0 引言

近年来中国经济快速发展、公路交通量剧增，早期修建的高速公路受设计理念、技术标准、施工工艺等因素制约，已不满足现代交通要求，高速公路改扩建工程将是国内外交通领域当前乃至未来30~50年内面临的重要难题。目前关于改扩建公路桥梁研究成果主要从规范层面、建造细节等进行定性分析，例如从建设成本、工期、质量等方面分析装配式桥梁在高速公路改扩建工程中的适应性^[1]，通过模糊理论建立以桥梁既有状态、方案造价、施工难易、剩余使用寿命为评价指标的改扩建综合评价体系^[2]，对高速公路改扩建新旧梁板不同连接构造的荷载传递性能进行研究^[3]；对到达设计使用年限桥梁继续使用的依据、继续使用年限、到达设计使用年限桥梁相关检查评定方法开展研究^[4]，对桥梁新旧梁不等刚度拼宽方式进行数值分析研究^[5]，针对既有高速公路改扩建项目提出路面性能评价体系及各分级处治方法^[6]，以桥梁技术状况、冗余度和养护成本为目标构建空心板桥优化模型^[7]，针对斜交跨线桥被拆除重建资源浪费的问题，研制水平转体装备实现梁体再利用^[8]等。

一般来说，改扩建工程按处置方式可分为3种情况，分别为：全部拆除后扩建；充分利用既有结构、扩建部分进行新建；科学评估既有结构、分类处置。第1种方式不能充分既有结构的使用潜力，造成巨大浪费；第2种方式新老工程使用寿命不一致，影响整体使用功能；第3种方式对既有结构可用性评估，能够充分利用既有结构的使用价值。可以看出第3种改造方式最优，那么此类问题将转化成如何对既有桥梁剩余耐久年限进行合理评价，如何提出既有桥梁可用性评判方法和延寿准则，采用适宜的延寿技术，使得既有桥梁与新建桥梁具有一致的安全性和耐久性，从而支撑保障改扩建工程的服役安全可靠性、绿色环保可持续发展能力。

本研究依托京沪高速江苏段改扩建工程，探讨研究如何综合考虑桥梁技术状况、承载能力和耐久性能，提出既有桥梁与新建桥梁使用寿命相一致的桥梁可用性评判方法和延寿准则，构建改扩建工程中既有桥梁的延寿技术体系，保障新旧桥梁结构体系服役性能协调一致。

1 构件剩余耐久年限评定 1.1 构件类别与评定单元划分

根据既有混凝土结构耐久性评定标准(GB/T 51355—2019)，同一构件类别中环境作用效应、材料性能和表观特征基本一致的构件作为一个评定单元。这里的研究范围是量大面广的混凝土桥梁，按构件的截面形式、受力特点和建造材料，构件可划分为主梁构件和墩台构件。主梁构件按照截面形式划分，可划分为空心板梁、T梁、箱梁等，墩台结构构件类别划分为墩柱、盖梁、台帽。

主梁结构由于边梁与中梁所处环境效应差异性，可将主梁构件划分为边梁单元、中梁单元，若存在个别病害严重的构件，需要将其单独出来作为其他单元(严重病害单元)；墩台结构可分为墩柱单元、盖梁单元、台帽单元。构件类别与评定单元划分见表 1。

1.2 剩余耐久年限评定

对应钢筋混凝土结构的耐久性劣化过程, 国际上对于钢筋锈蚀的评估寿命准则主要分为4类：碳化寿命、锈胀开裂寿命、裂缝宽度控制寿命及承载力寿命^[9-10]。以常用的一般大气环境为例，桥梁结构主要是由混凝土碳化引起钢筋锈蚀造成开裂，上部结构一般为预应力混凝土结构，对其受力及开裂要求较为严格，建立耐久年限模型时一般选用较为保守的碳化准则；下部构件一般为钢筋混凝土构件，容许构件开裂但对裂缝宽度有限制，建立耐久年限模型时可依据锈胀开裂准则。

(1) 碳化准则剩余耐久年限估算^[11-12]

