混凝土桥梁病害分析与加固
2010-10-29
一、概述
桥梁是我国现代化建设的重要基础设施，由于反复承受着车轮的磨损、冲击，遭受暴雨、洪水、风沙、冰雪、日晒、冻融等自然因素的侵蚀破坏，特别是我国交通量和重型汽车的不断增加，有些建筑材料的性质衰变，以及由于没计和施工留下的一些缺陷，必然造成道路桥梁使用功能和行车服务质量的日趋退化、不适应。在使用荷载及其它外界各种影响的长期作用下，如果不对结构上所出现的病害予以检测、维修和加固，则结构上的这些
初始缺陷加上结构的自然老化使得结构上的损伤不断积累和发展，结构的功能不断退化，由此极有可能导致结构在一定的使用期后将成为危桥而面临损毁、垮塌的危险，这方面的实例已屡见不鲜，给国家和人民的生命财产造成了极大损失。
二、混凝土桥梁病害分析
(一)常见病害
在笔者参与数十座桥梁的特殊检测评估工作过程中，对常规桥梁的使用状况和病害情况进行了系统的调查，总体来说，桥梁的常见病害有以下几种：
1．梁、板及拱肋等部位构造裂缝和受力裂缝。构造裂缝的成因主要是环境温差、施工养护不当等因素。受力裂缝则是由于结构刚度不够、承载能力不足引起，这种裂缝对结构安全影响大，须谨慎对待。
2．梁体、墩台等局部破损，漏筋及钢筋锈蚀。
3．混凝土结构表面缺陷，如：蜂窝、麻面等。
4．伸缩缝破坏。此类破坏由车辆冲击荷载反复作用而产生。
5．支座剪切变形、脱空。车辆制动力、梁体伸缩会引起支座剪切变形；结构自重不均衡、车辆偏载可导致支座脱空。
6．桥面铺装层磨损，桥面坑洼不平。
7．桥面排水口堵塞，井盖破损。
8．墩、台及基础破坏，包括：墩、台身水平、竖向和网状裂缝，基础不均匀沉降，基础滑移、倾斜以及局部脱空等。
(二)混凝土桥病害原因
混凝土桥产生病害的原因有很多种，综合起来有以下几个方面造成混凝土桥退化以及失效：
1．环境。环境因素是造成混凝土桥梁退化最主要的因素，混凝土桥暴露于各种环境中，时间长了，就会导致整体强度的下降。强度损失的程度取决于环境以及混凝土桥梁本身的性质。化学物质(比如氯离子、硫酸盐、二氧化碳)、水分以及极端温度的循环是影响混凝土桥梁强度的最主要的环境因素。
越来越多的混凝土桥由于受到环境影响而遭到破坏，根据报道，许多桥梁的倒塌是由于强度退化造成的，而这种退化是由于环境因素造成的。环境因素方面桥梁退化的机理有硫酸盐侵蚀、碱硅反应、冻融循环破坏以及腐蚀等，而腐蚀是最普遍的破坏机理。
2．设计。设计标准低，随着交通事业的发展，旧有桥梁的荷载标准远远不能满足当前汽车荷载标准的要求。
采用不同的桥梁结构，不同的截面形式以及跨径比例等，都会对桥梁的健康状况有较大的影响。
设计不完善，比如构造钢筋不够、截面强度储备不够等。在桥梁设计过程中，由于各种系数的取值问题，未充分考虑开裂混凝土徐变、收缩及温度应力的影响，设计安全系数不恰当等。
3．施工。施工不当会造成大量混凝土表层缺陷，比如蜂窝、露筋、麻面、空洞等现象。比如混凝土灌注时，没有充分的振捣，就会发生蜂窝现象；灌注时，若保护层处混凝土漏振或者振捣不实，则会发生露筋；施工时采用模板表面不光滑，模板湿润又不够，致使构件表面混凝土内的水分被吸去，产生麻面；钢筋布置过密，施工时混凝土被卡住，严重漏浆都会产生空洞。
