橋梁結(jié)構(gòu)裂縫及加固技術(shù)處理研究

袁朝陽(yáng)

摘 要：橋梁是道路的重要組成部分，近年來(lái)橋梁工程建設(shè)數(shù)量增多，如何提高工程質(zhì)量，尤其是橋梁結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題成為施工關(guān)注的重點(diǎn)。文章從橋梁結(jié)構(gòu)裂縫類型及形成原因入手，指出連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)裂縫的多發(fā)部位，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行例證研究，提出橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的加固技術(shù)處理方法，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：橋梁;結(jié)構(gòu)裂縫;形成原因;加固技術(shù)

中圖分類號(hào)：U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

在橋梁工程施工中，混凝土的應(yīng)用比較廣泛，然而結(jié)構(gòu)裂縫卻成為一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，不僅影響橋梁的實(shí)用性，也會(huì)威脅行人的生命安全。相關(guān)調(diào)查顯示，我國(guó)不少橋梁雖然在使用壽命以內(nèi)，卻提前停止運(yùn)營(yíng)，最大的原因就是出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫等病害[1]。明確這些裂縫的形成原因，并采取有效的技術(shù)方案進(jìn)行加固處理，才能保證橋梁的使用性能。以下結(jié)合實(shí)踐，探討橋梁結(jié)構(gòu)裂縫及加固技術(shù)。

1 橋梁結(jié)構(gòu)裂縫類型及形成原因

1.1 荷載裂縫

荷載裂縫，是橋梁受到靜荷載、動(dòng)荷載、次應(yīng)力影響，從而產(chǎn)生的裂縫。①中心受壓形成的裂縫和構(gòu)件受力方向平行，具有短小、密集的特點(diǎn)，多見(jiàn)于獨(dú)柱或雙柱橋墩的橋梁中。②受剪形成的裂縫，多是主筋、抗剪切筋設(shè)置數(shù)量不足，或箍筋設(shè)置過(guò)多，特點(diǎn)是沿著梁端腹部呈現(xiàn)45°方向的斜裂縫。③受彎形成的裂縫，集中在彎矩最大截面附近，特點(diǎn)是從受拉邊緣開(kāi)始、和受拉方向垂直，易引起結(jié)構(gòu)脆性破壞。

1.2 溫差裂縫

溫差裂縫的出現(xiàn)，是因?yàn)榛炷辆哂忻浛s性質(zhì)，隨著外界環(huán)境、結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化，混凝土也會(huì)變形，這種變形受到約束就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，超過(guò)混凝土本身的抗拉強(qiáng)度就會(huì)形成裂縫[2]。溫差裂縫多見(jiàn)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，例如橋墩、橋臺(tái)、橋面鋪裝，也可能和其他因素共同作用。

1.3 收縮裂縫

混凝土凝結(jié)過(guò)程中收縮，也是形成裂縫的一個(gè)原因，雖然對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響不明顯，但會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)外觀，降低其耐久性。在橋梁結(jié)構(gòu)中，收縮裂縫多位于混凝土表面，具有細(xì)小、縱橫交錯(cuò)的特點(diǎn)，裂縫形狀不規(guī)則。

1.4 凍脹裂縫

冬季環(huán)境溫度較低，橋梁結(jié)構(gòu)吸水飽和后出現(xiàn)冰凍，自身體積膨脹，會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力[3]。從微觀來(lái)看，混凝土中的水在遷移、重力影響下，會(huì)產(chǎn)生滲透壓，進(jìn)一步加大混凝土的膨脹應(yīng)力，降低混凝土的強(qiáng)度，繼而出現(xiàn)裂縫?；炷脸跄龝r(shí)凍害最嚴(yán)重，強(qiáng)度損失明顯。

1.5 其他

首先，基礎(chǔ)變形引起的裂縫。地基基礎(chǔ)是受力部位，直接決定了橋梁工程的整體性能。如果基礎(chǔ)發(fā)生變形，例如不均勻沉降、局部塌陷，會(huì)引起構(gòu)件約束變形，內(nèi)部拉應(yīng)力改變，超出自身抗拉強(qiáng)度就會(huì)在薄弱部位出現(xiàn)裂縫，如下圖1。以山區(qū)溝谷橋梁為例，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，可能存在軟弱地基，一旦處理不當(dāng)很容易發(fā)生不均勻沉降，繼而結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)裂縫。

