淺談梁橋病害及其預(yù)防
2015-06-15
一、前言
橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)，由于頻繁承載，甚至超載，以及自然界或自然災(zāi)害的侵襲，交通事故等因素，會(huì)造成橋梁損傷和病害。隨著使用年限的增長(zhǎng)，橋梁的損傷及病害種類(lèi)、部位會(huì)越來(lái)越多，其程度也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。為了確保橋梁處于安全狀態(tài)及正常使用的耐久性，有必要針對(duì)橋梁不同的病害，進(jìn)行科學(xué)有效的維修加固，最大限度實(shí)現(xiàn)和延長(zhǎng)橋梁的正常使用壽命。
二、病害原因分析
混凝土梁橋結(jié)構(gòu)病害的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一種病害均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。混凝土梁橋病害的種類(lèi)，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種。
2.1 超過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載引起的裂縫
1、設(shè)計(jì)計(jì)算階段：結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不計(jì)算或部分漏算；計(jì)算模型不合理；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不足。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮施工的可能性；設(shè)計(jì)斷面不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當(dāng)?shù)取?br />
2、施工階段：橋上不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式等。
3、使用階段：超出設(shè)計(jì)載荷的重型車(chē)輛過(guò)橋；受車(chē)輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng) 、大雪、地震、爆炸等。
圖1 設(shè)計(jì)不當(dāng)、超載等原因?qū)е聵蛄翰『?br />
近年來(lái)隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，特大型工業(yè)設(shè)備運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸、礦山特種車(chē)輛及私自改裝重型車(chē)輛的運(yùn)行，都給現(xiàn)有橋梁的安全使用造成威脅。原來(lái)按舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的荷載等級(jí)設(shè)計(jì)建造的橋梁，由于交通量的不斷增加，加之前述重型車(chē)輛的頻繁出現(xiàn)，造成這些橋梁不斷出現(xiàn)病害。
2.2 鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損害
鋼筋銹蝕是一個(gè)比較普遍、且嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全的耐久性問(wèn)題。它在影響結(jié)構(gòu)物耐久性因素中，占據(jù)主導(dǎo)地位。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)每年均花費(fèi)巨資用于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性修復(fù)，其中鋼筋銹蝕占有相當(dāng)大的比例。我國(guó)也有相當(dāng)數(shù)量的鋼筋混凝土橋梁相繼進(jìn)入老化期，鋼筋銹蝕的研究和防治顯得非常重要。
鋼筋銹蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞分為三個(gè)時(shí)期：前期是鋼筋表面局部銹蝕出現(xiàn)銹斑、銹片等；中期是鋼筋整個(gè)表面銹蝕，并產(chǎn)生膨脹，與保護(hù)層脫離，發(fā)生層裂；后期表現(xiàn)為鋼筋鐵銹進(jìn)一步膨脹，混凝土本身發(fā)生破壞，出現(xiàn)順筋脹裂，混凝土脫離，直至鋼筋不斷銹蝕，有效截面不斷減小，橋梁結(jié)構(gòu)承載力不斷下降，鋼筋混凝土構(gòu)件喪失基本承載能力。
銹蝕鋼筋抗力的降低直接影響服役結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力，嚴(yán)重時(shí)可造成結(jié)構(gòu)提前失效甚至倒塌。沿鋼筋長(zhǎng)度發(fā)生均勻銹蝕時(shí)，鋼筋的失重率近似等于鋼筋的截面面積損失率，鋼筋所能抵抗的極限拉力的降低與鋼筋截面面積銹損率基本成正比，此時(shí)，可以簡(jiǎn)單地用銹損鋼筋的實(shí)際截面面積乘以未銹鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度獲得銹蝕鋼筋的極限抗拉能力。
圖2 鋼筋銹蝕引起混凝土脫落
混凝土中的鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產(chǎn)物，并且同時(shí)向周?chē)炷量紫吨袛U(kuò)散。銹蝕產(chǎn)物體積比腐蝕鋼筋的體積要大得多，一般可達(dá)鋼筋腐蝕量的 2—4 倍。銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在鋼筋與混凝土界面處將出現(xiàn)內(nèi)部徑向裂縫，隨著鋼筋銹蝕的進(jìn)一步加劇、鋼筋銹蝕量的增加，徑向內(nèi)裂縫向混凝土表面發(fā)展，直到混凝土保護(hù)層開(kāi)裂產(chǎn)生順筋方向的銹脹裂縫，甚至保護(hù)層剝落，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土橋梁的正常使用。
鋼筋與混凝土的粘結(jié)是一種復(fù)雜的相互作用，通過(guò)它來(lái)傳遞二者之間的應(yīng)力，協(xié)調(diào)變形，因此鋼筋與混凝土之間粘結(jié)錨固性能是保證鋼筋與混凝土兩種不同材料共同工作的基本前提。鋼筋與混凝土間銹蝕層的潤(rùn)滑作用、鋼筋表面橫肋的銹損、混凝土保護(hù)層的開(kāi)裂或剝落都會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能降低甚至完全喪失，最終影響鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。
