中小桥梁的空心板梁加固维修刻不容缓
2014-08-04
1. 前言
中国工程设计大师车宇琳先生在一次《桥梁》杂志年会上说：‘我国在大跨径桥梁发展上成绩十分卓越，工程项目和研究成果都不少，但也要关注数量和投资都占90﹪以上的一般性桥梁。这些桥梁单个工程的规模不大，但一条路线上的桥梁总和可不少，而其设计周期和施工期较短，加上施工技术水平偏低…’又有层层分包的问题存在，往往出现质量事故的概率偏高。在2011年7月11日至7月19日，短短的九天内全国发生四座桥梁垮塌事故，主要原因除存在设计和施工质量问题外，加上某些人们的拜金主义、追求私利、罔顾法制、超重超载货车运输频现，而且越来越严重。这样的事故，今后还可能发生。故笔者对车宇琳大师与时俱进“一语中的”的观点由衷赞同和支持。〝阳春白雪〞的特大桥梁固然为人们所乐道和欣赏，但事关千百万平民百姓安全出行的“下里巴人”中、小桥梁，切望政府有关部门重视这件实事办好。
2. 现有公路桥梁的基本概况和存在的问题
2011年是“十二·五”计划的开局之年，仅公路建设投资就已超出7000亿元，全国公路桥梁已达65．81万座，总长达到3048﹒31万米，仅“十一·五”比“十·五”就增加了32﹒15万座，总长达1573﹒56万米。我国自改革开放以来，开始了大规模的公路桥梁设施建设，其中除了大桥以外，中、小桥梁的数量约占90﹪左右，而中、小桥的上部结构，大部为梁式结构的有：板梁（基本为预制的空心板梁）、‘T’梁、钢筋砼箱梁、组合箱梁等。在上海地区梁式结构占全部桥梁总数的96.72﹪，而空心板梁占梁式桥总数的95.91％.华东地区至少占80﹪左右，成为城市或省道以下的主要桥梁形式。而很多大桥的匝道桥梁也常常采用这种短跨、价廉的钢筋砼预应力空心板梁，加上新中国成立以来所修建的大量旧桥运营期已经有五、六十年了，一部分已步入“病害”多发期。再者，一大批20世纪80年代以前的公路桥梁，也已大部分不适应交通运输发展的需要，因其建桥时代的局限，设计荷载标准偏低，加上桥面窄小、功能老化、承载力不足等缺陷，程度不同地出现了各种各样的病害，成了当前交通运输潜在的安全隐患。即使20世纪末以前，改革开放以来所修建的中、小桥梁，一般虽然已充分考虑了当事当地经济发展的远景和社会诸多方面的需求，也采用了当时的先进技术和材料，但仍存在很大程度上难以摆脱历史局限性和当时经济状况的制约、规范的滞后修改、选材不当、设计理念缺乏创新等都存在着不同程度的概念缺陷或不足，特别没有充分估计到我国经济发展速度的持续高增长所带来的运输量相应猛增长，于是各种大型、重型车辆与日俱增，随之超重、超载的车辆也越来越多，势必对桥梁带来的损害和破坏也日趋严重，于是又有大批桥梁加入了维修、加固、改造的行列。面对数量庞大的旧桥、危桥，如欲全部推倒重建，既不科学，更不现实，即使在西方的发达国家也难以办到，只能推倒一些无法加固或加固费用超过新桥的建安费用的危桥，才有意义。实践证明，旧、危桥的加固、改造，无论是知识面或是设计的制约因素和工程风险，都远比设计和修建新桥大得多。故桥梁的养护、维修、加固、改造，因其内容各异或程度不同，必将成为桥梁界的一门新兴学科。当今现有桥梁的养护与维修、加固与改造，按需要和性质可分成两大部分，第一部分是养护维修的问题，主要是恢复原有结构的设计承载力，必须未雨绸缪并持之以恒及时去做好的常态工作，防止小隐患潜移默化发展成大的‘病害’。这里必须特别指出的是有的管养单位，在桥梁竣工通车后，就以为‘万事大吉’没有及时安排列出严格的检测制度去跟踪检查养护，甚至很长一段时间束之高阁不闻不问，以为新桥在一定时间内不必化精力和财力去管养，这是严重失职的行为。尤其在乡村公路上的桥梁，具有专业队伍管养的较少，又随着城镇化事业的发展，公路上的重载车辆增多，这些桥梁的技术状况越来越差，以致变成危桥或垮塌的概率，也就会很大。美国在桥梁管养工作中得出了‘五倍定理’的经验教训，值得我们注意和参考的，就是：日常不投入1美元的养护费用，就会要化5美元去处治出现的小‘病’害，若不及时处治小病害而发展成较大弊病时，就得化25美元去维修，若再不及时采取维修措施就会变成危害主体结构安全的严重问题，就得化125美元去彻底加固。