其次，鋼筋銹蝕引起的裂縫。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋作為骨架，如果綁扎不規(guī)范、積水侵蝕、混凝土表層剝落，均會(huì)造成鋼筋銹蝕，如下圖2。銹蝕鋼筋的有效斷面面積減小，和混凝土之間的握裹力減弱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力降低，從而形成裂縫。

2 連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)裂縫的多發(fā)部位

2.1 頂板裂縫

頂板橫向裂縫少見(jiàn)，以縱向裂縫多見(jiàn)，一般位于跨中合攏段、接近支點(diǎn)的部位。分析原因包括：①頂板沒(méi)有設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋。②頂板橫向彎矩受活載影響，車輛超載易形成縱向裂縫。③箱梁內(nèi)外溫度差異大，產(chǎn)生的次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。④縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值過(guò)大，橫向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)裂縫。

2.2 腹板裂縫

腹板裂縫根據(jù)形態(tài)的不同，可分為斜向裂縫、水平裂縫、豎向裂縫等。①斜向裂縫多位于距離支座1/4跨度附近，呈45°分布，原因包括：支座附近剪力過(guò)大;邊跨過(guò)度依賴豎向和縱向預(yù)應(yīng)力控制主拉應(yīng)力;懸臂施工中混凝土澆筑順序不對(duì)。②水平裂縫多位于主跨1/4-3/8跨度之間，原因包括：箱梁橫向彎曲空間效應(yīng);內(nèi)外溫差過(guò)大;豎向預(yù)應(yīng)力不足等[4]。③豎向裂縫最常見(jiàn)，原因包括：模板對(duì)腹板造成摩擦約束;各個(gè)節(jié)段拼接處形成豎向拼接裂縫;混凝土脹縮后形成拉裂縫等。

2.3 底板裂縫

底板裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫三種，以前兩者多見(jiàn)。其中，橫向裂縫的原因包括：預(yù)應(yīng)力布設(shè)不當(dāng)，施工荷載超重，預(yù)應(yīng)力張拉不足等?？v向裂縫的原因包括：箱梁橫向剛度不足，受日照和環(huán)境溫度影響，支座橫向布置錯(cuò)誤，合攏段對(duì)橫向變形的控制不到位。

2.4 橫隔板裂縫

橫隔板是高應(yīng)力區(qū)，尤其墩頂和梁端的橫隔板，荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力很大，易形成橫向裂縫、豎向裂縫、輻射狀裂縫等。分析原因包括：①混凝土干縮，脫模后形成裂縫。②跨中橫隔板沒(méi)有設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋。③箱梁偏載扭轉(zhuǎn)，應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)裂。④墩頂橫隔板設(shè)計(jì)不當(dāng)，剛度較小無(wú)法傳遞支承力。

3 針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的加固技術(shù)

3.1 表面加固法

表面加固法，就是在結(jié)構(gòu)表面使用涂抹材料、補(bǔ)貼材料修復(fù)裂縫，適用于細(xì)小的、深度較淺的裂縫，既能提高結(jié)構(gòu)表面的穩(wěn)定性，又具有良好的美觀性。實(shí)際應(yīng)用中，石灰、水泥漿、混凝土等材料常見(jiàn)，這些材料容易獲得，可以降低施工成本。值得注意的是，表面加固法必須對(duì)裂縫進(jìn)行處理，例如使用鐵刷清理結(jié)構(gòu)表面，將裂縫內(nèi)的灰塵、雜質(zhì)、積水等清除出來(lái)，然后使用加固材料，才能抑制裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，發(fā)揮出補(bǔ)強(qiáng)加固效果。

