嚴(yán)寒沿海地區(qū)斜拉橋病害問(wèn)題分析及養(yǎng)護(hù)策略研究

楊曉超

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

公路橋梁作為重要的連通樞紐之一，在我國(guó)的交通路網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用。隨著近年來(lái)橋梁工程項(xiàng)目和服役數(shù)量的不斷增加，許多橋梁病害問(wèn)題逐漸被突顯出來(lái)，耐久性問(wèn)題更加受到重視[1]。對(duì)于已經(jīng)服役多年的橋梁，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害問(wèn)題、采用合理的養(yǎng)護(hù)策略成為提高橋梁耐久性的重要途徑之一。

目前，國(guó)內(nèi)外科研和工程技術(shù)人員圍繞如何提升橋梁耐久性進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)橋梁常見的病害問(wèn)題并提出了許多切實(shí)可行的橋梁養(yǎng)護(hù)策略。陳華濤[2]對(duì)鄉(xiāng)村橋梁中所發(fā)現(xiàn)的病害問(wèn)題進(jìn)行了探究并提出了與之對(duì)應(yīng)的橋梁維護(hù)管理措施。陸建兵[3]建議在日常的橋梁病害檢查工作中，以預(yù)防、安全、效率、仔細(xì)為基本原則，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的橋梁病害問(wèn)題。任建淑[4]通過(guò)實(shí)際工程的檢測(cè)結(jié)果和查閱相關(guān)研究資料發(fā)現(xiàn)，對(duì)于普通橋梁中常見的病害如主梁、墩柱等主要受力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，應(yīng)給予足夠的重視并及時(shí)進(jìn)行處理，否則隨著損傷累積將影響結(jié)構(gòu)的安全性。王剛等[5]采用BIM技術(shù)建立多平臺(tái)的橋梁全方位養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，可通過(guò)手機(jī)、電腦等移動(dòng)端實(shí)時(shí)了解橋梁養(yǎng)護(hù)情況。

盡管對(duì)于普通橋梁常見的病害問(wèn)題及其成因和一些相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)策略已經(jīng)有了較為豐富的研究資料，但針對(duì)于橋址處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)等特殊橋梁病害問(wèn)題和防治方法的研究卻相對(duì)較少，這對(duì)該類橋梁的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)決策制定等階段均造成一定的困難，這將影響橋梁的耐久性和工程項(xiàng)目的可持續(xù)性[6]。因此，以某實(shí)際橋梁工程為研究對(duì)象，通過(guò)外觀缺損狀況檢查、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)來(lái)分析探究嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁的常見病害問(wèn)題，提出切實(shí)可行的橋梁養(yǎng)護(hù)決策。

1 工程概況

以我國(guó)東北部某實(shí)際工程為研究對(duì)象，該橋橋址位于近海嚴(yán)寒氣候地區(qū)，全年氣溫的最低值可達(dá)-26.5℃，溫差變化大，且所處的近海大氣環(huán)境具有較高的氯離子濃度。另外該橋在經(jīng)完工驗(yàn)收后兩年內(nèi)沒有進(jìn)行相關(guān)的養(yǎng)護(hù)工作，全橋自然暴露于大氣環(huán)境中，因此可通過(guò)對(duì)該橋的檢測(cè)結(jié)果分析了解橋梁處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)時(shí)的技術(shù)狀況變化，為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供一定的理論技術(shù)依據(jù)。

該橋全長(zhǎng)3026m，主橋?yàn)橹骺?36m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。斜拉索在梁端和塔端分別采用鋼錨箱和鋼錨梁錨固構(gòu)造。采用高為195m的H型變截面箱形索塔，并設(shè)置橫系梁，其余橋墩為箱型截面混凝土墩。該橋立面圖和主橋橫斷面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

圖2 主橋橫斷面圖(單位：cm)

2 橋梁病害及成因

通過(guò)對(duì)該橋梁進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)斜拉索護(hù)套破損、索內(nèi)鋼絲銹蝕、涂漆層劣化、鋼箱梁銹蝕、混凝土開裂等病害。與普通橋梁相比，處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁的病害損傷情況更為嚴(yán)重，出現(xiàn)次數(shù)更多。下面列舉了檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些病害情況，并分析了病害的發(fā)生原因。

2.1 斜拉索護(hù)套損傷

通過(guò)對(duì)該橋152條斜拉索進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中絕大部分護(hù)套出現(xiàn)損傷。其中較為常見的護(hù)套損傷包括橫向、縱向開裂破損、刮痕等問(wèn)題。

由于嚴(yán)寒地區(qū)室外溫差大，環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中的PE護(hù)套在服役過(guò)程中常遭受暴曬、雨雪沖刷、冰凍等作用耦合影響，從而造成材料分子間凝聚力減小，韌性降低。且橋梁斜拉索服役過(guò)程中護(hù)套隨著索內(nèi)鋼絲的變形而始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，橋面活荷載又使得護(hù)套上存在著交變應(yīng)力作用，當(dāng)這種交變應(yīng)力大于受損后材料的分子間作用力時(shí)，護(hù)套將會(huì)發(fā)生不同情形的開裂破損。