4．使用。现有公路上的桥梁荷载能力已不能满足当前车辆荷载的要求，有些桥梁由于年久失修，对设立标志不重视，致使原设计中未考虑的超重车辆通过，造成超载，由此导致桥梁出现病害。
结构受意外撞击，冲击和沉重的集中荷载可能造成可见裂缝和细微裂缝，造成局部腐蚀。
5．养护。养护维修及加固措施不当。有些桥梁的技术缺陷是由于养护维修不恰当引起的。比如桥面维修增加过大的恒载，致使桥梁负担加重；桥面排水处理不当，桥面渗水；又如支座维修不当，约束了承重结构的变形等。有些桥梁则是加固不当引起的。比如加固施加的预应力大小或者位置不恰当，引起结构的二次病害；又如结构体系改变不合理，致使结构的关键部位应力超限等。
6．材料。混凝土、钢筋等材料的质量问题是导致桥梁结构缺陷的内在因素。往往这几种原因共同作用，导致桥梁发生严重退化和破坏。
三、桥梁补强加固方法
桥梁补强加固的常用方法如下：
1．增大截面加固法。该方法通过增大原构件截面面积并增配钢筋等方式提高结构的承载能力和刚度，适用于钢筋混凝土和预应力混凝土受弯构件、钢筋混凝土受压构件的补强加固。
2．粘贴钢板加固法。该方法采用结构胶私剂粘贴钢板或型钢的方式提高结构承载能力。
3．粘贴纤维复合材料加固法。该方法采用结构胶戮剂粘贴纤维复合材料的方式提高结构承载能力，适用于钢筋混凝土受弯、受拉和受压构件的补强加固。
4．体外预应力加固法。该方法通过增设体外预应力索的方式施加体外预应力，使原结构、构件的受力状况得到改善和调整。
5．改变结构体系加固法。该方法通过改变结构体系，使原结构、构件的受力得到改善和调整，以降低控制截面内力，提高结构整体承载能力。
6．混凝土表面缺陷修复。利用树脂胶、环氧砂浆等对表面缺陷部位进行封闭、灌注、压注，以防止钢筋锈蚀、混凝土老化，增强结构耐久性。
7．植筋处理。使用专用的结构胶赫剂将带肋钢筋或螺杆锚固于结构基材中，以提高结构承载能力。
四、加固补强工程案例
(一)工程概况
某大桥全长814米，主孔为3联4×65米预应力混凝土连续梁。该桥建于2ot!t纪80年代末，后经过几次扩宽改建，形成主线桥6车道，引道为立交的大型互通立交桥。该桥梁的结构形式多样，构造复杂，有圬工拱桥、钢架拱桥、撑架式预应力混凝土连续梁、连续箱梁、简支 I梁等5种形式。各部分结构建成年代不同，荷载标准不同、结构使用状况等也各不相同。根据桥梁病害检测结果，确定该桥需进行补强加固。补强加固设计的重点提高该桥主要承重结构的承载力，并对其他表面病害进行修补加强，以提高桥梁的使用性能和耐久性。针对不同的结构部位，具体采取了以下几种不同的加固处理方法。
(二)拱桥拱圈加固
该大桥西岸引桥为单跨3m×20m拱桥，由于建设年代较远，荷载标准低，拱顶底面已出现多条横向裂缝、侧面裂缝，并有CaO析出，拱脚有纵横裂缝，均反映出结构承载能力不足。
为提高桥梁承载能力，对跨中部位拱圈采取粘贴2层纵向碳纤维布补强，并外包2层竖向u型碳纤维箍，以增强拱圈的抗弯刚度和整体受力性能。在拱脚采用增大截面法加固处理，即在拱背上钻孔植筋，绑扎钢筋网、浇筑30cm厚混凝土加固截面。
(三)T梁粘贴钢板加固
