鋼筋混凝土橋梁病害分析及預(yù)防

李順起,孫 勇,肖子旺,王子強(qiáng)

（1.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)二處；2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院）

1 概述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在當(dāng)今橋梁建設(shè)中具有舉足輕重的地位,然而,各種病害問(wèn)題卻給其帶來(lái)了諸多方面的安全隱患。因此,鋼筋混凝土橋梁的病害分析及預(yù)防應(yīng)予以充分重視。當(dāng)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑材料、結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)化的管理維護(hù),提出了更嚴(yán)格的要求。因此,鋼筋混凝土橋梁的質(zhì)量必須得以保證,先從其病害的分析與預(yù)防開(kāi)始。這里將不利于橋梁結(jié)構(gòu)安全的一切因素統(tǒng)稱為病害。

2 鋼筋混凝土橋梁病因分類(lèi)

鋼筋混凝土橋梁病害種類(lèi)繁多、錯(cuò)綜復(fù)雜,已經(jīng)不再是狹義而單一化的問(wèn)題,應(yīng)是一個(gè)廣義而空間化的科學(xué)體系。這里著重分析五個(gè)方面的病害。

（1）橋梁建筑材料的病害；

（2）交通運(yùn)輸業(yè)的大力發(fā)展；

（3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性；

（4）施工工藝與管理的問(wèn)題；

（5）運(yùn)營(yíng)階段的后期維護(hù)不到位。

2.1 橋梁建筑材料的病害

橋梁建筑材料病害。如裂縫、蜂窩、碳化、麻面、表面鹽析、鋼筋銹蝕等,均嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性。

（1）混凝土的裂縫。

從混凝土自身收縮、徐變的角度看,裂縫的產(chǎn)生在所難免。只要裂縫的寬度在一定限度內(nèi)是不會(huì)影響結(jié)構(gòu)正常使用的,就是所謂的非結(jié)構(gòu)性裂縫。但此類(lèi)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性有一定程度的影響。裂縫出現(xiàn)后,接踵而至的是腐蝕、凍融侵害,從而形成惡性循環(huán),威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)非結(jié)構(gòu)性裂縫也應(yīng)進(jìn)行及時(shí)有效的修補(bǔ)。而對(duì)結(jié)構(gòu)性裂縫,應(yīng)側(cè)重關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、延性不足等引起的承載能力下降問(wèn)題,需要首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析,再對(duì)其進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)后方可對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理。

（2）混凝土的蜂窩、麻面。

蜂窩、麻面等問(wèn)題多產(chǎn)生在施工的澆筑、振搗階段。其關(guān)鍵和要害是密實(shí)度。澆筑時(shí)間控制不合理,振搗不全面,振搗時(shí)間短、力度小都會(huì)降低混凝土的密實(shí)度,致使影響結(jié)構(gòu)耐久性與混凝土表面美觀。當(dāng)然,在施工階段其施工工序、技術(shù)方法、檢驗(yàn)等方面措施得當(dāng),蜂窩、麻面問(wèn)題是可以避免的。

（3）混凝土表面鹽析現(xiàn)象。

混凝土表面出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象。如混凝土配合比設(shè)計(jì)的不合理,導(dǎo)致拌制時(shí)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象；骨料可溶性鹽或堿含量過(guò)高,在一定條件下析出；混凝土過(guò)長(zhǎng)時(shí)間不澆筑產(chǎn)生離析等。出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題的對(duì)策,應(yīng)是嚴(yán)格控制建筑材料質(zhì)量、掌握好混凝土的澆筑時(shí)機(jī)、根據(jù)施工環(huán)境合理調(diào)整混凝土配合比的設(shè)計(jì),加強(qiáng)振搗,提高混凝土的密實(shí)度與抗?jié)B性,減少鹽析的毛細(xì)孔道,從而減少混凝土表面花白臉的現(xiàn)象,提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

（4）混凝土表面的碳化。

在大氣環(huán)境下,橋梁結(jié)構(gòu)的破壞部分是鋼筋的混凝土保護(hù)層碳化,堿性降低,混凝土出現(xiàn)裂縫,大氣中的氧氣和水侵入混凝土中到達(dá)鋼筋表面,并發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起體積膨脹,使混凝土的裂縫加大,最終引起保護(hù)層的開(kāi)裂、剝落。防治碳化主要把握改善結(jié)構(gòu)材料的防水性能和提高密實(shí)度兩個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)證明,施加拉應(yīng)力會(huì)加大混凝土的碳化速度,而施加壓應(yīng)力則可以明顯減小混凝土的碳化速度,混凝土的碳化速度隨時(shí)間延長(zhǎng)而明顯減慢。因此,采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以有效的遏制混凝土碳化病害。

