混凝土橋梁的病害分析及加固研究

盧明鋒

（汕頭公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東汕頭 515000）

1 引言

混凝土橋梁在運(yùn)營過程中，由于自身材料的特性以及環(huán)境影響、設(shè)計(jì)問題、施工問題、養(yǎng)護(hù)條件不當(dāng)?shù)仍?，?huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)不同程度的變形和損傷，最終導(dǎo)致橋梁承載力不足而發(fā)生破壞[1]。通常情況下，將這些損傷和變形定義為橋梁病害。相關(guān)資料表明，橋梁病害問題會(huì)不斷發(fā)展，日益嚴(yán)重，給橋梁的正常使用帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響，甚至出現(xiàn)安全事故，造成人員傷亡以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鋼筋混凝土橋梁是橋梁工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式，因此，解決橋梁病害問題至關(guān)重要[2]。

2 混凝土病害

2.1 結(jié)構(gòu)表層病害

混凝土橋梁表層結(jié)構(gòu)病害的主要表現(xiàn)形式有：麻面、蜂窩、空洞等。麻面是在混凝土的表層出現(xiàn)漿液滲漏導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面有凹陷的小坑，不光滑，但未有鋼筋外露的情況。主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)表面粗糙。蜂窩病害的主要表現(xiàn)是混凝土局部出現(xiàn)類似蜂窩的孔洞。其產(chǎn)生原因?yàn)椋菏┕すに嚥灰?guī)范、混凝土的配比不合理、混凝土振搗后出現(xiàn)了離析現(xiàn)象等?？斩词菢?gòu)件局部混凝土缺失的現(xiàn)象。其病害產(chǎn)生原因?yàn)椋号浣畋Ｊ亍⒒炷琳駬v不均勻、混凝土漏漿等[3]。

混凝土構(gòu)件表層病害的處理措施：加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理和修補(bǔ)加固。對于空洞和蜂窩較嚴(yán)重的部位，一般通過配備良好級配的混凝土進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。主要施工過程為：鑿毛處理—保持病害表面清潔濕潤—周邊混凝土及鋼筋涂膠黏劑—澆筑混凝土。

2.2 裂縫

裂縫是橋梁病害中最常見也是最危險(xiǎn)的病害?；炷恋牧芽p可分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫2 類。2 類裂縫產(chǎn)生的原因和機(jī)理各不相同。結(jié)構(gòu)裂縫主要是由于行車荷載或水流沖擊等外荷載的作用下使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性降低，進(jìn)而產(chǎn)生裂隙；非結(jié)構(gòu)裂縫主要是材料自身缺陷以及環(huán)境因素的影響引起的。其特征和修補(bǔ)方法見表1。

表1 裂縫修補(bǔ)加固表

3 鋼筋病害

3.1 鋼筋病害分析

混凝土中鋼筋銹蝕的化學(xué)過程如下：

通過對方程式的分析并結(jié)合工程實(shí)際可知，影響鋼筋銹蝕的因素有：氯離子濃度、pH 值以及環(huán)境溫度等。

3.2 鋼筋補(bǔ)強(qiáng)加固

鋼筋是否需要進(jìn)行加固是由鋼筋被銹蝕后的承載力決定的，而鋼筋的承載能力是材料的屈服強(qiáng)度決定的。鋼筋的屈服強(qiáng)度可由以下公式確定

式中，fys為腐蝕后鋼筋的屈服強(qiáng)度；fuc為腐蝕后鋼筋的極限強(qiáng)度；fy為未腐蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度；fu為未腐蝕鋼筋的極限強(qiáng)度；ηs為鋼筋的截面損失率，當(dāng)ηs＞0.15 時(shí)，按熱軋鋼筋處理。

通過以上公式判定銹蝕的鋼筋承載力是否滿足要求，如不滿足要求，需對鋼筋進(jìn)行加固處理，其加固方法有：補(bǔ)焊鋼筋、粘貼鋼板、體外預(yù)應(yīng)力加固等。

4 附屬設(shè)施病害

當(dāng)橋面鋪裝采用瀝青混凝土?xí)r，常出現(xiàn)病害有：泛油、裂縫、車轍、凸凹等。泛油是橋面鋪裝層的混凝土因?yàn)r青用量過多，導(dǎo)致軟化點(diǎn)降低的現(xiàn)象。橋面混凝土裂縫主要是瀝青出現(xiàn)老化且抗疲勞性能降低，在行車荷載長時(shí)間的作用下產(chǎn)生裂縫。車轍是瀝青混凝土在長時(shí)間的車輛碾壓過程中形成的永久輪跡。凹凸是橋面鋪裝層沿順橋方向出現(xiàn)的鼓包，或出現(xiàn)規(guī)律變化的起伏波紋。導(dǎo)致該病害的主要原因是行車過程中制動(dòng)突然停止以及行車荷載過大或鋪裝層厚度不均勻。對于空心板橋梁出現(xiàn)該病害的主要原因是施工質(zhì)量控制不到位，預(yù)拱度設(shè)置不一致，平整度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致橋梁鋪裝層厚度發(fā)生變化，降低了該結(jié)構(gòu)的剛度和承載力。

5 案例分析

5.1 工程概況

文章依托某高速公路立交段落進(jìn)行分析，路段樁號范圍為K67+280～K98+841，全長31.561 km。該路段有大橋1 座，中橋3 座，小橋3 座，立交橋面積為70 518.9 m2，原設(shè)計(jì)荷載采用汽車-20 級，掛車-100，進(jìn)行驗(yàn)算，地震設(shè)防烈度為7 級。

