英國克里夫頓懸索橋
任何暴露在室外、歷經各種氣候洗禮的建筑物，都不免會受到風吹雨打、冷熱交替的影響，懸崖峭壁就是典型的例子。導致巖石結構損壞的過程一般為：被風力驅動的雨水會穿透巖石或滲入多孔伸縮縫，凍結并使石頭碎裂。建于公元1092年的杜倫大教堂（Durham Cathedral）就是典型的例子。據說，這座古建筑的養護史至少已有50多年，當局采用腳手架在其周圍進行修復，這可能是多數大型古建筑最終需要面臨的局面。那些沒有得到持續性養護的結構，由于年久失修，一部分甚至已淪為廢墟。
結構基礎的性能，必須被視為結構使用壽命的決定性因素之一。無論是擴展式基礎還是樁基礎，設計的堅固性通常可以避免基礎的破壞，但地面條件本身可能導致材料失效。在將土壤力學理論應用于基礎之前，結構是否可以直立需反復試驗。人們對軟土地基、巖石及樁基礎的了解主要基于局部知識，而非理論。通常在有沼澤的情況下會使用樁。樁最易損壞的部分是靠近表面的一小部分，該部分對潤濕和干燥最為敏感，因此，只要對其進行保護，就能延長樁的壽命。
圖1 杜倫高架橋
英國過去曾使用另外一些天然材料“柳條繩索墊和綿羊毛”。英國的鐵路建設時代需修建大量高架橋，這些高架橋通常用巖石、磚頭或二者混合建造。在沼澤叢生的環境下，以柳枝編織墊子，鋪上羊毛作為撐擋，并在此基礎上建立拱結構較為常見。杜倫高架橋（圖1）位于倫敦至愛丁堡的主干線上，便是以這樣的基礎結構為人所熟知，這座鐵路橋從1856年就開始投入使用，歷經150多年，仍然在見證干線火車的交替往來。
橋梁的壽命取決于什么？
如果我們將同一理論延伸至橋梁，那么近代最古老的橋梁當屬鐵路橋。鐵路橋通常是由磚或石頭建成的拱形結構，或用鍛鐵、鑄鐵制成的梁橋和桁架結構。
拱橋的壽命
拱橋的本質是基礎牢固。不幸的是，英國和世界上其他地區鐵路繁榮時期所興建的鐵路橋，并未滿足這些條件。英國的鐵路主要在1840年至20世紀初建造，用來連接各大工業城市，路線上的建材可能會發生變化，因此基礎的沉降導致拱變形，從而降低了拱的承載能力，并導致拱頂變形失效。
在那個年代，拱橋由工匠建造，在很大程度上沒有使用現代工程學的標準設計。拱的尺寸由泥瓦匠估算，這些泥瓦匠在沒有理論基礎的情況下，處理了制圖員準備的圖紙。
已有研究表明，磚石拱和現代混凝土材料在性能方面持久可靠。
金屬橋的頑癥
隨著鑄鐵和鍛鐵技術的進步，能夠承受拉力的鋼也應運而生。
隨著鐵路負荷的變化，那些當年未按照現代水平設計的橋梁，都開始依照現代規范進行評估，許多橋梁的評估結果遠低于現代標準。評估的主要內容是檢查橋梁的整體狀況。
檢查發現，這些橋梁經常在相似的部位出現腐蝕。發生腐蝕最嚴重的情況通常位于支座處（該處剪力達到最高），或位于最大翼緣張力點的中跨處。梁和桁架的細節構造中，幾乎總能發現存積水、樹葉或其他碎屑的角落。通常，這種情況發生在垂直加勁肋和底部凸緣的交界處，或在桁架構件匯合處。
此類腐蝕帶來的經驗教訓是，如果對這些地方進行定期和頻繁的清潔，則可延長橋梁的使用壽命。
橋梁壽命終結的定義
一旦更換成本小于維修成本，我們就可以認為，某個結構已經達到其使用壽命。
更換的替代方法是減少橋梁的功能，比如把公路橋改為人行天橋，這樣，舊橋的使用意義就得以繼續存在。
腐蝕是決定鋼橋使用壽命的關鍵因素。關鍵區域的斷面通常很難修復，從理論上講，它們承受的壓力很大，而緩解壓力卻不易，這使得更換橋面成為佳選。
