成本和社会成本之间的比例，以适应不同的决策背景。 本项目的研究成果可广泛应用于工程结构的全寿命设计过程中，对结构进行可持续性评价、基于全寿命总成本的方案设计、比选和优化等，特别适用于土木工程基础设施的全寿命设计和评估。本项目的研究成果已针对大榭大桥和乐清湾大桥进行了实例分析，获得了可持续性较好的结构设计和维护方案，验证了该模型的可行性。
【成果登记日期】2019-05-18