5.2 病害分析

5.2.1 上部結(jié)構(gòu)病害

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，橋面板存在開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼筋外露，出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，同時(shí)混凝土出現(xiàn)剝落。通過對橋梁進(jìn)行監(jiān)測可知，主要原因是梁部混凝土施工未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，梁部跨中撓度過大，剛度小于設(shè)計(jì)值。

5.2.2 下部結(jié)構(gòu)病害

通過對橋梁下部結(jié)構(gòu)的檢測發(fā)現(xiàn)：由于混凝土墩柱存在裂縫，雨水通過裂縫滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，加上凍融的作用，使蓋梁承載力降低，橋墩混凝土出現(xiàn)剝落，鋼筋出現(xiàn)銹蝕。通過回彈儀對橋墩和概梁不同部位的混凝土進(jìn)行回彈模量測定可知，混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5.2.3 附屬設(shè)施病害

橋梁伸縮縫總體平順，質(zhì)量狀況良好。但存在鋼構(gòu)件輕微變形、止水帶漏水、伸縮縫有雜物等病害。橋梁護(hù)欄無狀況良好，無明顯破損，由于伸縮縫有滲水現(xiàn)象，該位置對應(yīng)的護(hù)欄有水漬和泛堿情況。

5.3 加固設(shè)計(jì)

5.3.1 上部結(jié)構(gòu)

通過對橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害情況分析，欲采用如下加固處理方式：

對頂板混凝土鋪裝層進(jìn)行重新鋪設(shè)，鑿除原有鋪裝層和防水層，同時(shí)清除橋面上的雜物，然后，在主梁頂板位置植入直徑為φ12 mm 鋼筋（鋼筋應(yīng)等間距豎向布置），然后，通過鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行焊接。鋼筋網(wǎng)片具有施工方便、穩(wěn)定性較強(qiáng)，能較好地和主梁形成整體結(jié)構(gòu)，提高主梁的抗壓強(qiáng)度和承載力。

重新施作小箱梁濕接縫。針對腐蝕程度較為嚴(yán)重的濕接縫混凝土進(jìn)行鑿除，并對鋼筋進(jìn)行除銹。箱梁下翼緣的濕接縫加固方式為植筋并進(jìn)行焊接，然后，在對應(yīng)位置處進(jìn)行混凝土澆筑。

針對小箱梁的底板和腹板出現(xiàn)的混凝土脫落、鋼筋外露及腐蝕現(xiàn)象，應(yīng)對小箱梁的浮皮進(jìn)行處理，然后，通過環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。本項(xiàng)目中腹板的裂縫較窄，病害程度不嚴(yán)重，修補(bǔ)時(shí)采用砂漿將裂縫封閉即可。當(dāng)裂縫寬度較大、較深時(shí)，可通過粘貼碳纖維進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。加固方案示意圖如圖1所示。

圖1 小箱梁加固方案示意圖（單位：cm）

5.3.2 下部結(jié)構(gòu)加固

針對蓋梁外露或者墩柱腐蝕程度較深的病害，應(yīng)先將表層混凝土進(jìn)行清除，更換被腐蝕的鋼筋，然后，進(jìn)行混凝土澆筑，進(jìn)行結(jié)構(gòu)原狀的恢復(fù)。因附屬結(jié)構(gòu)物伸縮縫存在漏水的病害，所以，下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)應(yīng)先進(jìn)行排水處理，同時(shí)對可能受到腐蝕的蓋梁及墩柱涂刷防水材料進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)蓋梁或墩柱的裂縫寬度＜0.2 mm 時(shí)，應(yīng)采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行裂縫的封閉；對于裂縫寬度＞0.2 mm 的裂縫，應(yīng)通過低壓注射技術(shù)進(jìn)行裂縫修復(fù)。當(dāng)裂縫寬度較寬，分布密集，或混凝土剝落較為嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)對病害位置進(jìn)行碳纖維加固處理。

5.3.3 附屬設(shè)施加固

對附屬結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)對不同位置采取不同的措施，如箱梁支座存在質(zhì)量問題時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更換，橋梁的伸縮縫也可選用80 型伸縮縫進(jìn)行替換。更換伸縮縫時(shí)，首先應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行開槽，進(jìn)行纖維混凝土回填時(shí)，應(yīng)加入銑銷型鋼纖維。通過檢測可知，全橋的護(hù)欄無嚴(yán)重病害發(fā)生，只需對表層涂刷防腐蝕劑即可。

5.4 加固計(jì)算

橋面板進(jìn)行加固后應(yīng)對該橋進(jìn)行承載力驗(yàn)算。結(jié)果如表2所示。

表2 承載力計(jì)算結(jié)果 kN·m

對橋梁進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，裂縫寬度均＜0.2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。對跨中撓度進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果可知：各跨最大撓度均滿足要求。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 撓度計(jì)算表 mm

6 結(jié)語

本文通過對混凝土橋梁病害分析及加固處理研究得出以下結(jié)論：

1）混凝土病害的主要表現(xiàn)形式是表層病害以裂縫，實(shí)際工程中裂縫大部分為非結(jié)構(gòu)性裂縫；鋼筋的主要病害是鋼筋腐蝕，主要治理措施是補(bǔ)焊鋼筋，粘貼鋼板等。橋梁附屬結(jié)構(gòu)中鋪裝層病害主要有泛油、裂縫、車轍等。

2）通過工程實(shí)例對橋梁的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施進(jìn)行病害分析，并針對橋梁結(jié)構(gòu)及狀況進(jìn)行了相應(yīng)的加固維修，最終通過對橋梁的承載力、裂縫寬度、跨中撓度進(jìn)行驗(yàn)算，

最終結(jié)果顯示，加固后橋梁的性能指標(biāo)滿足規(guī)定要求。