3.2 灌漿加固法

灌漿加固和表面加固相類似，均是使用補(bǔ)強(qiáng)材料，但表面加固是將補(bǔ)強(qiáng)材料用于結(jié)構(gòu)表面，而灌漿加固是將補(bǔ)強(qiáng)材料注入裂縫內(nèi)。常用的材料有瀝青、水泥漿、化學(xué)漿液等，適用于中小型裂縫，尤其是小裂縫擴(kuò)展成為中等裂縫的部位，能獲得良好的加固效果。施工要點(diǎn)如下：①根據(jù)裂縫部位和特點(diǎn)，合理選擇漿液材料，并設(shè)置注漿壓力。②清理裂縫表面，保持清潔和一定濕潤(rùn)度。③使用注漿設(shè)備或噴漿設(shè)備，將漿液打入裂縫中，確保漿液完全填滿縫隙。④待漿液凝固后，對(duì)構(gòu)件表面多余的漿液進(jìn)行清理，恢復(fù)平整度指標(biāo)。

3.3 補(bǔ)強(qiáng)加固法

1）增大構(gòu)件截面尺寸。通過(guò)二次混凝土施工，增大混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸，使其和原結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，來(lái)增強(qiáng)剛度和承載力[5]。施工時(shí)，一般選用早強(qiáng)混凝土、早強(qiáng)砂漿;設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，要求碎石或卵石強(qiáng)度高、耐久性好。值得注意的是，該加固技術(shù)增加了混凝土工程量，橋梁的恒載隨之增大，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)造成一定干擾。

2）增加構(gòu)件數(shù)量。針對(duì)主梁內(nèi)鋼筋設(shè)置不足的情況，可增加構(gòu)件數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，例如箍筋、抗剪切筋、預(yù)應(yīng)力筋等，提高結(jié)構(gòu)整體的承載力。施工時(shí)，需要切斷原橫隔梁，在主梁區(qū)域內(nèi)懸掛模板，重新布設(shè)鋼筋等構(gòu)件，然后澆筑混凝土，做好后期養(yǎng)護(hù)工作。

3）預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)法。預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)屬于間接加固，是使用高強(qiáng)度的鋼絲、鋼絞線等材料，對(duì)橋梁體外施加預(yù)應(yīng)力，促使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反向彎矩，來(lái)抵消荷載內(nèi)力，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力。該加固技術(shù)適用于正截面鋼筋銹蝕的情況，或受彎承載力不足的情況。

3.4 粘貼加固法

使用環(huán)氧樹(shù)脂、建筑結(jié)構(gòu)膠、鋼板等材料，在橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫部位、薄弱部位粘貼鋼板，使其形成一個(gè)整體，來(lái)增加橋梁構(gòu)件的承載力。該加固技術(shù)適用于主梁承載力不足，或主筋嚴(yán)重銹蝕的情況。一方面施工作業(yè)簡(jiǎn)單，不會(huì)影響橋梁正常通車，現(xiàn)場(chǎng)管理工作更加簡(jiǎn)單;另一方面施工占地面積小，不僅能縮短工期，也能節(jié)約相關(guān)材料，從而降低加固成本。實(shí)際施工時(shí)，粘貼鋼板后的效能影響因素較多，除了工藝技術(shù)外，還和橋梁結(jié)構(gòu)的配筋率有關(guān)。如果結(jié)構(gòu)配筋率高，鋼板的補(bǔ)強(qiáng)作用難以發(fā)揮出來(lái);如果在橋梁底板處粘貼鋼板，可顯著提升抗彎性能，有效對(duì)抗變形現(xiàn)象。

3.5 碳纖維加固法

本質(zhì)上，碳纖維加固屬于粘貼加固的一種，只是使用碳纖維材料代替了常規(guī)材料。以碳纖維布為例，是從瀝青纖維和聚丙烯蠟材料中提取而來(lái)，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性、耐疲勞性，但沒(méi)有屈服特性，因此設(shè)計(jì)加固方案時(shí)要考慮到強(qiáng)度承受能力[6]。該加固技術(shù)的應(yīng)用，具有良好的力學(xué)性能，適用于多種橋梁結(jié)構(gòu);其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，基本不會(huì)受到外界氣溫的影響;而且材料自身重量輕，不會(huì)改變?cè)Y(jié)構(gòu)的外形、體積，也不會(huì)增加荷載，綜合效益更明顯。

