混凝土橋梁常見病害分析及防治
2015-05-15
1、引言
混凝土橋梁在使用中存在一些常見病害，如鋼筋腐蝕、橋面裂縫、伸縮縫破損等，這些病害嚴重影響了橋梁的使用性能，如不及時修補和維護，會造成主體結構的破壞。如何做出正確的檢查，掌握確切的病害情況，及時制定出合理、經(jīng)濟的防護維修方案，截至目前理論上尚沒有很好的解決辦法，究其原因，主要是對病害缺乏系統(tǒng)、清楚的認識。
橋梁結構不可避免的會出現(xiàn)損傷和病害，因此，必須加強病害的預防。具體來說，一是加強經(jīng)常性的養(yǎng)護維修，建立起日常檢查機制，以保證橋梁運營安全，防止病害的擴展。二是定期對橋梁進行“體檢”，對橋梁結構進行運營潛力評估。三是貫徹執(zhí)行“預防為主”的原則。對橋梁病害進行預防處理，首先要進行橋梁檢查，必要時還需進行橋梁荷載試驗，以掌握結構的技術狀況和安全狀態(tài)，分析病害的原因及嚴重程度，以便從安全、經(jīng)濟、適用等方面綜合考慮是否進行維修加固。對可以進行維修加固的橋梁，也應區(qū)分情況，分析病害原因，采取相應的處治措施。因此，正確分析橋梁病害成因，掌握不同類型橋梁、不同病害的特點，針對具體問題迅速簡捷地制定相應對策，具有較大的經(jīng)濟價值和社會效益。
通過對加固后的泉州大橋、省道306線內(nèi)格特大橋、東山大橋、東關大橋的運營情況來看，加固效果是很成功的,同時也總結了一些混凝土橋梁的病害和防治措施。
2、橋梁病害成因分析
中小跨徑混凝土橋梁存在的一些常見病害有：鋼筋銹蝕、伸縮縫破壞、橋面裂縫和支座破壞等。
?。?）銹蝕病害。
鋼筋銹蝕是影響橋梁結構壽命和安全的一個重要因素。鋼筋銹蝕主要是發(fā)生了電化學反應。鋼筋表面致密的氧化膜可使鋼筋免受銹蝕。氧化膜的破壞直接導致了銹蝕的發(fā)生?；炷恋?ldquo;碳化”、大氣污染以及混凝土過高的cl-含量都使得混凝土中pH值下降，鋼筋表面氧化膜處于酸性環(huán)境中，逐漸被腐蝕，這樣氧化膜便被破壞了。我國很多地區(qū)，因工業(yè)污染形成的“酸雨”普遍存在，為橋梁中鋼筋的銹蝕提供了合適的外部環(huán)境。同時，冬季普遍采用撒鹽的方法防止橋面冰凍，富含cl-的鹽水滲入混凝土結構內(nèi)，大大加速了鋼筋的銹蝕。
鋼筋發(fā)生銹蝕時，銹蝕部分的體積可膨脹至原體積的10倍以上，從而對周圍混凝土形成擠壓，造成混凝土開裂、剝落，使截面有效尺寸減小，導致結構承載力下降。銹蝕的直接后果是鋼筋截面積減小，對于以鋼筋作為抗拉材料的混凝土橋梁來說，截面積的減小會直接影響結構的抗彎能力。鋼筋銹蝕還會降低混凝土對鋼筋的握裹力。銹蝕物外流，在結構表面形成銹跡，影響結構美觀。由此可見，鋼筋銹蝕對橋梁結構的危害十分嚴重，有時甚至是致命的。
?。?）凍融病害。
凍融現(xiàn)象也是造成橋梁病害，影響橋梁結構承載能力和壽命的主要原因之一。西部地區(qū)受天氣影響極易產(chǎn)生凍融現(xiàn)象，長期反復作用易造成結構產(chǎn)生裂縫。有些橋梁進行了加固處理，新澆混凝土和后補混凝土結合不好，易產(chǎn)生裂縫，而凍融作用又加劇了這種作用。凍融病害主要是以下幾方面引起：一是自然因素的影響；二是橋梁本身混凝土的施工質(zhì)量不高，排水設施存在缺陷；三是后期養(yǎng)護薄弱。
?。?）伸縮縫病害。
據(jù)目前的調(diào)查和研究表明[3,4]，伸縮縫病害出現(xiàn)的原因有以下幾個方面：①由于設計不周引起的伸縮縫損壞。橋面采用了“搭接角鋼夾橡膠條”式簡易伸縮縫裝置系統(tǒng)，縫頂與現(xiàn)澆橋面混凝土同高，上鋪瀝青混凝土。由于設計中著重強調(diào)了解決橋面在伸縮縫處的平整度問題，忽略了橋面混凝土與橋面板的同步伸縮，因此，通車后，瀝青混凝土表面沿縫出現(xiàn)不規(guī)則開裂，冬季加寬，夏季拱起。在車輛荷載的長期作用下，橋面鋪裝層(或路面表層)由縫處向里逐漸剪壞，出現(xiàn)啃邊或大范圍的坑槽，給日后修補帶來了更大的困難。