2.3.1 上部结构
上部结构直接承受交通等荷载或作用，在桥梁结构中占有绝对重要的地位。根据桥型不同，上部结构的含义有所差异，但都共同面对混凝土开裂、钢筋锈蚀、钢材腐蚀、缆索疲劳等问题。因此，本小节系统梳理了上部结构中梁、索、塔等构件的主要安全与健康问题。
2.3.1.1 梁
（1）混凝土开裂/钢筋锈蚀。
在我国，桥梁梁体多采用混凝土或预应力混凝土构件。限于自身材料特性，这些构件普遍存在的开裂问题，一直困扰工程界和学术界。混凝土开裂后，继而会引起钢筋锈蚀等。同时，在预应力结构中，因施工质量等因素，也易存在孔道灌浆不饱满等现象，受开裂影响也会引起内部预应力筋腐蚀问题。
混凝土箱梁是中等跨径和大跨径连续梁桥常用的结构形式。在服役期间，混凝土箱梁桥上部结构主要的病害有主梁腹板裂缝和底板裂缝等（见图2-35、图2-36）。混凝土板梁、T形梁为中小跨径简支、连续梁桥常用的结构形式。两种结构形式均由多根主梁横向连接形成整体上部结构，其结构性病害主要出现在主梁及湿接缝、铰缝处。混凝土板梁桥上部结构常见病害有板梁腹板裂缝、板梁底板裂缝及铰缝病害（见图2-37）。混凝土T形梁桥上部结构常见病害有T形梁腹板裂缝、T形梁底板裂缝及T形梁湿接缝病害（见图2-38）。
图2-35 主梁腹板裂缝
图2-36 主梁底板裂缝
图2-37 板梁裂缝
图2-38 T形梁裂缝
混凝土开裂后，易加剧钢筋锈蚀，锈蚀现象早期多是在混凝土表面产生沿钢筋方向的裂缝，后期则因锈胀引起混凝土保护层剥落，钢筋表面生成黑褐色颗粒状锈蚀层，危及桥梁的正常使用。引起钢筋锈蚀的主要因素包括：①钢筋在混凝土的碱性环境中会形成钝化膜，但一旦混凝土不够密实，空气中的CO2渗入混凝土内部时，钢筋周围的钝化膜保护层遭到局部破坏，产生锈蚀；②桥梁结构在长期使用过程中受外载作用会产生裂缝，即使裂缝不在钢筋位置处，长期发展而不及时维修处理，环境中的水、氧、二氧化碳或氯离子等介质就会通过裂缝到达混凝土内部直到钢筋表面，加速钢筋锈蚀的进程。
对于预应力构件而言，预应力孔道压浆不密实会带来腐蚀介质的易于侵入，导致预应力束应力腐蚀，并将影响预应力钢筋和结构混凝土之间的应力传递。这已成为严重影响桥梁寿命的重要病害之一，具有分布范围广、破坏作用强等特点，是一种典型的质量通病。根据相关单位对某高速公路因通航净空不足而在扩建中拆除的3座梁桥的预应力孔道压浆不密实病害状况调研结果显示：预应力孔道压浆密实比例平均不足50%，其中预应力孔道压浆全空截面数占调查总孔道数的10%以上，尤其以压浆口段、曲线管道的上凸段和排气孔附近预应力孔道压浆病害最为严重。这也是目前我国预应力筋孔道灌浆不饱满普遍存在的问题（见图2-39）。
图2-39 预应力孔道压浆不密实病害现象
（2）钢梁（钢材）腐蚀/钢桥疲劳。
随着桥梁跨径的增大及人工成本的迅速增加，钢结构桥梁所占比例呈日益增加的趋势，如美国60万座桥梁中钢结构桥梁占33%，日本13万座桥梁中钢结构桥梁占41%。钢材料的腐蚀与防护问题历来也是桥梁工程领域重要的研究课题。钢桥长期暴露于自然环境中，结构易受到周围介质的腐蚀作用，产生腐蚀问题（见图2-40、图2-41），而且因交变载荷作用易产生疲劳的损伤累积。
图2-40 钢筋外露锈蚀
图2-41 钢梁腐蚀现象
影响桥梁用钢锈蚀的因素复杂，主要有大气、雨水等环境杂质，以及温度、湿度、冰冻等。对于钢混组合结构或构件（如钢管混凝土）而言，其锈蚀主要由环境中的大气引起。大气腐蚀的快慢及主要控制因素在很大程度上取决于大气湿度及其组成成分。钢管混凝土结构工作环境的pH值对钢管锈蚀也有一定的影响，处于海水环境中的海工结构，以及常年处在撒盐除冰环境中的市政结构，钢管表面溶液中氯离子浓度较大，钢管易产生严重锈蚀。环境对钢管锈蚀的因素还有二氧化碳浓度、氧气浓度及侵蚀介质的浓度（见图2-42～图2-44）。