大桥东岸引桥采用简支磔，跨中下缘有结构性裂缝出现，显示结构抗弯能力不足。加固方案为在T梁跨中区域的底部粘贴8 mm钢板，并每隔2rIl’设置“u”型钢箍，板厚6 mm。底部钢板与“u”型钢箍采用改性环氧豁结剂进行粘贴，并采用化学锚栓对钢板及“u”型钢箍压实紧固。
(四)体外预应力加固钢架拱
大桥主桥采用3跨刚架拱桥，跨径布置为42.0m+54.0m+42.0m，中跨矢跨比1/10，边跨矢跨比1/8。该桥主要的结村陛病害是跨中拱肋及横系梁出现裂缝、结构刚度偏小及压应力储备不足。
考虑桥梁维修必须在不封闭主航道正常通航的情况下施工，因此加固方案采用“跨中增设体外预应力十拱斜腿部分增大截面十横系梁增大截面”的综合处理措施。具体加固方案如下：
1．采用张拉体外预应力钢筋加固刚架拱跨中部分的拱肋，这样可以在不中断通航的情况下进行加固施工。施工步骤是在纵梁与斜腿节点处设置钢锚固块，对穿JL32精轧螺纹钢筋并张拉预应力。每片拱肋设置2根预应力筋，每根预应力筋张拉控制力为300kN，通过施加体外预应力达到提高拱肋压应力储备，增强拱肋抗弯刚度，最终提高刚架拱桥承载力的目的。
2．拱斜腿部分外套“u”型钢模板，钢模板与拱肋通过植钢筋进行连接，然后灌注C30自密实微膨胀混凝土，通过增大拱斜腿截面增加拱斜腿刚度，提高刚架拱桥承载力。
3．拱脚部位的横系梁采用外包钢板，通过内填混凝土增大横系梁截面，提高横系梁刚度，加强拱的横向联系和整体刚度。
(五)混凝土表面缺陷修补
对桥梁上下部结构、防撞栏、人行道等部位的混凝土表面缺陷病害(如破损、露筋、钢筋锈蚀等)，可先对混凝土表面进行凿毛、清扫处理，对锈蚀钢筋做除锈、阻锈处理，然后采用复合氨基醇水胜混凝土防锈浸渍剂对钢筋进行防护，其后采用环氧砂浆修补混凝土缺陷部位，最后对修补区域外表面涂刷聚合物水泥浆进行外观处理，保证修补处混凝土颜色与原混凝土接近。
对于混凝土结构外表面出现的蜂窝、麻面病害，当缺损部位面积不大时，对缺损部位做表面处理后，采用压注灌注胶对蜂窝进行修复，采用高分子树脂材料对麻面进行修补；当缺损部位面积较大时，采用环氧砂浆进行修补，最后对修补区域外表面涂刷聚合物水泥浆进行外观处理。
(六)桥面系修补
凿除破损、露筋的混凝土铺装层，采用钢纤维混凝土对桥面铺装破损部位进行修补处理。修补前凿毛混凝土表面，涂刷界面胶，以增强新旧材料的结合，并对外露锈蚀的钢筋做除锈、阻锈等防护处理。
五、结语
随着经济的发展和时代的进步，人们对桥梁的结构安全和耐久性能越来越重视，桥梁的常规和特殊检测已纳入政府建设管理部门的日常工作，针对各类不同桥梁结构的补强加固技术将会不断发展，应用也将日益广泛。在保障桥梁结构使用安全方面，建议应关注以下几点：
1．桥梁结构的多样性决定了结构产生病害原因的复杂性，目前桥梁检测手段}匕 一，再加上旧桥设计、竣工资料的缺失，导致判断桥梁病害成因不够准确或误判，使得桥梁结构安全隐患没有及早发现。建议有关部门应从工程竣工资料的归档和有效管理抓起，为桥梁的安全监控提供基础 的技术资料。
2．结合各类新材料、新工艺的开发和应用，业内应加强桥梁结构补强加固技术的研发工作，不断提高桥梁补强加固技术水平，以满足各类桥梁结构补强加固设计和施工应用方面日益增长的需求。
参考文献：
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