第二部分则是加固改造的问题主要是提高桥梁结构的承载能力和适用条件，达到新的使用标准，来适应交通运输突出的发展趋势要求，为此，必须要慎重提出新的设计概念，对结构性能进行具有耐久性的改善和提高，与国家经济发展的形势相适应，也是保持交通建设可持续发展的一项基本国策。今后的工作真是任重道远。加固方案不外乎有：桥面铺装层加固法；增大梁体断面配筋加固法；黏贴碳纤维或钢板加固法；改变结构体系加固法；体外增加预应力加固法…等，已有很多资料介绍，不在这里赘述。下面主要针的对量大、年久的空心板梁的病害、病因及其维修、加固对策和措施提出一些分析和建议。
3. 中、小桥梁病害的主要成因及加固对策﹙空心板梁﹚
3.1 设计存在的问题和不足
原有空心板梁一般均有定型设计图可供参考设计和制造，宽度为1米，标准跨径为：6、8、10、13米等。非标准跨径根据需要另行设计。后来发展的有：16米、20米或按需设计的预应力砼空心板梁。空心板梁一般都是简支梁，对于空心板梁而言，其病害的主要表现为：1.在正常的荷载作用下，板梁底部的钢筋保护层厚度不足，可能出现未超限的裂缝，但大气中的CO2和水气会渗入，使钢筋锈蚀，砼碳化；2.荷载设计标准偏低，实际荷载作用增大：其一是车辆活载超过设计荷载，导致裂缝扩大，变成了有害裂缝；二是恒载超重，设计时安全系数偏小，养护单位擅自增加沥青铺装层的厚度。三是沥青砼桥面铺装施工时，设计中忽略了震动压路机开启强震引起结构共震产生的强大应力，导致裂缝扩大；四是板梁间企口铰缝侧面和顶面设计预埋的穿手连接钢筋强度不足，这是设计中祗假定板梁间铰缝祗承受竖向剪力，忽略了水平剪力及法向力作用，导致钢筋被拉断失去了梁间的整体受力作用，造成单梁受力，致使负荷过大，于是造成梁底出现大量横向裂缝，严重时就会发生断梁事故。同时相邻梁间产生的弯矩相差过大时，也会引起相邻板梁的铰缝带来相应的破坏，当桥面的铰缝砼铺装厚度偏薄或钢筋网不足时，在沿梁与梁间铰缝处因支撑刚度不同，势必又会引起沿铰缝处的砼铺装层纵向开裂也促使桥面出现纵向裂缝。
3.2 制造和施工质量存在的问题
空心板梁一般都在工厂或工地制造，在工厂制造时，一般采用具有系统定型的钢模板，尺寸都控制得很严，所以铰缝企口尺寸偏差很小，成品梁的外形尺寸质量可以得到保证，砼的配比、搅拌、浇筑、震捣均较规范。如果桥梁工地距离制梁厂不远，就应直接向制梁厂购置运到工地吊装最为方便可靠了。然而很多中、小桥无奈距制梁厂很远，祗能在工地自行小批量制造，由于支模过程中尺寸控制不严，常常导致板梁和企口本身以及铰缝底部的承托厚度尺寸出现较大偏差。加上模板刚性不足，经坼装倒用变形严重，施工中螺栓固结不好，支模不牢、跑模变形，或测量放样不准，模板加工尺寸不符要求等因素致使板梁企口及其上下宽度相差不大甚至等宽，不能形成铰，以致不能横向传力，而形成单梁受力。再者如果板梁底部的承托厚度小于10厘米，往往也会因抗剪不足将砼剪坏而形成单梁受力。在浇筑板梁砼过程中，也常常未严格按施工工艺和操作规程办事，级配不到位、粗骨料含泥量过多、水灰比过大、震捣不实、尤其在安装空心气模时，位置不准或充气后发生位移，致使顶、底板或腹板厚度误差过大，将使梁体受力不均匀。而在施工吊装板梁前，常常出现梁体侧面凿毛不彻底，于是在浇筑铰缝砼时，由于新、老砼龄期不同，因收縮而产生裂缝，就会降低铰缝现浇砼与空心板梁侧面的粘结力。