图2-42 焊缝锈蚀
图2-43 拱肋锈蚀
图2-44 某钢管混凝土拱桥拱肋钢管锈蚀褪色情况
除腐蚀外，疲劳也是钢结构桥梁面临的主要问题。我国钢桥疲劳问题也较为突出，如虎门大桥、江阴大桥均发生钢桥疲劳损伤。据美国土木工程学会（ASCE）统计，80%～90%钢结构的破坏与疲劳损伤有关。由于疲劳破坏没有明显的征兆，表现出结构脆性破坏的特征，而结构又在容许静应力范围内，疲劳微裂纹不易被发现。如何合理评价桥梁钢构件状态，如何对其结构失效危险性进行预测，钢桥梁的监（检）测点如何布设及其疲劳损伤机理，都是目前存在的难点问题，也是目前世界各国桥梁工程界的研究热点。部分破坏现象如图2-45所示。
图2-45 大桥钢结构疲劳损坏及裂纹
（3）大跨连续梁桥长期下挠。
大跨径预应力混凝土梁桥普遍存在主梁下挠过大的问题（见图2-46）。主要原因是梁体内预应力筋松弛，由于受施工状况、材料性能和环境条件等因素的影响，预应力结构中预应力钢筋的预拉应力在施工和使用过程中将会逐渐减少。这种减少的应力称为结构预应力损失。预应力筋松弛是影响预应力混凝土结构应力损失和长期工作性能的基本问题之一。根据对某省109座连续梁桥结构几何线形进行补充调查，以测量误差为±4cm为界，约有17%的连续梁桥主跨存在下挠现象（见图2-47）。
图2-46 某大桥跨中下挠
图2-47 主跨跨中疑似下挠数量统计
下挠过大不仅会破坏桥梁的美观，降低行车的舒适性，也会使养护费用大幅增加，而且在严重的情况下还会改变桥梁的受力体系，使内力重分配，造成桥梁结构安全度的降低。
（4）钢管混凝土脱空。
钢管混凝土是典型的钢混构件之一，多用于拱桥拱肋构造中。管内混凝土不密实是其常见的问题之一，原因有：①混凝土微膨胀量不足；②钢管内排气不良，钢管内存有空气，造成钢管混凝土存在空隙。造成钢管混凝土存在空隙的原因主要有三种：①钢管排气管堵塞，钢管内空气不能完全排出；②在混凝土泵送过程中，现场混凝土供应不及时，混凝土输送泵设备故障，泵送过程中出现混凝土间断的现象，混凝土泵送不能连续不断进行，造成钢管内空气排气不畅；③混凝土与钢管壁黏结不良，钢管壁与混凝土之间形成空隙。
钢管混凝土拱肋脱空（见图2-48）。钢管混凝土拱桥的拱肋脱空分为两种类型：一种是成桥后管内核心混凝土不密实或产生空洞，比较常见的有拱脚处混凝土密实度差，拱顶处混凝土产生空洞及拱肋处混凝土密实度不均匀，或者出现分层离析等。它是施工过程中，在泵送管内混凝土时，由于泵送系统泵送混凝土不到位，或者混凝土搅拌量未达到要求而产生的。另一种是钢管与混凝土在交界面处产生裂隙，这是钢管混凝土主要脱空形式。这种形式的脱空分两种情况，一种是钢管与混凝土的径向脱空，另一种是纵向脱空（拱肋钢管分仓浇筑混凝土时，分仓隔板处易发生纵向脱离）。它是桥梁在运营过程中，由于受到轴向压力，混凝土配合比不合适，温度变化（包括升温和降温），或者混凝土收缩、徐变及微膨胀剂失效导致的。
图2-48 钢管混凝土脱空
2.3.1.2 索
（1）腐蚀、断丝及防护措施失效。
索构件是钢构件的一种，拱桥吊杆、斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊索等都是关键的受力构件，其安全性能至关重要，但也存在钢构件的通病，即腐蚀和疲劳。大面积的腐蚀、断丝是索构件失效的最直接原因，同时也是近年来缆索体系桥梁所面临的最严重的两种耐久性问题。钢丝锈蚀一般有均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等，同时会伴随锈水流出、表层涂层起皮脱落等现象。当锈蚀发展到一定程度，会导致整根钢丝断裂（见图2-49）。
图2-49 某主缆钢丝的锈蚀
