混凝土桥梁常见病害分析及防治
2015-05-15
1、引言
混凝土桥梁在使用中存在一些常见病害，如钢筋腐蚀、桥面裂缝、伸缩缝破损等，这些病害严重影响了桥梁的使用性能，如不及时修补和维护，会造成主体结构的破坏。如何做出正确的检查，掌握确切的病害情况，及时制定出合理、经济的防护维修方案，截至目前理论上尚没有很好的解决办法，究其原因，主要是对病害缺乏系统、清楚的认识。
桥梁结构不可避免的会出现损伤和病害，因此，必须加强病害的预防。具体来说，一是加强经常性的养护维修，建立起日常检查机制，以保证桥梁运营安全，防止病害的扩展。二是定期对桥梁进行“体检”，对桥梁结构进行运营潜力评估。三是贯彻执行“预防为主”的原则。对桥梁病害进行预防处理，首先要进行桥梁检查，必要时还需进行桥梁荷载试验，以掌握结构的技术状况和安全状态，分析病害的原因及严重程度，以便从安全、经济、适用等方面综合考虑是否进行维修加固。对可以进行维修加固的桥梁，也应区分情况，分析病害原因，采取相应的处治措施。因此，正确分析桥梁病害成因，掌握不同类型桥梁、不同病害的特点，针对具体问题迅速简捷地制定相应对策，具有较大的经济价值和社会效益。
通过对加固后的泉州大桥、省道306线内格特大桥、东山大桥、东关大桥的运营情况来看，加固效果是很成功的,同时也总结了一些混凝土桥梁的病害和防治措施。
2、桥梁病害成因分析
中小跨径混凝土桥梁存在的一些常见病害有：钢筋锈蚀、伸缩缝破坏、桥面裂缝和支座破坏等。
（1）锈蚀病害。
钢筋锈蚀是影响桥梁结构寿命和安全的一个重要因素。钢筋锈蚀主要是发生了电化学反应。钢筋表面致密的氧化膜可使钢筋免受锈蚀。氧化膜的破坏直接导致了锈蚀的发生。混凝土的“碳化”、大气污染以及混凝土过高的cl-含量都使得混凝土中pH值下降，钢筋表面氧化膜处于酸性环境中，逐渐被腐蚀，这样氧化膜便被破坏了。我国很多地区，因工业污染形成的“酸雨”普遍存在，为桥梁中钢筋的锈蚀提供了合适的外部环境。同时，冬季普遍采用撒盐的方法防止桥面冰冻，富含cl-的盐水渗入混凝土结构内，大大加速了钢筋的锈蚀。
钢筋发生锈蚀时，锈蚀部分的体积可膨胀至原体积的10倍以上，从而对周围混凝土形成挤压，造成混凝土开裂、剥落，使截面有效尺寸减小，导致结构承载力下降。锈蚀的直接后果是钢筋截面积减小，对于以钢筋作为抗拉材料的混凝土桥梁来说，截面积的减小会直接影响结构的抗弯能力。钢筋锈蚀还会降低混凝土对钢筋的握裹力。锈蚀物外流，在结构表面形成锈迹，影响结构美观。由此可见，钢筋锈蚀对桥梁结构的危害十分严重，有时甚至是致命的。
（2）冻融病害。
冻融现象也是造成桥梁病害，影响桥梁结构承载能力和寿命的主要原因之一。西部地区受天气影响极易产生冻融现象，长期反复作用易造成结构产生裂缝。有些桥梁进行了加固处理，新浇混凝土和后补混凝土结合不好，易产生裂缝，而冻融作用又加剧了这种作用。冻融病害主要是以下几方面引起：一是自然因素的影响；二是桥梁本身混凝土的施工质量不高，排水设施存在缺陷；三是后期养护薄弱。
（3）伸缩缝病害。