混凝土碳化至钢筋表面的剩余耐久年限按式(1)计估算：

(1)

式中，t_{C, e}^CA为混凝土碳化导致的钢筋锈蚀的剩余耐久年限；t₀为构件已服役年限；t_{C, I}^CA为混凝土碳化至钢筋表面的年限。

t_{C, I}^CA按式(2)所示劣化模型计算，并通过实测混凝土碳化数据进行修正：

(2)

式中，t_{C, I}^CA为碳化达到钢筋表面的年限；c为混凝土保护层厚度检测推定值。

碳化系数k_c按式(3)计算:

(3)

式中，k_c为混凝土碳化系数检测推定值；h_c为碳化深度检测推定值。

(2) 锈胀开裂准则剩余耐久年限估算^[13-14]

构件表面锈蚀开裂的剩余耐久年限按式(4)估算：

(4)

式中，t_{C, Cr}^CA为从混凝土碳化至钢筋表面到构件表面出现锈蚀开裂的年限。

从混凝土碳化至钢筋表面到构件表面出现锈蚀开裂的年限按式(5)估算：

(5)

式中，δ_cr为保护层锈胀开裂时的临界钢筋锈蚀深度；λ为保护层锈胀开裂前钢筋锈蚀速率。

临界钢筋锈蚀深度δ_cr按式(6)估算：

(6)

式中，c为混凝土保护层厚度；d为钢筋公称直径；f_{cu, t}为混凝土抗压强度检测值；a₁为锈蚀深度修正系数，无统计资料时可取0.018，a₂为结构影响系数，无统计资料时可取0.012，a₃为混凝土强度修正系数，无统计资料时可取0.000 84。

(3) 评定单元剩余耐久年限区间

评定单元的剩余耐久年限取值采用区间的形式表达，并以区间下限值作为耐久年限测算值。剩余耐久年限区间按以下方法计算。

当评定单元中含有2个构件时，取两个构件的年限作为剩余耐久年限区间上下限。

当评定单元中含有3个及以上构件时，评定单元剩余耐久年限区间上下限按式(7)~ (8)计算。

(7)

(8)

式中，t_{e, u}为评定单元剩余耐久年限区间上限值；t_{e, l}为评定单元剩余耐久年限区间下限值；t_m为评定单元剩余耐久年限平均值；t_s为剩余耐久年限标准差；k_0.5为指标平均值推定区间具有90%保证率的系数。

2 既有桥梁继续可用性评判方法 2.1 评判原则

(1) 可用性评判原则

改扩建工程既有桥梁是否继续可用，需要考虑桥梁结构技术状况等级、承载力评定、耐久性能综合确定。技术状况等级属于可用性评判的第1层级，承载力评定属于第2层级，耐久性能和经济性属于第3层级。

① 技术状况评为3，4和5类的桥梁，不建议在改扩建工程中继续使用。

② 技术状况评为1，2类的桥梁，需要进行桥梁承载能力评定，承载能力不满足要求的桥梁，需进一步判断加固费用与拆除费用之间的关系才可确定是否继续使用。

③ 技术状况评为1，2类的桥梁，承载能力满足要求的桥梁，划分主体结构构件类别和耐久性评定单元，进行外观耐久状态评定和剩余耐久年限计算。

2.2 评判方法

(1) 一级评判指标

一级评判指标为构件外观耐久状态，开展桥梁外观耐久状态检测，评定构件单元的外观耐久状态等级，确定构件单元的外观耐久状态分值。表 2列出了构件外观耐久状态等级及评定标准，构件评定单元外观耐久状态等级对应的分值应按表 3的规定取值。

以主体结构构件类别外观耐久状态作为一级评判指标，按照式(9)计算主体结构构件类别外观耐久状态分值。

(9)

式中，A为主体结构构件类别外观耐久状态的分值；A_i为评定单元外观耐久状态等级对应的分值；n_i为某一构件类别中相同分值的评定单元数量；n为某一构件类别划分的评定单元数量。