现代斜拉索/吊索防护层基本上采用高密度聚乙烯聚合物材料（HDPE），但由于斜拉索/吊索防护层直接暴露于外界自然环境下，在风、雨、日照、冰雪等因素长期作用下，PE防护层容易老化、损伤、出现裂纹，较为严重时则破坏失效（见图2-50）。
图2-50 斜拉索/吊索防护层损伤
因此，当防护层处于完好状态时，索内部钢丝（钢绞线）腐蚀状况轻微（见图2-51），基本属于正常完好状态。当防护层发生损伤或者破坏失效后，外界环境中的腐蚀介质进入，将导致索内部钢丝或者钢绞线直接或间接地暴露于腐蚀介质环境中，防护层损伤的索中的钢丝（钢绞线）的腐蚀情况相对于防护层完好的斜拉索/吊索要严重得多，严重情况表现为断丝断索现象。且由于钢丝或钢绞线处于高应力状态，其腐蚀速度将远高于无应力或低应力状态。
图2-51 换索工程中的钢丝腐蚀
除此之外，由于自身材料特性、外部载荷条件作用及所处环境等因素，索锚头也易产生腐蚀现象（见图2-52）。锚头基本上由金属材料制造生成，且长期暴露于大气环境中，不可避免地会遭受环境侵蚀，出现锈蚀现象。此外，在锚头内，锚具由于构造特征，使得外界水分易进难出，水分长期存在于锚头内，从而加速了锚头腐蚀。且由于锚具的布置位置原因，不易于被经常检测，出现问题一般都难以发现。同时，由于斜拉索/吊索的振动、撞击等因素影响，斜拉索/吊索锚头防护罩也容易产生松动、脱落甚至破损，严重的甚至直接破坏。
图2-52 斜拉索锚头腐蚀
主缆是不可更换的构件，其防腐防护措施更为严格。防护层涂层劣化（见图2-53）发展过程一般是：涂层变色褪色，接着粉化、龟裂，继而开裂、爆皮并形成锈斑，最终防护涂层全部开裂、剥落，致使内部缠丝裸露。涂层劣化的因素一般可以分为内部和外部两个部分。内部因素是涂层材料本身的化学结构耐久性较差，导致防护涂层劣化。外部因素包含紫外线、水分、温度、海盐微粒、大气污染物及人为损伤等。主缆涂层是金属涂层和有机涂层组成的复合涂层。失效过程一般是表层先失效，当局部脱落或全部脱落之后，底层才失效。而且主缆在制造过程中干燥不良可能会导致主缆中存在水分。运输、施工和运营阶段防护层损伤也会导致外界雨水和水汽的不断渗入，而且风的作用可以使缆索下的水加速进入裂缝中，加剧应力腐蚀引起损伤。
图2-53 主缆面漆破损
（2）索风致振动问题。
索的长细比小，几何非线性明显，刚度小，自振频率低，其存在也使得结构变得柔性化，对荷载激励更加敏感，在桥梁服役期间产生振动现象，对自身疲劳性能和结构的安全稳定都有着显著的影响。风荷载的发生频率高、影响范围广，已成为索振动问题中的主要控制荷载。但其振动发生的原因也有所不同。斜拉桥拉索发生振动的诱因，主要是外界风载荷结构作用及斜拉桥主梁结构振动。斜拉索最为普遍也是最为剧烈的振动现象一般发生于风雨天气当中，即斜拉桥拉索在适当的雨量和风速共同作用下会产生大幅剧烈振动，振幅较大时甚至有斜拉索间发生相互撞击现象，因此又称风雨激振现象。
而悬索桥长吊索则会在风荷载的作用下，因刚度降低而产生较大的静力变形或者动力响应，从而造成桥梁功能的部分失效。2012年8月，台风“海葵”登陆我国东海岸，引起西堠门大桥长吊索的大幅振动（见图2-54）。经初步判断，该振动为主缆抖振引起的吊索内共振。明石海峡大桥的吊索在施工期就发生了两种振动，一种是低风速涡振，振幅不大；另一种发生在长索上，当风速超过12m/s后，处于下风的吊索发生大幅振动，最大振幅是直径的8倍。丹麦大带东桥在施工尾期就发现了吊索的大幅振动现象，之后该桥吊索的大幅振动现象时有发生，且主要发生在长度超过100m的吊索上。十多年来，该桥在吊索上先后安装了螺旋线、抗风索、调液阻尼器和液压阻尼器等，但仍然难以控制且无法消除。
图2-54 西堠门大桥长吊索的大幅振动
（3）平行钢丝斜拉索扭转现象。