現代橋梁的問題
然而，現代材料結構的設計和細化是在高速公路擴建早期進行的，當時人們對現代材料結構的長期特性知之甚少，也不清楚它們會如何變質。
混凝土曾經被認為性能達到永久性，已經經歷了堿-二氧化硅反應、碳化、氯化物侵蝕、硫酸鹽侵蝕和高嶺土侵蝕，這些只是較為常見的例子。
鋼結構的損壞有多種方式，而這些方式通常無法通過肉眼立即檢測到。因此，必須使用儀器對橋梁進行監控。應變片可以檢測應力狀態，染料滲透可以檢測焊縫中的裂縫，疲勞裂縫的程度可以通過使用聲發射監測（AEM）感應，其中每次產生裂縫程度應力的反向可以通過“連續的監測被聽到”。對于難以入內的封閉結構，其狀況可以通過空氣采樣確定。使用遠程光學或視頻記錄儀器通過孔口查看，也可觀測封閉結構的狀況。
大多數現代橋梁在其結構中，均采用混凝土作為支撐，橋面由鋼筋混凝土或預應力混凝土或鋼-混凝土制成。人們普遍認為，橋面伸縮縫是充分密封的，因此，沒有嘗試保護梁座或支座架上的混凝土材料。
由于機動車的增加，越來越多更現代化、駕駛速度更快的汽車問世，在道路上撒鹽、防止冬天路面結冰的做法愈加普及，鹽中的氯離子轉移至鋼筋中，改變了其化學環境，導致鋼腐蝕，并破壞混凝土表層。
我們以英格蘭中部地區一座高架道路的上梁作為案例。試驗時，我們對現有平頂上梁進行改進，方法是在頂面上添加砂漿層，頂面落下，使積水得以流出。通過計算得知，修復成本非常高。但結果表明，上梁的狀況仍然良好，而其他平頂的上梁則遭受了氯離子滲透的所有負面影響。如果頂部從一開始就被設計為可排水的結構，此類支出便可避免。
橋面伸縮縫密封的重要性
在高速公路興建的熱潮前，人們幾乎沒有重視過橋面伸縮縫的密封問題。大跨度鐵路橋通常為拱橋，沒有伸縮縫。鋼結構橋梁的露天橋面有伸縮縫，但高速運行的列車無法感受到它們的問題。然而對于公路橋，輪胎在行駛過伸縮縫時會產生噪音，且掉落下來的碎屑會使伸縮縫無法關閉，因此，帶有伸縮縫的公路橋并非理想設計。（如圖2所示）。
圖2 橋面伸縮縫漏水的后果
人們為追求不泄漏的伸縮縫，許多設計應運而生，這些設計取決于橋面的預期位移。在英國，這些設計已被英國交通部BD 33/94（1994）標準所涵蓋，該標準建議埋入的伸縮縫小于20mm，瀝青的插接伸縮縫范圍為5mm至40mm，縮口澆注的密封膠為5mm至12mm，小于埋入式伸縮縫。根據其設計，使用5mm至40mm的預制壓應力封接進行打孔，并在其上方打上專有伸縮縫。
設計工程師以當時可用的材料設計了各種方案。在高速公路橋梁的興建早期，設計師將用于固定表面的角鋼用螺栓固定在橋面上，并在縫隙中加入了密封劑；嘗試使用環氧樹脂混凝土保留表面，并在縫隙中添加密封劑；但纖維混凝土的嘗試沒有獲得成功。
“瀝青塞伸縮縫”（APJ）可謂上世紀70年代后期的成功案例，通過在瀝青粘合劑中添加聚合物（其在夏季穩定但在冬季具有彈性），因此非常適合用作橋面伸縮縫。
APJ有弊端，因此后來出現了改良。“橡膠彈性金屬流道”橋面伸縮縫為較大的橋面伸縮縫位移而研發，但其缺點在于，將框架固定在橋面的螺栓會逐漸松動。將“橡膠彈性金屬流道”與混凝土聚合物縮口相結合的做法，在很大程度上取得了成功，但其性能取決于縮口安裝工藝。（如圖3所示）。
圖3 金屬流道失效以及縮口的修理
然而，橋面伸縮縫的養護，尤其是清除長期堆積的砂礫，對于其使用壽命至關重要。因為隨著環境溫度的季節性升高，任何被困的砂礫都會壓實并阻止伸縮縫在關閉時正常運行，很多情況下會造成伸縮縫的損壞。