2.2 交通運(yùn)輸業(yè)的大力發(fā)展

近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生活水平的提高,汽車(chē)數(shù)量劇增,已經(jīng)超出了以往橋梁、道路等的設(shè)計(jì)交通量。交通運(yùn)輸業(yè)的大力發(fā)展,使基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼的進(jìn)行著,建筑工地此起彼伏,諸如混凝土運(yùn)輸車(chē)這樣的超重汽車(chē)也相應(yīng)的多了起來(lái),對(duì)已有的橋梁、道路構(gòu)成了不小的威脅。

例如在橋梁結(jié)構(gòu)體系中的雙曲拱橋曾經(jīng)是我國(guó)應(yīng)用最普遍的一種橋型,由于受當(dāng)時(shí)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)水平、施工技術(shù)以及材料性能的局限,特別是在最近十余年間重荷載和大交通量的運(yùn)營(yíng)下,多數(shù)雙曲拱橋已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的病害。雙曲拱橋在結(jié)構(gòu)上繼承了圬工拱橋的優(yōu)良傳統(tǒng),在其外觀上極具濃厚的民族色彩,又具有結(jié)構(gòu)新穎、便于施工、自重輕、省料等優(yōu)點(diǎn),吸取了現(xiàn)代裝配式鋼筋混凝土橋的優(yōu)點(diǎn)。但是大多數(shù)雙曲拱橋在其運(yùn)營(yíng)30～40年后出現(xiàn)不同程度的病害,影響到交通正常運(yùn)行。研究發(fā)現(xiàn),雙曲拱橋具有一定的超載能力,只要找到其病害的原因,通過(guò)對(duì)舊有雙曲拱橋承載能力進(jìn)行正確的評(píng)價(jià),采用合理的加固方案,充分發(fā)揮和提高其承載潛力,其大多數(shù)是可以繼續(xù)運(yùn)營(yíng)的。因此,對(duì)舊橋病害原因分析及合理加固方案的研究對(duì)保證交通安全運(yùn)行有重大意義。

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性

在橋梁的設(shè)計(jì)階段,由于設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)理論的理解深度不夠,設(shè)計(jì)時(shí)生硬的套取規(guī)范和采用標(biāo)準(zhǔn)圖式,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足。用靜態(tài)思維去解決不斷進(jìn)步發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題,橋梁在不同的環(huán)境和使用條件下會(huì)得出不同的布局和構(gòu)造要求,規(guī)范更新再快也適應(yīng)不了新技術(shù)、新材料、新工藝快速發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的各種新要求。大量病害實(shí)例證明除了施工和材料方面的原因外,設(shè)計(jì)上的缺陷也是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的決定性因素之一,長(zhǎng)期以來(lái),人們一直偏重于結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究,而忽視對(duì)總體構(gòu)造和細(xì)節(jié)處理方面的關(guān)注。合理可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了滿足規(guī)范要求外,還要求設(shè)計(jì)人員具有對(duì)結(jié)構(gòu)本性的正確認(rèn)識(shí)。

從橋梁的設(shè)計(jì)方面考慮,先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)思路很值得考究。簡(jiǎn)支梁橋是一種靜定結(jié)構(gòu),是靜定結(jié)構(gòu)就注定它能夠抵制溫度、收縮、徐變、基礎(chǔ)變位等產(chǎn)生的次內(nèi)力,而其弱點(diǎn)就在于結(jié)構(gòu)的跨中彎矩較大；對(duì)于連續(xù)梁橋,它的優(yōu)勢(shì)就在于主梁連續(xù),行車(chē)順暢,支點(diǎn)的負(fù)彎矩有效的削弱了其跨中正彎矩,從而減小梁高和自重,經(jīng)濟(jì)性較好。橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該取長(zhǎng)補(bǔ)短,先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式正是對(duì)兩種橋型優(yōu)點(diǎn)的繼承。

在預(yù)制裝配階段,由于混凝土的齡期較短,受溫度、收縮、徐變的影響,構(gòu)件的變形量比較大,但這時(shí)的變形結(jié)構(gòu)恰好為靜定結(jié)構(gòu),以上因素不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度次內(nèi)力、支座反力、應(yīng)力重分布等不良影響；在形成連續(xù)體系之后,各項(xiàng)應(yīng)以連續(xù)橋梁進(jìn)行計(jì)算分析,但是此階段應(yīng)力重分布、收縮、徐變已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定,故很大程度消除了連續(xù)梁橋的弱勢(shì)。所以鋼筋混凝土橋梁的病因很大程度取決于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理與否,設(shè)計(jì)者們應(yīng)該善于融會(huì)貫通,使橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加合理化。

