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【摘要】近年来，简支梁桥上部结构劣化导致桥梁的安全管理形势严峻。因此，对简支梁桥上部结构劣化机理的研究是非常有必要的。通过对简支梁桥上部结构劣化原因分析研究，发现简支梁桥上部结构作为其最主要的承重构件，劣化机理主要表现为材料劣化引起的耐久性损伤和外部作用引起的结构性损伤。
【关键词】简支梁桥；上部结构；劣化机理
1、引言
简支梁桥是将梁作为主要承重构件的梁桥，一端支撑在活动支座上，另一端支撑在铰支座上，是公路桥梁的主要结构形式。预制的简支梁桥主要承重构件表面大多外光内实，梁体两侧凿毛不彻底，板体与铰缝混凝土连接不紧密，导致空心板单板受力。
简支梁桥上部结构劣化主要表现为钢筋锈蚀和空心板体、梁体混凝土裂缝两个方面[1]。然而目前对简支梁桥劣化机理只是进行了初步研究[2]，还缺乏明确的劣化机理的详细阐述。因此，笔者通过几十年的梁桥施工经验，对简支梁桥上部结构劣化机理进行研究总结。
2、材料劣化机理
2.1钢筋锈蚀机理
钢筋锈蚀的本质是Fe发生缓慢的电化学腐蝕反应[3]。在空气中，钢筋易与氧气发生化合反应，在表面形成结构致密的钝化膜，能够很好地隔绝Fe离子与外界腐蚀性介质接触，从而起到防腐蚀作用。但是，水泥混凝土呈弱碱性，钢筋表面氯离子达到临界浓度后，钢筋表面较薄的钝化膜就很容易破坏。
2.2水泥混凝土材料劣化机理
（1）水泥混凝土碳化
由二氧化碳引起的水泥混凝土中性化过程称为水泥混凝土的碳化。水泥混凝土的中性化过程是指侵入水泥混凝土中的外界环境酸性介质与混凝土中的碱性介质发生复杂的化学反应，使水泥混凝土pH值降低的过程[4]。水泥熟料中的熟石灰与二氧化碳和硅酸根发生化合反应生成碳酸钙等物质，阻塞了水泥混凝土的空隙，空隙率降低，提高了结构密实度；同时，水泥混凝土的碳化降低了Ca（OH）2的pH值和浓度，加剧了钢筋钝化膜破坏，钢筋锈蚀速度加快[5]。
（2）化学侵蚀
水泥混凝土的化学侵蚀分为膨胀性侵蚀、溶解性侵蚀和溶出性侵蚀三类。
膨胀性侵蚀主要是指水泥混凝土材料与硫酸盐发生化学反应，水泥混凝土体积膨胀造成的涨裂松散破坏。水泥混凝土受到硫酸盐侵蚀破坏一般从棱角开始，然后出现裂缝，表层慢慢离散、剥落。碱与水化硅酸钙反应生成胶结性差、抗侵蚀能力弱的络合产物的过程为水泥混凝土的碱侵蚀。溶出性侵蚀常发生在渗透性强、密实性差的水泥混凝土结构中，水泥混凝土中水化产物Ca（OH）2的溶解流失造成水化铝酸钙和水化硅酸钙失去稳定性，随流水溶出，导致水泥混凝土的强度和稳定性降低[6]。
（3）碱集料反应
碱集料反应是混凝土集料表面的二氧化硅在碱溶液中溶解被羟基化形成凝胶，吸收周围的钙、钾、钠等离子。随着钙离子吸收量的增加，凝胶逐渐转化成稳定的固态；凝胶吸收的钾、钠离子使其粘性增加，吸水膨胀。水泥中的碱与具有碱活性的集料发生碱集料反应后，会造成水泥混凝土体积膨胀，物理力学性能降低。
（4）冻融破坏
水泥混凝土冻融破坏是混凝土中水分随着外界环境温度的变化冻融而引起水泥混凝土材料的损伤或破坏，包括混凝土内部损伤引起结构的冻胀开裂和水泥混凝土表面材料损伤剥蚀，其中最直观的表现形式是混凝土表面浆体逐渐剥落，粗骨料外露。