擁有較大橋面位移的伸縮縫本身就是一個有趣的議題。這些伸縮縫的目的是為通行車輛提供光滑的行駛表面,同時控制流過的水,通過發揮其水槽般的效力,使水流走。伸縮縫制造商有著各種不同的伸縮縫設計，且涉及各種原理。
橋梁支座的使用壽命
在高速公路橋梁早期的設計中，小跨度橋梁結構具有自由端和固定端，以適應溫度膨脹和縱向收縮，但經常會忽略橋比其跨度寬的事實。且由于超出設計位移而使彈性支座發生故障或移位，從而導致支座開裂或橋體從其原始位置移動。將支座恢復到原始位置是三四十年后的一項主要工作，通常涉及整個橋面的抬升。
滑動支座通常由一層粘結在鋼基底的聚四氟乙烯（PTFE）組成，該PTFE層也可以在一塊拋光的不銹鋼板上滑動，后者也粘結在鋼基底上。
這種支座的有限壽命，可從它們經歷的循環次數和行進距離得知。可以通過給支座加脂來延長使用壽命，但磨損仍不可避免，須更換支座。這涉及到橋梁抬升，其成本可能遠遠超過更換支座本身，因此，設計階段進展得越輕松，將來的成本就越低。
如何協調設計與施工
長期設計的需求和構造方法之間，經常發生沖突。承包商要求更改或簡化設計細節，以適合其施工方法的情況并不少見，因此，如果設計師利用自身經驗，詳細說明其結構以易于建造，將減少施工人員要求更改設計以及必須在施工過程中重新設計的需求。
因此，應考慮對橋梁各元件進行預制。除無法簡化的復雜結構，大部分橋面皆可進行預制。預制梁是正常行為，但如果適當細化，也可以預制隔板。主要難點在于將隔板連接到主體結構，使其成為橋的組成部分。此舉的優點是減少了對工藝的依賴，并減少了現場施工時間。歐洲設計標準EN4（2005）允許將剪力連接器集中在一起，從而為預制整個橋面寬度的復合混凝土橋面打開大門。
初始成本與長期養護成本比較
在沒有任何養護措施的情況下，結構的使用壽命無法超過其設計壽命。
我們必須對鋼結構進行噴涂，應對橋面伸縮縫失效、支座磨損。盡管設計師盡了最大努力，混凝土仍然可能變質。英國交通部BD 36/92（1992）標準就評估比較了鋼結構和混凝土結構的養護成本。
在橋梁預留了維修通道、頂升橋面相對簡單的情況下，更換支座不是問題。特別對英國而言，長期以來，應該在原始設計中規定未來更換支座的要求。但是，如果橋梁沒有預留維修通道，成本就會上升。
例如，上世紀70年代，英格蘭南部某河口建造了一座大型高架橋，其PTPE粘結在不銹鋼滑動支座上。由于建造橋梁時沒有考慮到支座的更換，因此，更換支座的費用超過200萬英鎊，其中，支座成本僅為2萬英鎊。
在設計能夠持續使用120年的橋梁時，我們必須承認，在其使用壽命的某個階段，須將橋梁抬升以進行更換；或者須使支座的使用壽命達到120年。
還有一種需要考慮的方法，是改變支座設計的理念。通常，支座的設計應符合規范或標準所允許的應力，但這會將所選材料的應力級別設置為最大值；另一種方法是通過增大接觸面積以減小應力，使支座設計超過安全標準設計，這樣做的結果是增加了首次購買支座時的成本，但可節省支座的更換成本。
如何延長橋梁的使用壽命
我們在過去幾十年中積累了豐富的經驗,在延長橋梁使用壽命方面做了很多工作,但細節上還有可以改進的地方。
關于混凝土橋梁，當前的混凝土規范試圖通過增加覆蓋層，消除由碳化引起的鋼腐蝕；規范中規定了骨料和水泥種類，以避免堿-硅石反應；規定亦禁用氯化鈣等對混凝土有害的添加劑。