2.3 溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形受到約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。
2.4 養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)引起的裂縫
養(yǎng)護(hù)維修及加固措施不當(dāng)。
有些橋梁的技術(shù)缺陷則是由于養(yǎng)護(hù)維修不恰當(dāng)引起的。如橋面維修增加過(guò)大的恒載，致使橋梁本身自重過(guò)大，承載力相對(duì)提高較小或未提高；橋面排水處理不當(dāng)，橋面滲水；支座維修不當(dāng)，改變了整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等。
三、梁橋病害的預(yù)防措施
橋梁病害預(yù)防思想應(yīng)貫穿整個(gè)橋梁壽命期間，包括設(shè)計(jì)及方案階段，設(shè)計(jì)階段應(yīng)詳細(xì)調(diào)查交通量并充分估計(jì)將來(lái)增加的交通量，提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。橋型應(yīng)選擇較為成熟且應(yīng)用廣泛的方案；施工階段應(yīng)精心組織施工，加強(qiáng)觀(guān)測(cè)；運(yùn)營(yíng)階段嚴(yán)防超載，定期檢查，
依據(jù)相關(guān)資料并吸收實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾方面預(yù)防措施，以期達(dá)到防范于未然的目的。
3.1 提高設(shè)計(jì)水平
提高設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)者水平。主要通過(guò)選用合理的計(jì)算模型；提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；考慮合理的施工方案；提高結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)等措施，嚴(yán)把設(shè)計(jì)關(guān)，減少梁橋產(chǎn)生病害的先天不足。
3.2 定期檢查及檢測(cè)
橋梁結(jié)構(gòu)的檢查，是保證橋梁正常使用、進(jìn)行維修加固的重要依據(jù)。沒(méi)有正規(guī)的檢查就不可能有合理的維修。病害發(fā)現(xiàn)得越早，維修工作量就越??；發(fā)現(xiàn)得越晚，維修工作量就越大。檢查不及時(shí)或不充分就有可能使橋梁病害得不到發(fā)現(xiàn)而潛藏著隱患。因此，檢查橋梁結(jié)構(gòu)的目的在于隨時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況和安全狀態(tài)，總結(jié)設(shè)計(jì)、施工、使用和維修的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有橋梁的檢查，對(duì)于一些重要的大橋或特大橋梁，在建成之后，可評(píng)定其設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量，確定工程的可靠度；對(duì)采用新型結(jié)構(gòu)的橋梁，可驗(yàn)證理論的實(shí)踐性和可靠性，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以便對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及結(jié)構(gòu)形式加以改進(jìn)，使其更加完善；對(duì)經(jīng)過(guò)維修加固的橋梁，可檢驗(yàn)維修加固質(zhì)量，并驗(yàn)證加固方案的合理性與可靠性。
通過(guò)檢查，還可了解橋梁實(shí)際受力狀態(tài)，判斷結(jié)構(gòu)的安全承載能力和使用條件。
3.3 提高施工質(zhì)量預(yù)防鋼筋銹蝕及溫差應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生
大量調(diào)查研究表明，鋼筋銹蝕的原因正是由于混凝土保護(hù)層的碳化和氯離子的侵入而造成的。為了防止鋼筋銹蝕，必須防止混凝土的碳化或減慢碳化速度和防止氯離子的侵入。而混凝土碳化又是由于混凝土抗?jié)B性能不足引起的，所以為防止碳化，必須提高混凝土的抗?jié)B性。預(yù)防措施主要有：
1、降低水灰比?；炷潦怯伤?、粗、細(xì)骨料和水拌制而成，根據(jù)水泥完全水化的理論，需水量只有水泥重量的25％左右，但在拌制混凝土?xí)r，為了獲的必要的流動(dòng)性，滿(mǎn)足施工要求，常用較多的水，即較大的水灰比W/C。當(dāng)混凝土硬化后，多余的水就會(huì)蒸發(fā)掉，形成毛細(xì)孔。用水量越大，水泥水化后留下的毛細(xì)孔越多，滲透系數(shù)也越大。所以在拌制混凝土?xí)r，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和施工要求的情況下，盡量降低水灰比，減少用水量，增加密實(shí)度，提高混凝土的抗?jié)B性。
2、摻外加劑。一是摻引氣型的減水劑，一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定、互不連通的微小氣泡，阻止液體的滲透，另一方面也大大減少混凝土的用水量，增加混凝土的密實(shí)度，提高抗?jié)B性；二是摻抗?jié)B劑，摻抗?jié)B劑在混凝土內(nèi)形成膠體洛合物，填充、堵塞了混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔縫，從而增加混凝土的密實(shí)度，提高抗?jié)B性；三是摻膨脹劑，通過(guò)摻膨脹劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生膨脹，在外力約束下，增加混凝土的密實(shí)度，也可提高抗?jié)B性。
3、選擇合適的材料。應(yīng)選用顆粒細(xì)、水化熱低的水泥。因?yàn)樵郊?xì)，凝結(jié)越快，泌水越少，抗?jié)B性能越好。水泥標(biāo)號(hào)一般不低于425號(hào)；并摻用適量?jī)?yōu)質(zhì)摻合料；細(xì)骨料要求砂的顆粒均勻、圓滑、質(zhì)地堅(jiān)硬、平均粒徑為0.4mm左右的河砂，含泥量＜3％，并含適量的粉砂；選用粗骨料，除大體積外，一般情況下粒徑5～30mm為宜，最大粒徑不超過(guò)40mm.含泥量＜1％，要求組織細(xì)密、顆粒整齊、質(zhì)地堅(jiān)硬，另外級(jí)配要優(yōu)良，以改善混凝土的和易性，增加密實(shí)度，提高抗?jié)B性。
四、結(jié)束語(yǔ)
梁橋病害是不可能消除的，但是可以減少病害造成的損失，只要設(shè)計(jì)方案合理、施工質(zhì)量有保證及養(yǎng)護(hù)措施得當(dāng)，梁橋是可以在預(yù)期壽命的時(shí)間里完成其預(yù)定功能的。