3、结构劣化机理
导致简支梁桥上部结构劣化的结构原因：
（1）基础不均匀沉陷。基底承载能力不均衡，引起基础沉降不均匀，致使简支梁桥上部结构沉陷不均匀而发生劣化。
（2）支座老化疲劳破坏。简支梁桥支座歪斜、倾颓，造成空心板不均匀下沉，桥面产生裂缝，导致空心板受力不均甚至单板受力。
（3）梁体裂缝。空心板和T型梁的挠度与结构开裂成正比关系，加剧上部结构的劣化缺陷。裂缝越多，梁板的下挠也越大；梁板跨中下挠越大，结构开裂就越严重。
（4）空心板由于端部应力集中而破碎。空心板端部受压区在活荷载或超重荷载频繁冲击下，出现应力集中发生破碎劣化。
（5）伸缩缝作用失效。伸缩缝没有或未完全发挥作用，热胀冷缩功能失效，造成空心板端部受挤压破碎，钢筋裸露。特别是一旦后张板的锚垫板失去锚固预应力筋的能力，对空心板破坏是致命性的。
（6）空心板间铰缝联结不力。其一，空心板的应变量与铰缝混凝土应变量不同步，表现为铰缝混凝土填缝不严密，出现缝隙，致使空心板单板受力，从而影响简支板桥的使用寿命；其二，铰缝水泥混凝土产生的徐变和水泥混凝土的收缩变形促进了空心板侧壁与铰缝混凝土间裂缝的产生；其三，桥梁空心板施工工序、要求等不适宜，不利于消除空心板侧壁与铰缝混凝土间裂缝的产生。
（7）预制空心板的芯模上浮。在空心板预制过程中，由于施工操作不当致使胶囊、钢木结合内模或钢内模上浮，预制空心板顶部厚度比设计厚度低，桥面铺装通车后，在车辆等频繁活荷载作用下，空心板及桥面会出现空洞，导致上部机构劣化。
4、结论
基于十几年的桥梁施工经验，本文研究总结了简支梁桥上部结构的劣化机理，从材料、结构及施工质量控制等方面分析了造成简支梁桥上部结构劣化的原因，为简支梁桥的设计施工提供理论依据。
【关键词】简支梁桥；上部结构；劣化机理
1、引言
简支梁桥是将梁作为主要承重构件的梁桥，一端支撑在活动支座上，另一端支撑在铰支座上，是公路桥梁的主要结构形式。预制的简支梁桥主要承重构件表面大多外光内实，梁体两侧凿毛不彻底，板体与铰缝混凝土连接不紧密，导致空心板单板受力。
简支梁桥上部结构劣化主要表现为钢筋锈蚀和空心板体、梁体混凝土裂缝两个方面[1]。然而目前对简支梁桥劣化机理只是进行了初步研究[2]，还缺乏明确的劣化机理的详细阐述。因此，笔者通过几十年的梁桥施工经验，对简支梁桥上部结构劣化机理进行研究总结。
2、材料劣化机理
2.1钢筋锈蚀机理
钢筋锈蚀的本质是Fe发生缓慢的电化学腐蝕反应[3]。在空气中，钢筋易与氧气发生化合反应，在表面形成结构致密的钝化膜，能够很好地隔绝Fe离子与外界腐蚀性介质接触，从而起到防腐蚀作用。但是，水泥混凝土呈弱碱性，钢筋表面氯离子达到临界浓度后，钢筋表面较薄的钝化膜就很容易破坏。
2.2水泥混凝土材料劣化机理
（1）水泥混凝土碳化
由二氧化碳引起的水泥混凝土中性化过程称为水泥混凝土的碳化。水泥混凝土的中性化过程是指侵入水泥混凝土中的外界环境酸性介质与混凝土中的碱性介质发生复杂的化学反应，使水泥混凝土pH值降低的过程[4]。水泥熟料中的熟石灰与二氧化碳和硅酸根发生化合反应生成碳酸钙等物质，阻塞了水泥混凝土的空隙，空隙率降低，提高了结构密实度；同时，水泥混凝土的碳化降低了Ca（OH）2的pH值和浓度，加剧了钢筋钝化膜破坏，钢筋锈蚀速度加快[5]。
