混凝土橋梁常見病害及防治
2012-03-14 來源：中國百科網(wǎng)
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(yán)重影響了橋梁的使用性能，如不及時(shí)修補(bǔ)和維護(hù)，會(huì)造成主體結(jié)構(gòu)的破壞。如何做出正確的檢查，掌握確切的病害情況，及時(shí)制定出合理、經(jīng)濟(jì)的防護(hù)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(rèn)識(shí)。
橋梁結(jié)構(gòu)不可避免的會(huì)出現(xiàn)損傷和病害，因此，必須加強(qiáng)病害的預(yù)防。具體來說，一是加強(qiáng)經(jīng)常性的養(yǎng)護(hù)維修，建立起日常檢查機(jī)制，以保證橋梁運(yùn)營安全，防止病害的擴(kuò)展。二是定期對橋梁進(jìn)行“體檢”，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)營潛力評(píng)估。三是貫徹執(zhí)行“預(yù)防為主”的原則。對橋梁病害進(jìn)行預(yù)防處理，首先要進(jìn)行橋梁檢查，必要時(shí)還需進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)，以掌握結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況和安全狀態(tài)，分析病害的原因及嚴(yán)重程度，以便從安全、經(jīng)濟(jì)、適用等方面綜合考慮是否進(jìn)行維修加固。對可以進(jìn)行維修加固的橋梁，也應(yīng)區(qū)分情況，分析病害原因，采取相應(yīng)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(diǎn)，針對具體問題迅速簡捷地制定相應(yīng)對策，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)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(guān)大橋的運(yùn)營情況來看，加固效果是很成功的,同時(shí)也總結(jié)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(jié)構(gòu)壽命和安全的一個(gè)重要因素。鋼筋銹蝕主要是發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。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(dǎo)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(shí)，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(jié)構(gòu)內(nèi)，大大加速了鋼筋的銹蝕。
鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，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(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的抗彎能力。鋼筋銹蝕還會(huì)降低混凝土對鋼筋的握裹力。銹蝕物外流，在結(jié)構(gòu)表面形成銹跡，影響結(jié)構(gòu)美觀。由此可見，鋼筋銹蝕對橋梁結(jié)構(gòu)的危害十分嚴(yán)重，有時(shí)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(jié)構(gòu)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(fù)作用易造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。有些橋梁進(jìn)行了加固處理，新澆混凝土和后補(bǔ)混凝土結(jié)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(shè)施存在缺陷；三是后期養(yǎng)護(hù)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(gè)方面：①由于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中著重強(qiáng)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(bǔ)帶來了更大的困難。②由于選型不當(dāng)引起的伸縮縫損壞。③由于橋墩臺(tái)施工及梁（板）預(yù)制尺寸導(dǎo)致實(shí)際板端預(yù)留間隙與設(shè)計(jì)間隙懸殊而引起伸縮縫損壞。④設(shè)計(jì)與實(shí)際伸縮量不符引起的伸縮縫破壞。這樣導(dǎo)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(yán)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(yán)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(rèn)真引起伸縮縫處跳車。目前運(yùn)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(shí)操作不當(dāng)，車輛通過時(shí)仍有明顯的反映。⑧材料選用不當(dāng)引起的伸縮縫損壞。導(dǎo)致伸縮縫出現(xiàn)損壞的原因很多，由于伸縮縫受力復(fù)雜，有產(chǎn)品本身問題，也有設(shè)計(jì)和施工的問題。從設(shè)計(jì)上看，設(shè)計(jì)工程師在伸縮縫設(shè)計(jì)過程中只注重計(jì)算橋梁的伸縮量，并以此進(jìn)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(yīng)技術(shù)要求，諸如過渡段混凝土的長度、厚度、標(biāo)高、預(yù)埋件的位置及深度，而且也沒有在設(shè)計(jì)圖上標(biāo)注清楚。這其中很多問題要等產(chǎn)品運(yùn)到工地安裝甚至安裝后才能發(fā)現(xiàn)，但為時(shí)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(jìn)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(dá)到強(qiáng)度就提前開放交通也是造成伸縮縫損壞的原因，因?yàn)榇藭r(shí)過渡段的錨固混凝土早已產(chǎn)生早期損傷。