斜拉索扭转问题（见图2-55）给斜拉桥结构带来的危害主要表现为：①斜拉索加扭及退扭后导致拉索索体内外圈钢丝的应力重新分布，使得部分钢丝应力变大或减小，对斜拉索的受力不利；②索体中钢丝应力重分布后，斜拉索的钢丝伸长量改变，从而导致斜拉索长度变长或变短，使得张拉端的锚环处的理论锚固位置发生变化，当加扭或者退扭较为严重时，张拉端的锚环可能无法正常锚固。
图2-55 钢丝索扭转
2.3.1.3 塔
桥塔是缆索承重体系桥梁的典型构件之一，随着桥梁长大化发展，桥塔高度及施工难度也在不断增加，安全与健康问题日益突出。目前桥塔多采用混凝土桥塔或钢桥塔的构造形式。
对于混凝土塔，裂缝是最为常见也是较为严重的病害之一。按照裂缝形式可以分为网状裂缝、水平裂缝和竖向裂缝。混凝土网状裂缝多发生在常水位以上的向阳位置，多是由内部水化热和外部低气温形成的内外温差所产生的温度拉应力拉裂所致。另外，日气温的变化、日照的影响、混凝土的干燥收缩也能形成网状裂缝。网状裂缝一般较浅，一旦形成，应力即得到释放，不会继续开展，因此对桥梁的威胁较小。水平裂缝一般出现在塔柱护面钢筋外侧，主要是由于护面钢筋保护层厚度过小；或是在浇筑完成后终凝前的时间内，护面钢筋受到较大扰动导致钢筋与混凝土脱离形成裂缝。如果混凝土质量不合格，可能导致内部箍筋锈蚀发生锈胀，从而引起外部混凝土产生顺筋裂缝。另外，混凝土塔柱承受巨大轴向力和弯矩作用，如果出现的水平裂缝均布于塔柱受拉侧，则应该考虑为应力产生裂缝。这种裂缝最为严重，意味着桥梁受力结构的改变，应该进行特殊检查并进行维修加固。竖向裂缝是由于表面混凝土碳化或遭到氯离子侵入，导致内部钢筋钝化膜被破坏从而发生表面竖筋锈胀。而在混凝土下横梁底部出现竖向裂缝时，则需考虑为应力所致，需及时处理。
除此之外，对于斜拉桥桥塔而言，锚固区是重点受力部位。索塔锚固区的形状和构造复杂，锚下拉索集中力较大，使索塔锚固区成为一个病害多发区域，且该区域出现病害后，对其维修加固比较困难。锚固区的裂缝主要包括放射状裂缝，锚固区纵、横向裂缝，锚固区混凝土崩裂，锚固区网状裂缝和锚固区锚头局部承压裂缝。在使用过程中，由于风振或车辆荷载作用，斜拉索会产生振动。振动的拉索对拉索索塔锚固区产生作用力。另外，不停变化的索力对索锚固区的混凝土产生一种疲劳作用，使索塔产生疲劳损伤，也会导致索塔锚固区的混凝土过早出现裂纹。
对于钢塔结构而言，由于钢索塔为小偏心弯压构件，以轴向压力为主，内部应力变化不大，在钢结构不出现腐蚀的情况下，结构的使用性能一般较好，寿命也较长。但在某些因素（强风、温度变化、较大的不均匀汽车荷载）作用下，索塔的受力状态会发生改变。从塔顶位移的监测数据来看，引起塔顶偏位的荷载是一种反复的循环作用，会使塔内产生循环的应力。风载、汽车荷载也会导致钢索塔发生振动，从而使索塔钢结构产生应力循环，引起疲劳损伤或螺栓失效，从而降低索塔使用寿命。钢塔同样可出现防腐涂层失效、锈蚀、螺栓缺损等病害。
局部腐蚀是钢索塔最常见的破坏形态，主要包括电耦腐蚀和缝隙腐蚀。电耦腐蚀主要发生在钢索塔不同金属组合或者连接处。产生原因是电位较负的金属腐蚀速度较大，而电位较正的金属受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。经研究表明，接触金属的电位差为电耦腐蚀的驱动力，两种金属的电极电位差愈大，电耦腐蚀愈严重。
桥塔往往高耸、纤细，当塔顶偏位过大即索塔顶部位移过大，有倾斜变形或扭转现象，则会严重影响结构安全。而塔顶偏位多是风荷载、温度荷载和汽车荷载引起的。特别是对于混凝土索塔而言，由于日照的影响，阳面混凝土温度比阴面高，且传热较慢。这一温差导致阳面混凝土膨胀，阴面混凝土收缩，使索塔顶部产生无外力作用下的扭转变形。随着时间推移，这一扭转变形将在24h内呈现周期性变化。较强的风荷载和汽车荷载也可能导致索塔的异常变形，塔顶偏位过大或来回摆动过大会在塔内产生过大的变化应力，进而对主缆、吊索、钢箱梁产生影响，引起索塔内部甚至其他结构的破坏。