4 工程案例分析

4.1 工程概況

以某橋梁工程為例，全長(zhǎng)283.5 m，橋面寬度為26.0 m;中間設(shè)置分隔帶寬度為3.0 m，行車道屬于雙幅單向車道，寬度為2 m×10.75 m;設(shè)計(jì)時(shí)速60 km。該橋梁的上部結(jié)構(gòu)是混凝土連續(xù)箱梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，橋墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40;橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束分別采用24φ5、20φ5的高強(qiáng)鋼絲。通車運(yùn)行3年后，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，箱梁跨中截面有多條裂縫，且撓度明顯增大;外觀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，主梁腹板部位的鋼筋保護(hù)層厚度不達(dá)標(biāo)。后經(jīng)靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，確定該橋梁不滿足強(qiáng)度要求。

4.2 加固施工

對(duì)裂縫原因進(jìn)行分析，一是設(shè)計(jì)方面，縱向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)不足，跨中出現(xiàn)橫向裂縫;豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)不足，腹板內(nèi)無(wú)抗剪斜筋，出現(xiàn)斜裂縫。二是施工方面，局部混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，預(yù)應(yīng)力施工不規(guī)范，尤其是混凝土搗實(shí)、封錨操作不合理，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。結(jié)合該橋梁工程的特點(diǎn)，以及所處的環(huán)境，對(duì)比分析不同加固方案后，最終決定采用體外預(yù)應(yīng)力加固法。施工要點(diǎn)如下：①根據(jù)主梁自重彎矩圖，沿著主梁縱向布設(shè)預(yù)應(yīng)力筋。②在彎起點(diǎn)，使用轉(zhuǎn)向板和彎起預(yù)應(yīng)力筋，提高腹板的抗剪切性能。③現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)規(guī)范，完成一道工序，檢驗(yàn)一道工序。④合理選用補(bǔ)強(qiáng)材料，要求具有良好的綜合性能，既滿足加固要求，又方便施工作業(yè)，例如環(huán)氧樹(shù)脂。

4.3 加固效果

該橋梁加固處理后，結(jié)構(gòu)外觀上的裂縫消失，主梁撓度值隨著預(yù)應(yīng)力增大而減少，見(jiàn)下表1。一方面，主梁出現(xiàn)上撓趨勢(shì)，對(duì)剛度影響不大，但能控制結(jié)構(gòu)變形。另一方面，加固后的梁體，可以抵抗行車荷載對(duì)地板產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)為期1年的監(jiān)測(cè)，原裂縫沒(méi)有出現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)加固目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋梁工程具有規(guī)模大、工期長(zhǎng)、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，受到多種因素的影響，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)裂縫病害，包括荷載裂縫、溫差裂縫、收縮裂縫、凍脹裂縫等。文章從表面加固法、灌漿加固法、補(bǔ)強(qiáng)加固法、粘貼加固法、碳纖維加固法5個(gè)方面，介紹了針對(duì)裂縫的加固處理技術(shù)，并結(jié)合工程案例進(jìn)行分析。希望通過(guò)本文，為實(shí)際加固工程提供一些借鑒，實(shí)現(xiàn)預(yù)期加固目標(biāo)，提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉玉剛.道路橋梁工程常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)性病害與加固技術(shù)[J].黑龍江科學(xué)，2020，11（06）：104-105.

[2]劉東海.混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及加固處理研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2020，8（29）：1657.

[3]張為民.橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析及碳纖維加固技術(shù)[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，20（03）：187-189.

[4]馮永齊.公路橋梁病害原因分析及維修加固技術(shù)探析[J].城市建筑，2020，17（08）：151-152+163.

[5]姜華.橋梁建設(shè)施工中結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生及其加固處理技術(shù)問(wèn)題研究[J].工程技術(shù)研究，2018，41（16）：249-250.

[6]李龍.市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫及加固技術(shù)處理研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2020，8（24）：4120.