（2）化学侵蚀
水泥混凝土的化学侵蚀分为膨胀性侵蚀、溶解性侵蚀和溶出性侵蚀三类。
膨胀性侵蚀主要是指水泥混凝土材料与硫酸盐发生化学反应，水泥混凝土体积膨胀造成的涨裂松散破坏。水泥混凝土受到硫酸盐侵蚀破坏一般从棱角开始，然后出现裂缝，表层慢慢离散、剥落。碱与水化硅酸钙反应生成胶结性差、抗侵蚀能力弱的络合产物的过程为水泥混凝土的碱侵蚀。溶出性侵蚀常发生在渗透性强、密实性差的水泥混凝土结构中，水泥混凝土中水化产物Ca（OH）2的溶解流失造成水化铝酸钙和水化硅酸钙失去稳定性，随流水溶出，导致水泥混凝土的强度和稳定性降低[6]。
（3）碱集料反应
碱集料反应是混凝土集料表面的二氧化硅在碱溶液中溶解被羟基化形成凝胶，吸收周围的钙、钾、钠等离子。随着钙离子吸收量的增加，凝胶逐渐转化成稳定的固态；凝胶吸收的钾、钠离子使其粘性增加，吸水膨胀。水泥中的碱与具有碱活性的集料发生碱集料反应后，会造成水泥混凝土体积膨胀，物理力学性能降低。
（4）冻融破坏
水泥混凝土冻融破坏是混凝土中水分随着外界环境温度的变化冻融而引起水泥混凝土材料的损伤或破坏，包括混凝土内部损伤引起结构的冻胀开裂和水泥混凝土表面材料损伤剥蚀，其中最直观的表现形式是混凝土表面浆体逐渐剥落，粗骨料外露。
3、结构劣化机理
导致简支梁桥上部结构劣化的结构原因：
（1）基础不均匀沉陷。基底承载能力不均衡，引起基础沉降不均匀，致使简支梁桥上部结构沉陷不均匀而发生劣化。
（2）支座老化疲劳破坏。简支梁桥支座歪斜、倾颓，造成空心板不均匀下沉，桥面产生裂缝，导致空心板受力不均甚至单板受力。
（3）梁体裂缝。空心板和T型梁的挠度与结构开裂成正比关系，加剧上部结构的劣化缺陷。裂缝越多，梁板的下挠也越大；梁板跨中下挠越大，结构开裂就越严重。
（4）空心板由于端部应力集中而破碎。空心板端部受压区在活荷载或超重荷载频繁冲击下，出现应力集中发生破碎劣化。
（5）伸缩缝作用失效。伸缩缝没有或未完全发挥作用，热胀冷缩功能失效，造成空心板端部受挤压破碎，钢筋裸露。特别是一旦后张板的锚垫板失去锚固预应力筋的能力，对空心板破坏是致命性的。
（6）空心板间铰缝联结不力。其一，空心板的应变量与铰缝混凝土应变量不同步，表现为铰缝混凝土填缝不严密，出现缝隙，致使空心板单板受力，从而影响简支板桥的使用寿命；其二，铰缝水泥混凝土产生的徐变和水泥混凝土的收缩变形促进了空心板侧壁与铰缝混凝土间裂缝的产生；其三，桥梁空心板施工工序、要求等不适宜，不利于消除空心板侧壁与铰缝混凝土间裂缝的产生。
（7）预制空心板的芯模上浮。在空心板预制过程中，由于施工操作不当致使胶囊、钢木结合内模或钢内模上浮，预制空心板顶部厚度比设计厚度低，桥面铺装通车后，在车辆等频繁活荷载作用下，空心板及桥面会出现空洞，导致上部机构劣化。
4、结论
基于十几年的桥梁施工经验，本文研究总结了简支梁桥上部结构的劣化机理，从材料、结构及施工质量控制等方面分析了造成简支梁桥上部结构劣化的原因，为简支梁桥的设计施工提供理论依据。