据目前的调查和研究表明[3,4]，伸缩缝病害出现的原因有以下几个方面：①由于设计不周引起的伸缩缝损坏。桥面采用了“搭接角钢夹橡胶条”式简易伸缩缝装置系统，缝顶与现浇桥面混凝土同高，上铺沥青混凝土。由于设计中着重强调了解决桥面在伸缩缝处的平整度问题，忽略了桥面混凝土与桥面板的同步伸缩，因此，通车后，沥青混凝土表面沿缝出现不规则开裂，冬季加宽，夏季拱起。在车辆荷载的长期作用下，桥面铺装层(或路面表层)由缝处向里逐渐剪坏，出现啃边或大范围的坑槽，给日后修补带来了更大的困难。②由于选型不当引起的伸缩缝损坏。③由于桥墩台施工及梁(板)预制尺寸导致实际板端预留间隙与设计间隙悬殊而引起伸缩缝损坏。④设计与实际伸缩量不符引起的伸缩缝破坏。这样导致在伸缩缝处夏季出现沥青桥面拱起，冬季出现沥青混凝土桥面沿缝严重开裂的现象。⑤板式橡胶伸缩缝由于施工误差或橡胶板破坏引起的伸缩缝处严重跳车。⑥板式橡胶伸缩缝或钢板伸缩缝由于伸缩装置混凝土施工先于两端沥青混凝土路面面层而引起伸缩缝尾端跳车。⑦“反开槽法”施工操作不认真引起伸缩缝处跳车。目前运用“反开槽法”施工修筑的伸缩装置有毛勒缝或暗式伸缩缝等。“反开槽法”施工虽然从理论上解决了伸缩缝端头跳车的问题，但若施工时操作不当，车辆通过时仍有明显的反映。⑧材料选用不当引起的伸缩缝损坏。导致伸缩缝出现损坏的原因很多，由于伸缩缝受力复杂，有产品本身问题，也有设计和施工的问题。从设计上看，设计工程师在伸缩缝设计过程中只注重计算桥梁的伸缩量，并以此进行选型。而往往对产品的性能了解不全面，忽视了产品的相应技术要求，诸如过渡段混凝土的长度、厚度、标高、预埋件的位置及深度，而且也没有在设计图上标注清楚。这其中很多问题要等产品运到工地安装甚至安装后才能发现，但为时已晚。从施工上看，伸缩缝安装是桥梁施工的最后几道工序之一，为了赶进度，施工马虎，不按安装程序要求施工。另外，安装后混凝土没有达到强度就提前开放交通也是造成伸缩缝损坏的原因，因为此时过渡段的锚固混凝土早已产生早期损伤。
（4）桥面铺装病害。
桥面铺装病害，包括不规则的网状裂缝，较规则的纵向、横向裂缝以及较严重的破裂等病害。这不仅增加了维修费用，甚至导致大面积翻修。同时，桥面铺装直接承受高速行车的冲击、剪切与磨耗，并直接承受气候的影响，日晒升温、日落降温，并与主梁(板)存在一定的变化差异。所以桥面铺装的受力不仅定性分析困难，尤其难以定量计算。桥面铺装层的受力复杂，病害时有发生。因此，对桥面铺装层的设计和施工均应予以足够的重视，以预防病害的发生。
桥面下沉、栏杆及人行道系损坏等病害，主要是由于缺乏养护造成的。养护部门对桥梁养护不够重视，造成桥梁长期失养，外观损坏严重，排水不畅，而桥面铺装过去又多为泥结碎石结构，强度低、防水性能差，桥面水容易渗入结构。同时结构的膨胀变形也会影响桥面铺装。整体式板桥的板宽较大，在荷载作用下，除板的纵向发生弯曲外，横向也会发生弯曲。横向分布钢筋没有达到规定的用量，是造成桥面板受拉侧出现纵向裂缝的原因，横向配筋不能满足正常使用荷载的要求，导致其无法限制纵向裂缝的宽度。
（5）其他病害。
裂缝是桥梁中一种较为普遍的病害。调查研究表明，桥梁结构还有其他病害，如：支座病害、混凝土保护层不足、失效、疏松、胀鼓、裂纹甚至脱落；混凝土碳化速度快，碳化深度已达到钢筋表面；桥面排水不畅，防水层无保护层，损坏严重，泄水管质量不过关，施工质量差，混凝土保护层厚度的变异性很大；混凝土收缩裂缝、桥面板自然磨耗、材料的老化、大型车辆超载严重、冬季融雪时化学药剂的渗入、建桥时施工质量等诸多影响因素，也是加剧桥梁病害的重要原因。
3、对策分析