根据构件外观耐久状态分值，分为甲类和乙类两种，当分值小于等于3时，构件类别评为甲类，甲类中的构件需要继续采用二级评判指标确定最终的可用性。当分值大于3时，构件类别评为乙类，乙类中的构件不建议继续使用。

(2) 二级评判指标

二级评判指标为剩余耐久年限(寿命系数)，既有桥梁结构的耐久年限与剩余耐久年限、使用期间采取的维护措施、目标使用年限有关，由此引入寿命系数k_y和可用寿命系数k_y⁰的概念。

(10)

式中，t_e为构件评定单元的剩余耐久年限；T为改扩建工程目标使用年限，通常指规范中的设计使用年限。

当k_y≥1时，即：t_e≥T，剩余年限不小于后续期望年限，构件单元无需延寿，可继续使用。

当1>k_y≥k_y⁰时，剩余年限不满足期望年限，需要通过延寿措施，延寿后寿命满足构件可延寿使用；

当k_y < k_y⁰时，该构件单元不宜继续使用。

(3) 可用寿命系数k_y⁰

可用寿命系数k_y⁰的确定与延寿技术维护次数m_i及延寿年限、延寿维护费用与拆除重建费用经济性比较有关。延寿技术维护下的构件剩余耐久年限(假设延寿维护增加的年限可线性叠加)：

(11)

式中，t′_e为构件评定单元考虑延寿措施的剩余耐久年限；T_0i为第i类延寿单次维护的保障年限，根据延寿技术及相应规范确定；m_i为实施某一类维护措施的数量，根据维护措施实施难易程度按表 4拟定。

n为改扩建工程目标使用年限内对既有桥梁拟采取的维护措施类型数量，n值和m值的确定应满足式(12)：

(12)

式中，C_0i为第i种维护措施的造价；C_r为拆除重建的造价。

当时，该构件单元可通过延寿继续使用，即剩余耐久年限：

(13)

式中，k_y⁰为延寿维护后的可用性寿命系数：

(14)

当寿命系数大于可用性寿命系数时，构件单元可以延寿使用；而当时，该构件单元不宜继续使用。

由式(14)可知，可用寿命系数k_y⁰与下列因素有关：

① 改扩建工程目标使用年限T：改扩建工程目标使用年限T越大，可用寿命系数需要相应增大，可用寿命系数k_y⁰与目标使用年限T的关系图如图 1所示。

② 单次延寿的有效保护年限T_0i：当单次延寿的有效保护年限T_0i越长时，可用性寿命系数可以相应减小。即：延寿技术越有效，对既有桥梁的剩余耐久年限的要求则越低，既有桥梁可用性提高。相反，可用性寿命系数则需要加大，既有桥梁可用性降低。可用寿命系数k_y⁰与单次延寿的有效保护年限T_0i的关系图如图 2所示。

③ 某一类维护措施的拟实施数量m_i：维护措施的拟实施数量，在满足式(12)经济性要求的情况下，与施工难易程度相关。如结构表面涂层，在大气区构件维护中实施难度可认为是中等，但是对于水位变动区、浪溅区构件的实施则非常困难；第1次实施相对较为容易，第2次实施时，由于要去除掉第1次实施的失效涂层，施工则较为困难。通常情况下，结构性和表层处置同类措施的次数建议不宜超过2次。可用寿命系数k_y⁰与某一类维护措施的拟实施数量m_i的关系图如图 3所示。

④ 改扩建工程目标使用年限内对既有桥梁拟采取的维护措施类型数量n：目标使用年限内，在满足经济性要求的情况下，可采取和拟采取的延寿技术措施越多，可用性寿命系数越小，对于既有桥梁构件单元的剩余耐久年限的要求就越低。

3 既有桥梁延寿准则

混凝土桥梁耐久延寿技术主要包括混凝土表面防护涂装、桥面防水体系、混凝土钢筋阻锈技术、基于渗透结晶的混凝土裂缝修复技术、混凝土再碱化修复技术、混凝土电化学除盐技术、电化学修复技术等^[15-18]。