②由于選型不當引起的伸縮縫損壞。③由于橋墩臺施工及梁(板)預制尺寸導致實際板端預留間隙與設計間隙懸殊而引起伸縮縫損壞。④設計與實際伸縮量不符引起的伸縮縫破壞。這樣導致在伸縮縫處夏季出現(xiàn)瀝青橋面拱起，冬季出現(xiàn)瀝青混凝土橋面沿縫嚴重開裂的現(xiàn)象。⑤板式橡膠伸縮縫由于施工誤差或橡膠板破壞引起的伸縮縫處嚴重跳車。⑥板式橡膠伸縮縫或鋼板伸縮縫由于伸縮裝置混凝土施工先于兩端瀝青混凝土路面面層而引起伸縮縫尾端跳車。⑦“反開槽法”施工操作不認真引起伸縮縫處跳車。目前運用“反開槽法”施工修筑的伸縮裝置有毛勒縫或暗式伸縮縫等。“反開槽法”施工雖然從理論上解決了伸縮縫端頭跳車的問題，但若施工時操作不當，車輛通過時仍有明顯的反映。⑧材料選用不當引起的伸縮縫損壞。導致伸縮縫出現(xiàn)損壞的原因很多，由于伸縮縫受力復雜，有產(chǎn)品本身問題，也有設計和施工的問題。從設計上看，設計工程師在伸縮縫設計過程中只注重計算橋梁的伸縮量，并以此進行選型。而往往對產(chǎn)品的性能了解不全面，忽視了產(chǎn)品的相應技術要求，諸如過渡段混凝土的長度、厚度、標高、預埋件的位置及深度，而且也沒有在設計圖上標注清楚。這其中很多問題要等產(chǎn)品運到工地安裝甚至安裝后才能發(fā)現(xiàn)，但為時已晚。從施工上看，伸縮縫安裝是橋梁施工的最后幾道工序之一，為了趕進度，施工馬虎，不按安裝程序要求施工。另外，安裝后混凝土沒有達到強度就提前開放交通也是造成伸縮縫損壞的原因，因為此時過渡段的錨固混凝土早已產(chǎn)生早期損傷。
（4）橋面鋪裝病害。
橋面鋪裝病害，包括不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫，較規(guī)則的縱向、橫向裂縫以及較嚴重的破裂等病害。這不僅增加了維修費用，甚至導致大面積翻修。同時，橋面鋪裝直接承受高速行車的沖擊、剪切與磨耗，并直接承受氣候的影響，日曬升溫、日落降溫，并與主梁(板)存在一定的變化差異。所以橋面鋪裝的受力不僅定性分析困難，尤其難以定量計算。橋面鋪裝層的受力復雜，病害時有發(fā)生。因此，對橋面鋪裝層的設計和施工均應予以足夠的重視，以預防病害的發(fā)生。
橋面下沉、欄桿及人行道系損壞等病害，主要是由于缺乏養(yǎng)護造成的。養(yǎng)護部門對橋梁養(yǎng)護不夠重視，造成橋梁長期失養(yǎng)，外觀損壞嚴重，排水不暢，而橋面鋪裝過去又多為泥結碎石結構，強度低、防水性能差，橋面水容易滲入結構。同時結構的膨脹變形也會影響橋面鋪裝。整體式板橋的板寬較大，在荷載作用下，除板的縱向發(fā)生彎曲外，橫向也會發(fā)生彎曲。橫向分布鋼筋沒有達到規(guī)定的用量，是造成橋面板受拉側出現(xiàn)縱向裂縫的原因，橫向配筋不能滿足正常使用荷載的要求，導致其無法限制縱向裂縫的寬度。
?。?）其他病害。
裂縫是橋梁中一種較為普遍的病害。調(diào)查研究表明，橋梁結構還有其他病害，如：支座病害、混凝土保護層不足、失效、疏松、脹鼓、裂紋甚至脫落；混凝土碳化速度快，碳化深度已達到鋼筋表面；橋面排水不暢，防水層無保護層，損壞嚴重，泄水管質(zhì)量不過關，施工質(zhì)量差，混凝土保護層厚度的變異性很大；混凝土收縮裂縫、橋面板自然磨耗、材料的老化、大型車輛超載嚴重、冬季融雪時化學藥劑的滲入、建橋時施工質(zhì)量等諸多影響因素，也是加劇橋梁病害的重要原因。
3、對策分析