?。?）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(yán)重的破裂等病害。這不僅增加了維修費(fèi)用，甚至導(dǎo)致大面積翻修。同時(shí)，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(jì)算。橋面鋪裝層的受力復(fù)雜，病害時(shí)有發(fā)生。因此，對橋面鋪裝層的設(shè)計(jì)和施工均應(yīng)予以足夠的重視，以預(yù)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(hù)造成的。養(yǎng)護(hù)部門對橋梁養(yǎng)護(hù)不夠重視，造成橋梁長期失養(yǎng)，外觀損壞嚴(yán)重，排水不暢，而橋面鋪裝過去又多為泥結(jié)碎石結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低、防水性能差，橋面水容易滲入結(jié)構(gòu)。同時(shí)結(jié)構(gòu)的膨脹變形也會(huì)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(huì)發(fā)生彎曲。橫向分布鋼筋沒有達(dá)到規(guī)定的用量，是造成橋面板受拉側(cè)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(dǎo)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(jié)構(gòu)還有其他病害，如：支座病害、混凝土保護(hù)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(dá)到鋼筋表面；橋面排水不暢，防水層無保護(hù)層，損壞嚴(yán)重，泄水管質(zhì)量不過關(guān)，施工質(zhì)量差，混凝土保護(hù)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(yán)重、冬季融雪時(shí)化學(xué)藥劑的滲入、建橋時(shí)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(yàn)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(jìn)一步發(fā)展，試驗(yàn)后一年來拱肋、承臺(tái)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(huì)危及橋梁的正常使用。因此，對拱肋和承臺(tái)的裂縫用環(huán)氧砂漿進(jìn)行封閉處理，同時(shí)外包碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，一般應(yīng)包兩層外包碳纖維布，裂縫每側(cè)碳纖維布寬度不少于150mm,且構(gòu)造滿足相應(yīng)“碳纖維布加固技術(shù)規(guī)程”的要求。因橋面鋪裝層剝落、破損比較嚴(yán)重，所以全部鑿除重新設(shè)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(jié)構(gòu)大部份橫系梁出現(xiàn)裂縫，已經(jīng)影響結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，設(shè)計(jì)施工中不僅加大了橫系梁斷面尺寸，而且增設(shè)5道橫系梁，在主肋側(cè)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(fù)時(shí)，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(jìn)行噴射除銹處理，如果鋼筋嚴(yán)重銹蝕，應(yīng)根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果確定修復(fù)部位并增加鋼筋數(shù)量，以確保鋼筋含筋率，然后澆注高強(qiáng)混凝土。當(dāng)混凝土層較薄無法立模施工時(shí)，可采用噴射混凝土澆注。同時(shí)，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(jié)構(gòu)使用壽命。據(jù)有關(guān)調(diào)查資料評(píng)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(dá)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(hù)。冷軋帶肋鋼筋與普通鋼筋相比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度大幅度提高，與混凝土粘結(jié)握裹力強(qiáng)。同時(shí)，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(shí)不會(huì)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(qiáng)復(fù)合材料對橋面進(jìn)行修理、補(bǔ)強(qiáng)，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(qiáng)度高，可提前通車，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有著很好的發(fā)展前景。
4、結(jié)論和建議
針對混凝土橋梁的實(shí)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(jié)合有關(guān)工程進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出防止病害的設(shè)計(jì)方法，以求徹底解決混凝土橋梁的病害問題。具體實(shí)施過程如下：
?。?）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(chǔ)上，對各類病害問題進(jìn)行分類分析，評(píng)估它們對結(jié)構(gòu)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(jìn)行對比，結(jié)合設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)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(jī)理和發(fā)展規(guī)律。
?。?）參考目前維護(hù)橋梁的工程實(shí)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(gòu)造措施和施工要求，并在防病害設(shè)計(jì)方面進(jìn)行探討和研究。
?。?）將研究成果用于依托工程上，檢驗(yàn)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(shè)計(jì)要點(diǎn)和施工方法，形成防病害信息系統(tǒng)，總結(jié)各種處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)范圍。
不同類型的橋梁，在不同條件下，不同部位都會(huì)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(xiàng)研究提供了豐富的素材，更為今后的實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)方法在橋梁防病害領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)研究，將對提高橋梁的使用性能，完善橋梁設(shè)計(jì)方法等方面起到積極的推動(dòng)作用。