特别要指出的是浇筑铰缝砼时，虽然数量少，但质量要求高，必须要按工序进行，应先用水泥砂浆填好底缝，不能直接浇筑铰缝砼，以免造成砼漏浆，形成蜂窝，导致砼强度降低。另外，铰缝内的构造钢筋因规格或数量不足，导致砼出现早期裂缝不仅降低了砼整体受力能力，而且会受到水和大气中的污染气体如：CO2、SO2、SO3等的侵入，钢筋表面的钝化膜遭到破坏而锈蚀，随着锈蚀厚度的增加，就会产生膨胀应力，砼裂缝严重扩大时，会使砼呈碎块崩裂。如果防水工程不到位，问题就会更严重，详见参考文献[1]。
3.3 为避免单梁受力的弊端、梁体病害和做好防水、防腐、防裂工程的对策如下：
3.3.1单片梁的设计宽度应小于车辆轮距间1.3米的宽度，这样就可促使车辆的荷载祗少承压在两片梁上；
3.3.2为使多片梁联成整体共同承受荷载，必须加强铰缝内的构造钢筋和梁顶穿手钢筋的连接强度，为此，在梁的侧面浇筑企口砼前应拉毛并冲洗干净，先在铰缝底部用掺有水泥基渗透结晶型防水材料的水泥砂浆填实，然后用小粒径骨料的防水砼浇筑震实，再在梁顶面涂一层XYPEX浓縮剂﹙详见参考文献[2]﹚，防止铰缝与梁顶之间的渗水能取得最佳效果。
3.3.3 加强桥面砼舖装层的厚度与强度。桥面铺装层过早破坏的问题屡见不鲜，这是由于铺装层的厚度与强度过于薄弱，同时其与板梁砼存在龄期的差异，桥面砼铺装必然因收縮形成与梁顶之间的界面，且铰缝与板梁间的缝隙处最薄弱，当桥面铺装层厚度和钢筋网强度不足时，在此处沿着铰缝方向产生纵向裂缝，必然就会降低其承受汽车活载的能力，同时引起渗水腐蚀铰缝砼，导致铰缝破坏。对其防治措施有三种办法：一是采用高性能的SDS 钢纤维砼，其厚度不小于10厘米；二是其中间按置钢筋网片的钢筋直径不小于12毫米，间距不大于10厘米；三是在浇筑铺装层砼前，应在梁顶面用水冲洗干净并保持湿润，最好铺设一层厚度为20毫米的XYPEX水泥砂浆，使浇筑的铺装层砼与梁顶砼牢固连接，避免出现缝隙，这样既保证了强度又起到了最佳的防水效果。
3.3.4做好桥面排水工作，做设计时，应根据当地可能出现的最大雨量，合理地设置桥面的纵横向坡度，保证雨水不汇聚在桥面上能随时排出。边梁与地袱交会处的形成的缝隙，可用XYPEX水泥砂浆勾缝，做成流水槽，通过桥墩旁的排水管道排向地下雨水管道。
3.3.5空心板梁两端下表面封堵的砼板缝隙，可用XYPEX浓缩剂涂刷两遍，就可确保雨水不会浸入梁体内。
3.3.6 对于桥面连续缝和伸缩缝处的防水措施，建议可采用柔性延展性较好的聚脲防水材料来处理较为可靠，不在这里赘述。
3.3.7 为了改善全桥梁体的受力状态及防水效果，一般有两种对策：一是变简支梁为连续梁，在桥墩上的板梁端部接缝处填充防水砼、并在相应位置的铺装中增加承受负弯矩的粗钢筋形成连续结构；二是将桥面铺装层加强改为连续结构。
3.3.8对于小于0.25毫米的裂缝，以前一般均采用水泥砂浆或环氧砂浆表面涂刷，可以达到表面封闭的效果，但缝隙内的水分，特别是贯穿底板的缝隙来自空心部分渗人的水分无法排除，近年来上海郊区公路和中国第一条高速公路的桥梁主要应用CCCW材料—XYPEX﹙赛柏斯﹚浓缩剂防水材料涂刷都取得了非常良好的效果﹙详见参考文献[3]﹚。
3.3.9对于超过缝宽限制的裂缝，必须查明裂缝原因。在消除病害原因后，对小于0.4毫米的裂缝，仍可采用上述材料和方法进行封缝。对大于0.4毫米的裂缝，需将裂缝凿成25～30宽、35～70毫米深的U形槽，在缝槽冲洗干净后，采用水料比为1：6的料团塞紧填平，
并在2～3天内，用水雾湿润养护。
3.3.10 对震动压路机引起的和偶然超载引起的裂缝，如今后不再超载，可采用上述方法维修。否则就应黏贴碳纤维布或钢板进行加固。