泉州大橋加固中，鑒于靜載試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)拱肋控制截面有新的裂縫發(fā)生，且原有裂縫未見進一步發(fā)展，試驗后一年來拱肋、承臺等開裂部位裂縫沒有明顯發(fā)展和增寬也表明在正常使用狀況下，裂縫已經(jīng)基本穩(wěn)定，不會危及橋梁的正常使用。因此，對拱肋和承臺的裂縫用環(huán)氧砂漿進行封閉處理，同時外包碳纖維布進行補強加固，一般應包兩層外包碳纖維布，裂縫每側碳纖維布寬度不少于150mm,且構造滿足相應“碳纖維布加固技術規(guī)程”的要求。因橋面鋪裝層剝落、破損比較嚴重，所以全部鑿除重新設置鋼筋網(wǎng)和澆筑砼，并把原來39條伸縮縫減少到15條。在省道306線東山大橋加固中，因該橋上部結構大部份橫系梁出現(xiàn)裂縫，已經(jīng)影響結構橫向聯(lián)系，設計施工中不僅加大了橫系梁斷面尺寸，而且增設5道橫系梁，在主肋側面及主拱底粘貼鋼板，考慮鋼板與主肋共同受力。對于鋼筋銹蝕問題，在出現(xiàn)銹蝕的區(qū)域，修復時，首先要清除所有銹蝕區(qū)域的混凝土，然后對鋼筋采用噴砂法和超高壓水槍進行噴射除銹處理，如果鋼筋嚴重銹蝕，應根據(jù)驗算結果確定修復部位并增加鋼筋數(shù)量，以確保鋼筋含筋率，然后澆注高強混凝土。當混凝土層較薄無法立模施工時，可采用噴射混凝土澆注。同時，還可以采用物理方法防銹：如鋼筋表面增加環(huán)氧樹脂涂層。良好的涂層能有效防止鋼筋銹蝕，大大延長結構使用壽命。據(jù)有關調(diào)查資料評估，使用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋可使橋梁壽命延長10年以上。另外，在經(jīng)常接觸水的表面增加環(huán)氧樹脂或其他高分子材料作為防水層，改善表面防水，也可以達到防銹蝕的效果。
在中小跨徑橋梁中，采用無縫橋梁可以避免出現(xiàn)伸縮縫病害。
對于橋面鋪裝病害，可采用冷軋帶肋鋼筋和鋼纖維混凝土材料防護。冷軋帶肋鋼筋與普通鋼筋相比，設計強度大幅度提高，與混凝土粘結握裹力強。同時，冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)有良好的整體剛度，不易變形，在橋面混凝土施工時不會出現(xiàn)局部鋼筋網(wǎng)陷落的情況。而采用鋼纖維混凝土這一新型高強復合材料對橋面進行修理、補強，既可提高橋面的抗裂性、耐磨性、耐久性，又可延長橋梁的使用壽命和減少維修，此外，早期強度高，可提前通車，具有明顯的技術經(jīng)濟效益和社會效益，有著很好的發(fā)展前景。
4、結論和建議
針對混凝土橋梁的實際情況，可通過對橋梁鋼筋銹蝕、支座、伸縮縫和橋面鋪裝等病害的調(diào)查與分析，結合有關工程進行試驗研究，提出防止病害的設計方法，以求徹底解決混凝土橋梁的病害問題。具體實施過程如下：
（1）在廣泛調(diào)查典型地區(qū)混凝土橋梁已存在的各類病害的基礎上，對各類病害問題進行分類分析，評估它們對結構的影響。
（2）選擇若干已出現(xiàn)典型性和普遍性病害問題的橋梁，同具有相同或類似規(guī)模而未發(fā)現(xiàn)問題的橋梁進行對比，結合設計、施工和維護信息考察病害產(chǎn)生的原因，分析各種影響因素及其作用機理和發(fā)展規(guī)律。
（3）參考目前維護橋梁的工程實踐，研究防病害的對策，提出減小和消除已有病害的處理方法以及防止病害產(chǎn)生的構造措施和施工要求，并在防病害設計方面進行探討和研究。
?。?）將研究成果用于依托工程上，檢驗其效果，并不斷完善。
?。?）歸納各類病害的成因和改造方法，以及防止病害的設計要點和施工方法，形成防病害信息系統(tǒng)，總結各種處理方法的優(yōu)缺點和適應范圍。
不同類型的橋梁，在不同條件下，不同部位都會出現(xiàn)不同程度的病害。目前，國內(nèi)的研究水平只停留在針對具體病害具體分析，尚未系統(tǒng)研究。我國橋梁眾多，地形和環(huán)境多變，不僅為此項研究提供了豐富的素材，更為今后的實際應用提供了廣闊的前景。本文提供的思路，對橋梁病害成因作系統(tǒng)分析，對新型材料、新的施工工藝和新的設計方法在橋梁防病害領域進行相關研究，將對提高橋梁的使用性能，完善橋梁設計方法等方面起到積極的推動作用。