除此之外,經常遭受氯化物或其他外部侵蝕的混凝土裸露區域,通常會覆蓋一層防止氯化物或其他有害物質進入的層。這些層既可以是施加到混凝土裸露區域表面的阻擋層,也可以是施加到表面并滲入混凝土形成阻擋的液體層。
過去已有證據顯示，用磚砌或其他陶瓷材料覆蓋混凝土，可防止雨水或地表水滲透，以保護結構混凝土，盡管其本身可以承擔一定的養護責任。
橋面邊緣的橫梁可以覆蓋有玻璃增強塑料面板等的環境屏障，以保護橋面免受氯化物的侵害，但是這種覆層應易于更換，否則將成為養護方面的負擔。
橋面應在墩臺上連續放置，以消除對橋面伸縮縫的需求，并且橋臺應根據跨度或偏斜情況，酌情設計為整體或半整體式。
橋面應平坦且有輪廓，以防止積水。
對于結構體系橋梁，通常可以使用上文所述的所有方法來處理與復合材料橋梁相關的混凝土橋面，但應對鋼結構本身進行詳細說明，以防止積水或殘片堆積，也包括筑巢的鳥類。
除非使用耐候鋼，否則腐蝕防護十分必要，但某些區域的橋梁比其他地區的橋梁更容易受到腐蝕，因此應特別注意腐蝕防護，如增涂油漆層。
在不利環境或在橋梁中難以靠近的位置（可能位于同一位置）中，應考慮將整個橋面覆蓋在玻璃增強塑料或類似材料中，以提供環境屏障和永久性檢查通道，這又需要對橋面自身的設計壽命進行養護。
細節構造的重要性
了規范和標準中的規則外，還有一些規則。如果能將這些規則作為指導，則可確保橋梁的長期使用壽命和無故障壽命。這些規則包括——
假設有水進入，將水放出
不要僅依賴一個代理；假設第一個代理可能失敗，要有備選代理
例如，假設密封將失效，應提供一條通道，吸收通過密封漏的水
細節支座具有滑動表面，使最容易受到砂礫損壞的表面置于最上
細節支座，易于更換
在較低應力下，應將錢花在較大的支座上，以延長更換支座的壽命
盡可能通過整體式施工，完全消除支座。
簡單養護的重要性
重復簡單的輔助性養護可以避免大規模養護，也可將大規模養護的發生推遲很長時間。規模較小的養護包括——
定期清洗支座
每年灌漿季節過后清潔排水溝
每年檢查變形接縫并去除砂礫
在閉箱中提供排水裝置，以將水排出
沖洗外部加勁肋
局部修凃油漆
防止鳥類筑巢，或在完成養護后將鳥巢移走
大型養護計劃
可預見的大型養護內容是更換支座和橋面伸縮縫，因此必須提前計劃并預留資金。為盡可能降低大型養護的頻率，或使大型養護的工序難度盡可能降低，設計人員可進行如下工作——
在支承結構上設計頂升點,以便抬升橋面,更換支座
設計從上述位置起吊的橋面；這會引起反向力矩，對于預應力梁而言非常重要
過度設計支座以減少應力,減少支座材料的磨損
現場施工經常受到極端天氣的影響，因此盡可能使用預制的橋面伸縮縫，以減少對現場施工的依賴
詳細說明與特定伸縮縫相連的橋面末端，以確保最佳性能
橋梁結構竣工后，在其設計壽命周期中放任不管并不現實。然而，設計者可以通過嚴謹的細節設計，減少養護或修理的需要，并且在元件設計壽命已知的情況下，使元件的更換盡可能簡單易行。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜志 2020年 第1期 總第9期
作者 / Alan.G. Mordey
作者系阿特金斯（Atkins）高速公路和運輸部總工程師
(文章來源52監測網，本文轉載自橋梁雜志，僅用來學習及交流，侵權刪）