2.2 斜拉索鋼絲銹蝕

對(duì)于斜拉橋而言，其上的絕大部分荷載都將由斜拉索來(lái)承擔(dān)，而斜拉索的使用壽命往往受到索內(nèi)鋼絲耐久性的影響。在橋梁斜拉索的病害中，鋼絲銹蝕是較為常見的斜拉索病害情況之一。

索內(nèi)鋼絲銹蝕原因多為斜拉索護(hù)套發(fā)生破損開裂等損傷后，索內(nèi)鋼絲金屬表面與大氣環(huán)境中的腐蝕因子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生銹蝕。如圖3所示為不同環(huán)境下鋼材斷面銹蝕情況的SEM圖像，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)僅有雨雪沖刷而沒有發(fā)生積聚時(shí)，鋼材銹蝕程度明顯輕于雨雪積聚環(huán)境。當(dāng)橋址處于東北嚴(yán)寒地區(qū)時(shí)，冬季斜拉索表面常發(fā)生結(jié)冰和積雪，將使得索內(nèi)鋼絲的銹蝕損傷程度更為嚴(yán)重。

圖3 腐蝕鋼材斷面的SEM圖

2.3 涂漆層劣化

為防止大氣中較高的氯離子濃度對(duì)鋼材和混凝土造成嚴(yán)重的腐蝕影響，橋梁鋼構(gòu)件和混凝土表面均刷涂防腐漆。但本次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該橋涂漆層發(fā)生了不同程度的劣化損傷。橋梁護(hù)欄、欄桿涂漆層劣化檢測(cè)的合格率為43.4%，在混凝土箱梁中發(fā)現(xiàn)12孔(占全部的16%)出現(xiàn)了16處涂層劣化和漆皮脫落。

嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁所處的自然環(huán)境較普通橋梁更為惡劣，就我國(guó)東北地區(qū)而言，一年四季最大氣溫差可達(dá)60℃，而直接暴露于大氣環(huán)境下的金屬表面的最大溫差可達(dá)到100℃左右，這對(duì)涂層材料的選擇提出了更高要求，若涂漆材料的線膨脹系數(shù)與鋼材或混凝土相差較大，構(gòu)件母材與涂層之間會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力作用，當(dāng)涂層老化粘結(jié)力不足時(shí)，就會(huì)造成涂漆層的破損、起皮和脫落等病害。

2.4 鋼梁銹蝕損傷

該橋梁在墩柱和箱梁等部位出現(xiàn)不同程度的涂漆層劣化和脫落現(xiàn)象且在箱梁內(nèi)部和拉索鋼錨梁螺栓等部位出現(xiàn)了局部銹蝕損傷情況。圖4可見箱梁內(nèi)部明顯的水跡且已經(jīng)引起了該區(qū)域局部銹蝕的發(fā)生。檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)大量鋼錨梁螺栓防腐漆脫落且發(fā)生局部腐蝕。

圖4 箱梁內(nèi)部鋼材局部銹蝕

當(dāng)橋梁處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)時(shí)，較大的空氣濕度和冬季積雪融化的雪水，容易通過(guò)縫隙滲透進(jìn)入箱梁內(nèi)部且長(zhǎng)時(shí)間聚集難以排出，隨著時(shí)間推移將影響該區(qū)域涂漆層的性質(zhì)，進(jìn)而造成積水處鋼材的局部腐蝕病害。而對(duì)于直接暴露于大氣環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)而言，一旦防腐涂漆層破損，將使得空氣中的氯離子或灰塵等電化學(xué)介質(zhì)直接與鋼材發(fā)生反應(yīng)引起銹蝕。

2.5 混凝土開裂

通過(guò)對(duì)該橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)全橋共計(jì)76個(gè)橫隔梁(占總數(shù)100%)存在581條裂縫，其中超限裂縫37條(占總數(shù)6%)。共計(jì)463條橫隔梁豎向裂縫，其中35條超限裂縫，并發(fā)現(xiàn)支座墊石出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁所處的自然環(huán)境較普通橋梁更為惡劣，就我國(guó)東北地區(qū)而言一年四季最大氣溫差可達(dá)60℃。而混凝土的熱脹冷縮的性質(zhì)明顯，受外界環(huán)境影響較大，當(dāng)外部環(huán)境的溫度發(fā)生大幅度變化時(shí)，混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生不同分布模式的拉應(yīng)力，從而可以引起溫度裂縫的發(fā)生。對(duì)于嚴(yán)寒沿海地區(qū)的橋梁來(lái)說(shuō)，這種由于環(huán)境溫度大幅變化造成的混凝土開裂現(xiàn)象是不容忽視的。

2.6 橋面鋪裝層病害

在對(duì)該橋鋪裝層進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)：全橋的伸縮縫處人行道受水侵蝕，鋪裝層局部老化變形、破損，該病害占該橋全部病害的比例較大。