泉州大桥加固中，鉴于静载试验过程中没有发现拱肋控制截面有新的裂缝发生，且原有裂缝未见进一步发展，试验后一年来拱肋、承台等开裂部位裂缝没有明显发展和增宽也表明在正常使用状况下，裂缝已经基本稳定，不会危及桥梁的正常使用。因此，对拱肋和承台的裂缝用环氧砂浆进行封闭处理，同时外包碳纤维布进行补强加固，一般应包两层外包碳纤维布，裂缝每侧碳纤维布宽度不少于150mm,且构造满足相应“碳纤维布加固技术规程”的要求。因桥面铺装层剥落、破损比较严重，所以全部凿除重新设置钢筋网和浇筑砼，并把原来39条伸缩缝减少到15条。在省道306线东山大桥加固中，因该桥上部结构大部份横系梁出现裂缝，已经影响结构横向联系，设计施工中不仅加大了横系梁断面尺寸，而且增设5道横系梁，在主肋侧面及主拱底粘贴钢板，考虑钢板与主肋共同受力。对于钢筋锈蚀问题，在出现锈蚀的区域，修复时，首先要清除所有锈蚀区域的混凝土，然后对钢筋采用喷砂法和超高压水枪进行喷射除锈处理，如果钢筋严重锈蚀，应根据验算结果确定修复部位并增加钢筋数量，以确保钢筋含筋率，然后浇注高强混凝土。当混凝土层较薄无法立模施工时，可采用喷射混凝土浇注。同时，还可以采用物理方法防锈：如钢筋表面增加环氧树脂涂层。良好的涂层能有效防止钢筋锈蚀，大大延长结构使用寿命。据有关调查资料评估，使用环氧树脂涂层钢筋可使桥梁寿命延长10年以上。另外，在经常接触水的表面增加环氧树脂或其他高分子材料作为防水层，改善表面防水，也可以达到防锈蚀的效果。
在中小跨径桥梁中，采用无缝桥梁可以避免出现伸缩缝病害。
对于桥面铺装病害，可采用冷轧带肋钢筋和钢纤维混凝土材料防护。冷轧带肋钢筋与普通钢筋相比，设计强度大幅度提高，与混凝土粘结握裹力强。同时，冷轧带肋钢筋网有良好的整体刚度，不易变形，在桥面混凝土施工时不会出现局部钢筋网陷落的情况。而采用钢纤维混凝土这一新型高强复合材料对桥面进行修理、补强，既可提高桥面的抗裂性、耐磨性、耐久性，又可延长桥梁的使用寿命和减少维修，此外，早期强度高，可提前通车，具有明显的技术经济效益和社会效益，有着很好的发展前景。
4、结论和建议
针对混凝土桥梁的实际情况，可通过对桥梁钢筋锈蚀、支座、伸缩缝和桥面铺装等病害的调查与分析，结合有关工程进行试验研究，提出防止病害的设计方法，以求彻底解决混凝土桥梁的病害问题。具体实施过程如下：
（1）在广泛调查典型地区混凝土桥梁已存在的各类病害的基础上，对各类病害问题进行分类分析，评估它们对结构的影响。
（2）选择若干已出现典型性和普遍性病害问题的桥梁，同具有相同或类似规模而未发现问题的桥梁进行对比，结合设计、施工和维护信息考察病害产生的原因，分析各种影响因素及其作用机理和发展规律。
（3）参考目前维护桥梁的工程实践，研究防病害的对策，提出减小和消除已有病害的处理方法以及防止病害产生的构造措施和施工要求，并在防病害设计方面进行探讨和研究。
（4）将研究成果用于依托工程上，检验其效果，并不断完善。
（5）归纳各类病害的成因和改造方法，以及防止病害的设计要点和施工方法，形成防病害信息系统，总结各种处理方法的优缺点和适应范围。
不同类型的桥梁，在不同条件下，不同部位都会出现不同程度的病害。目前，国内的研究水平只停留在针对具体病害具体分析，尚未系统研究。我国桥梁众多，地形和环境多变，不仅为此项研究提供了丰富的素材，更为今后的实际应用提供了广阔的前景。本文提供的思路，对桥梁病害成因作系统分析，对新型材料、新的施工工艺和新的设计方法在桥梁防病害领域进行相关研究，将对提高桥梁的使用性能，完善桥梁设计方法等方面起到积极的推动作用。