2.4 施工質(zhì)量控制、管理的問(wèn)題

不同的橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著多種施工工藝形式,需要根據(jù)不同的施工環(huán)境、施工組織設(shè)計(jì)規(guī)劃、工期規(guī)定等采取最優(yōu)方案。此外施工階段的管理必須嚴(yán)格,施工技術(shù)方面嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)范執(zhí)行,出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)提出被選的解決方案。

某些有問(wèn)題的小橋,出于橋面抗壓、耐磨、防滑的考慮,橋面采用了水泥混凝土面層,但是在投入使用后的不長(zhǎng)時(shí)間,橋面開(kāi)始出現(xiàn)起灰的現(xiàn)象,這種病態(tài)在室內(nèi)水泥地面使用階段也較為常見(jiàn)。二者進(jìn)行類(lèi)比,可得出以下分析結(jié)論：材料配合比不合理、水灰比過(guò)大、水泥標(biāo)號(hào)過(guò)低、細(xì)骨料級(jí)配較差等。因此在施工階段,不能隨便套用配合比,必須合理控制水、砂石、水泥及外加劑的用量,并對(duì)進(jìn)場(chǎng)原材料及二次合成的材料進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把關(guān)。

混凝土橋面的鋪裝看似施工方法簡(jiǎn)單,卻是一件技術(shù)性很強(qiáng)的工作。橋面鋪裝材料要達(dá)到強(qiáng)度、剛度、耐磨、抗?jié)B的設(shè)計(jì)指標(biāo),各階段橋面標(biāo)高、平整度要做到精益求精。若橋面平整度這一項(xiàng)指標(biāo)未達(dá)到要求,就會(huì)產(chǎn)生跳車(chē)現(xiàn)象,降低行車(chē)的舒適度,且無(wú)形中增大了汽車(chē)的沖擊力,使得結(jié)構(gòu)的可靠度以及抗疲勞性能大打折扣。

因此技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將施工質(zhì)量的科學(xué)控制、管理予以重視,減少此病害的發(fā)生。

2.5 運(yùn)營(yíng)階段的后期維護(hù)不到位

橋梁的運(yùn)營(yíng)管理是頗具難度的,加上我國(guó)相應(yīng)的管理制度建立相對(duì)滯后,執(zhí)行力度相對(duì)較弱,超速、超載的情況有時(shí)發(fā)生,可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成無(wú)法補(bǔ)救的創(chuàng)傷。

橋梁在運(yùn)營(yíng)期間,常有出現(xiàn)裂縫、排水系統(tǒng)、伸縮裝置被硬物塞住時(shí),管理人員發(fā)現(xiàn)、維修的不及時(shí),導(dǎo)致有害介質(zhì)的滲透、鋼筋的銹蝕、排水不暢、伸縮受限等嚴(yán)重病害的情況發(fā)生。

為保證運(yùn)營(yíng)橋梁質(zhì)量,在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,應(yīng)安排專門(mén)人員對(duì)橋梁進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作并對(duì)所有運(yùn)營(yíng)橋梁組織安全隱患排查工作,委托專業(yè)的檢測(cè)單位對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁進(jìn)行檢測(cè)和技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定,建立健康檔案。根據(jù)橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定結(jié)果,對(duì)危橋及時(shí)進(jìn)行改造,確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全。當(dāng)然,橋梁的健康安全還需要全社會(huì)的關(guān)注和群眾廣泛參與,關(guān)注交通、關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),通過(guò)群策群力,推動(dòng)建立一整套有效的橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)來(lái)維護(hù)橋梁。

3 結(jié)束語(yǔ)

橋梁的病害始終伴隨著橋梁的設(shè)計(jì)、施工與使用,人們無(wú)法完全擺脫它,但是通過(guò)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格控制以及分析、管理、監(jiān)測(cè)體系的完善,相信橋梁病害可以被極大限度被消除,給鋼筋混凝土橋梁一個(gè)健康的體魄。

[1]盧鐘鳴.威信煤電一體化工程混凝土鹽析現(xiàn)象分析[J].廣東建材,2004.

[2]劉秉京.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3]張樹(shù)仁,王宗林.橋梁病害診斷與改造加固設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2006.

[4]諶潤(rùn)水.雙曲拱橋加固改造成套技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2009.