在橋梁服役過(guò)程中，橋面將直接與自然環(huán)境介質(zhì)如雨水、積雪等相接觸，加之人或機(jī)動(dòng)車輛的通行也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生摩擦作用造成一定的損傷。又考慮到嚴(yán)寒地區(qū)冬季將大量使用含有氯離子的除雪劑而造成橋面鋪裝的進(jìn)一步腐蝕。因此，相對(duì)于普通橋梁而言，橋址處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁的橋面將更容易發(fā)生鋪裝層病害。

3 橋梁養(yǎng)護(hù)策略

根據(jù)以上分析，作者綜合考慮嚴(yán)寒沿海地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)與橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)，提出可適用于嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁的病害預(yù)防和養(yǎng)護(hù)策略，減少橋梁病害的發(fā)生。

(1)重視斜拉索的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)：當(dāng)斜拉索PE護(hù)套發(fā)生破損刮痕長(zhǎng)度在3mm以內(nèi)時(shí)可以使用與護(hù)套相同的材料直接進(jìn)行覆蓋焊接修補(bǔ)，當(dāng)護(hù)套開裂破損較為嚴(yán)重時(shí)應(yīng)采用加熱套管進(jìn)行修復(fù)。對(duì)斜拉索的密封薄弱部位如錨固端等區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，可以采用內(nèi)填聚氨酯發(fā)泡劑、墊密封圈和增設(shè)防雨罩等措施。

(2)提高防腐涂漆層質(zhì)量：對(duì)于嚴(yán)寒沿海等氣候環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，除鋼結(jié)構(gòu)外還應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面刷涂防腐漆，應(yīng)保證涂漆材料膨脹系數(shù)等指標(biāo)符合橋址所在地的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求，對(duì)施工質(zhì)量加以控制，避免涂漆層過(guò)早失效。

(3)主動(dòng)預(yù)防鋼材銹蝕的發(fā)生：對(duì)橋梁檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的積水、積灰及時(shí)進(jìn)行處理，并在該區(qū)域補(bǔ)涂防腐漆。對(duì)塔端錨頭等不易檢查的部位應(yīng)定期進(jìn)行補(bǔ)涂防腐油工作。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生局部腐蝕病害的構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)先進(jìn)行除銹后再進(jìn)行防腐涂料的補(bǔ)涂工作，防止進(jìn)一步銹蝕的發(fā)生。

(4)盡可能應(yīng)用高性能混凝土：由于嚴(yán)寒沿海地區(qū)氣候環(huán)境復(fù)雜，空氣中氯離子含量高，四季溫差較大，對(duì)混凝土本身材料性質(zhì)的要求較高。因此在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)橋址的氣候環(huán)境和主要侵蝕因素來(lái)選擇合適的化學(xué)添加劑和骨料，對(duì)橋梁不同部位進(jìn)行混凝土專項(xiàng)設(shè)計(jì)，同時(shí)還要考慮混凝土電通量和含氣量等參數(shù)對(duì)材料性能的影響。在施工階段應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行混凝土的澆注和養(yǎng)護(hù)工作。

(5)及時(shí)對(duì)混凝土病害進(jìn)行處理：對(duì)寬度較大的混凝土開裂縫隙進(jìn)行注膠封閉，對(duì)寬度較小的開裂可采用涂膠封閉的措施，切忌使混凝土裂縫直接暴露于大氣環(huán)境中。對(duì)于麻面、掉角等病害，應(yīng)當(dāng)先處理掉表面發(fā)生腐蝕破壞的混凝土，再應(yīng)用具有較好耐腐蝕性的砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。

(6)改善橋面系排水：由于嚴(yán)寒沿海橋梁所處環(huán)境空氣濕度大、冬季積雪嚴(yán)重，所以應(yīng)對(duì)橋面系的排水進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)橋址所處環(huán)境對(duì)橋面傾角和泄水管道等進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，如有發(fā)現(xiàn)排水設(shè)施損壞應(yīng)當(dāng)及時(shí)補(bǔ)修。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，分析并討論了嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁的主要病害及成因，并結(jié)合檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)有的橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)提出了較為合理的適應(yīng)該類橋梁的養(yǎng)護(hù)策略，具體結(jié)論如下：

(1)嚴(yán)寒沿海地區(qū)斜拉橋的常見病害主要有：斜拉索護(hù)套破損、索內(nèi)鋼絲銹蝕、涂漆層劣化、鋼箱梁銹蝕、混凝土開裂和橋面鋪裝層病害等。

(2)相較于普通橋梁而言，嚴(yán)寒沿海地區(qū)斜拉橋的病害成因更為復(fù)雜，多種橋梁病害是由于環(huán)境溫度變化大、空氣中氯離子濃度高、冬季積雪融化積水和除雪劑腐蝕等多種原因的復(fù)合作用所導(dǎo)致。

(3)嚴(yán)寒沿海地區(qū)斜拉橋的養(yǎng)護(hù)策略應(yīng)該根據(jù)橋址所處氣候環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整。建議從重視斜拉索的養(yǎng)護(hù)和修復(fù)、提高防腐涂漆層質(zhì)量、鋼材銹蝕的主動(dòng)預(yù)防策略、應(yīng)用高性能混凝土、改善橋面系排水等方面來(lái)提高橋梁的耐久性。