3.3.11 对铺装层加厚，梁体强度低的原因产生的裂缝，经验算采用上述材料、方法维修后承载力仍达不到设计要求时，还要进行黏贴碳纤维布加固。
3.3.12 对由于铰缝分离增大单梁受力的原因产生的裂缝，必须翻修铰缝并增强横向连接功能后，用上述材料、方法维修加固。有条件时，宜全桥面改建，如上述3.3.3的办法，这样，可不挖清铰缝内砼，只需要保留外露箍筋和适当增加植筋，达到增强横向连接，使各片梁受力更为均匀，这是彻底解决铰缝分离的最好方法。上海外环线温藻浜桥中，就有一片梁由于铰缝分离，出现荷载作用后，该梁下挠，而相鄰梁片均不下挠的现象。采用上述措施后，相鄰梁片共同受力，下挠很小，完全在可控的弹性范围内。
3.3.13对芯模上浮，经检测板梁顶板的实际厚度，须验算是否需要换梁或加固，具体办法：凿去该处的桥面铺装砼，在梁上植筋或焊钢筋增强板梁与新浇桥面铺装砼的结合能力，使其成为组合结构，提高抗弯能力，并采用吊模法将上浮部分损失的砼截面自上而下重新浇筑。
3.3.14对于火灾引起梁体砼及钢筋强度降低，经评估高温对梁体承载能力的影响后，如确定不需换梁，则可采用如下步骤的加固维修方法：
﹙1﹚凿除已损伤的砼直至结实的砼表面，在清除粉灰尘后，加焊适量补强钢筋，再涂刷渗透型钢筋阻锈剂如： Clonie754锈蚀转化剂涂刷钢筋，该材料可在除去钢筋表面锈蚀的同时使钢筋表面生成一层黑色防锈层。
﹙2﹚用高压水将表面残留物冲洗干净，并保持砼表面湿润，然后在钢筋表面及周围涂刷XYPEX浓缩剂，利用该材料对钢筋周围砼渗透结晶作用，使钢筋周围砼致密持续保持碱性环境，防止水、盐及其他有害化学物质接近钢筋，形成对钢筋的第二道防蚀线。
﹙3﹚采用喷射比梁体砼标号高一级的砼补强施工方法或聚合物砼喷射到梁底板，并建议用XYPEX配套的‘盈赛得’抗渗多功能干混砂浆﹙N2000型号﹚，使用时只需在现场加入15％的水，搅拌均匀就抹平使用。其湿界面粘结力达到2.3Mpa,28天抗压强度达到25Mpa.具有良好的抗渗性、抗裂性，对钢筋形成第三道防线。
砼结构是多空性物体，其密实度一般在75％～90％之间，而砼体内的水泥颗粒完全水化、半水化、未水化大约各占三分之一左右，所以当今对提高砼的密实度、防各种病害如：砼的碳化、碱骨料﹙AAR﹚反应、冻融循环、…等造成的裂缝以及温度、收缩、应力…等因素产生的裂缝，都将会对钢筋发生锈蚀危害，严重时势必导致梁体破坏甚至断裂。看来，裂缝是病因，钢筋锈蚀是恶果。我们再不能认为对出现的裂缝只要不大于一定的宽度和深度是无害的了，由于这种错误观点，业已导致不少小隐患潜移默化变成了大病害桥梁的恶果。
4. 结语
中、小桥梁采用砼空心板梁，在全国不同等级的公路桥上数量特多，发生病害的概率也较高，如果对此不引起高度的重视，及时采取有效的抢救措施，则跨桥的恶性事故将会继续出现。各省、市、县桥梁管理养护部门应确保不发生桥梁垮塌事故作为工作最重要的职责和底线，是义不容辞的。所以除设计部门也应重视外，养护单位应及时有的放矢、“对症下药”有效做好维修、加固工作，确保交通运输安全畅通。本文仅供抛砖引玉之用，希望同仁们共同探讨，创造出更多、更新、更好的桥梁检测、养护、维修、加固、改造的办法和对策，造福于社会。
《桥梁风险评估与安全管理暨检测维修加固创新技术研讨会论文集》2013年
参考文献
[1]朱海涛：〝钢筋混凝土桥梁病害的主要成因及修补加固范例〞2008年5月《第十八届全国桥梁学术会议论文集﹙下册）》人民交通出版社
[2]朱海涛：〝一种高性能、高性价比、标本兼治的 CCCW材料—XYPEX〞2012年5月《第二十届全国桥梁学术会议论文集﹙下册）》人民交通出版社
[3]马广德：〝上海公路桥梁常见病害及维修对策〞。《上海蓝德公路工程设计咨询计有限公司》