分别以目标使用年限为30 a，50 a和100 a为例，应用可用性评判方法，计算常用延寿方式的寿命系数。根据华东地区桥梁建设同期造价标准(以下价格仅为后续阐述方法的实例计算参考所用，具体应用时应根据改扩建桥梁所在地区和时期的实际费用)，给出了新建桥梁建造和拆除参考单价，以及5种常用延寿措施的参考单价用以说明可用寿命系数计算的方法。

(1) 新建桥梁费用：预应力小箱梁，5 000元/km；预应力T梁，6 000元/km；空心板梁，5 000元/km；墩柱，2 000元/km(以直径2 m为例)

(2) 常规桥梁拆除费用：600元/km；

(3) 延寿措施费用：

① 防护涂层，寿命10 a，第1次150元/km，第2次起(150+150)元/km；②硅烷浸渍，寿命15 a，300元/km；③粘贴碳纤维布，寿命20 a，900元/km；第2次起(900+900)元/km；④电化学防护与渗透型阻锈剂组合使用，寿命20 a，2 000元/km；⑤加大断面防护，寿命30 a，3 000元/km。

表 5分别给出了主梁和墩台结构构件在不同延寿措施下的延寿年限、延寿费用及计算可用寿命系数。对于可用寿命系数的选择，原则上采用延寿费用最低、延寿年限最长的延寿措施。采用延寿费用最小原则，主要受限于改扩建工程运营期间维护费用；采用延寿年限最长原则，主要考虑对既有结构进行充分利用，但是运营期间需要花费较高的维护费用，由工程管理单位根据延寿费用、目标年限、保障年限综合确定。

表 6列出了考虑二级评判指标时推荐的延寿方式，从A级到E级共5种延寿方式，桥梁构件评定单元的延寿准则应根据外观耐久状态和寿命系数综合确定。

表 6中延寿方式的符号含义如下：A为正常养护使用；B为修复局部病害，正常养护使用；C为预防养护使用；D为修复局部病害，预防养护使用；E为不建议延寿使用。

4 典型桥梁可用性评判和延寿对策 4.1 典型桥梁剩余耐久年限评定

以京沪高速江苏段为改扩建依托工程，选取9座典型桥梁(7座空心板桥、1座箱梁桥、1座T梁桥)进行构件剩余耐久年限评定。分别对边梁单元、中梁单元、盖梁单元、墩柱单元、桥台单元进行耐久性检测评定，得到混凝土强度、碳化深度、碳化系数K₀、混凝土保护层厚度、锈蚀深度和锈蚀速度的统计特征参数。

建立了京沪高速(江苏段)上、下部构件的耐久年限预测模型，首先采用最为严格的碳化准则对上、下部构件进行剩余耐久年限评定，若下部构件评定单元的碳化寿命大于100 a，则不需要进行锈胀开裂准则评定；若小于100 a，则继续采用锈胀开裂准则评定。根据测试构件个数得到剩余耐久年限平均值推定区间，分别评定构件主筋和箍筋的剩余耐久年限。

应用碳化准则评定上、下部构件的耐久年限，得到9座桥梁上、下部构件主筋和箍筋的剩余耐久年限。计算结果表明，除了岔溪河中桥的中梁，所有桥梁上部结构碳化剩余耐久年限均大于100 a，而下部结构仅四支渠中桥的碳化剩余耐久年限大于100 a，下部构件按箍筋计算得到的剩余耐久年限较主筋计算值更不利。对碳化剩余耐久年限小于100 a的下部构件，进行了钢筋锈胀开裂剩余耐久年限的评定，得到下部构件主筋和箍筋剩余耐久年限图。计算结果表明，按主筋计算，3座桥的下部构件锈胀开裂剩余年限均大于100 a(按100 a计)，主筋的墩柱和桥台锈胀开裂剩余年限大于100 a的桥梁座数分别为7座和5座，而盖梁年限有6座在50~99 a；按箍筋计算，锈胀开裂剩余年限均大于100 a的仅有1座，墩柱和桥台锈胀开裂剩余年限大于100 a的桥梁分别为6座和4座，而盖梁年限50~99 a的有7座，20~49 a的2~3座。

4.2 可用性评判和延寿对策

对京沪高速公路典型桥梁开展构件可用性评判和延寿措施研究，以头溪河大桥为例，得到如表 7所示的构件单元的一级指标评定表，如表 8所示的二级指标评定表。表 7给出了一级指标构件评定单元评定得分和类别，从表 7可看出头溪河大桥主体构件的一级指标(外观耐久状态)均为甲类，还需要根据二级指标即寿命系数进行判定。

表 8给出了一级、二级指标构件评定单元的剩余耐久年限、寿命系数和延寿方式。根据现行规范对桥梁设计使用年限的要求，即高速公路小桥50 a、中桥和大桥100 a，头溪河大桥分别按50 a和100 a目标使用年限进行评定。按照年限评定区间和主、箍筋年限计算值的最不利原则，表 8列出了头溪河大桥上、下部评定单元的剩余耐久年限。可看出，主梁评定单元剩余耐久年限均大于100 a；墩柱单元大于100 a，按主筋和箍筋的耐久年限测算，盖梁单元分别是94 a和68 a，桥台单元分别是30 a和6 a。

按目标使用年限50 a，除桥台单元寿命系数0.12，其余单元寿命系数均大于1，根据表 7，桥台单元不建议继续使用，其余评定单元可正常使用；由于墩柱单元一级指标综合得分为1，延寿方式为A；其余评定单元一级指标综合得分为2，延寿方式为B。按目标使用年限100 a，盖梁单元寿命系数降为0.68，延寿方式为D，根据经济性原则，选用硅烷浸渍与粘贴碳纤维布的延寿措施，计算得到盖梁单元可用寿命系数为0.65，其寿命系数为0.68，大于可用寿命系数，外观耐久状态Ⅱa下延寿方式为D。

按照目标使用年限100 a对京沪高速改扩建工程9座桥梁进行评定，得到如表 9所示的主体构件延寿对策。由表 9可看出，主梁结构主体构件仅岔溪河中桥的中梁不可用，可正常使用比例为94%；墩台结构中墩柱单元有2座不可用，1座可延寿使用，可正常使用的比例为67%；盖梁单元3座桥不可用，5座桥需延寿使用，可正常使用的比例为11%；桥台单元4座桥不可用，1座桥需延寿使用，可正常使用的比例为44%。对延寿使用的构件给出了推荐的延寿技术措施和可用寿命系数。

5 结论

依托京沪高速江苏段改扩建工程，建立上、下部构件耐久年限预测模型，给出了典型桥梁主体构件剩余耐久年限表，系统研究了桥梁可用性评判方法和延寿准则，构建了改扩建工程中既有桥梁的延寿技术体系，主要研究结论如下：

(1) 综合考虑总体技术状况、承载力状况、剩余耐久年限状况3个层次，创建了以桥梁主体构件类别的外观耐久状态为一级指标、以剩余耐久年限为二级指标的可用性评判方法，提出了表征构件剩余耐久年限的寿命系数，给出了可用寿命系数标准，研究了可用寿命系数与目标使用年限、单次延寿的有效保护年限、某一类维护措施的拟实施数量、延寿措施的拟实施数量的关系。

(2) 根据可用性评判方法，计算得到了京沪高速典型桥梁在不同延寿措施下的延寿年限、延寿费用及可用寿命系数。对于可用寿命系数的选择，提出了从A级到E级的5种延寿方式。实际工程表明采用该评判方法的评判结果与结构实际状态基本相符，与工程实际采取的处置措施基本相当，说明了评判方法的合理性。

(3) 按目标使用年限100 a，京沪高速典型桥梁主梁评定单元可正常使用比例为94%，墩柱单元、盖梁单元、桥台单元的可正常使用的比例分别为67%，11%，44%，对建议延寿使用的评定单元，按经济最优原则给出了延寿措施建议。