青藏高原混凝土梁橋的常見病害及工程對策分析

李 堯，劉厚元，鄭康琳，孫 彪

(1.西藏自治區(qū)公路局，西藏 拉薩 850000；2.威海市公路管理局，山東 威海 264200；3.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

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青藏高原混凝土梁橋的常見病害及工程對策分析

李 堯1，劉厚元2，鄭康琳3，孫 彪1

(1.西藏自治區(qū)公路局，西藏 拉薩 850000；2.威海市公路管理局，山東 威海 264200；3.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

為了給高原地區(qū)橋梁養(yǎng)護提供理論指導，針對高原獨特的地理環(huán)境，文章從橋梁承受溫濕度變化、紫外線輻射、季節(jié)性凍融交替頻繁、多年凍土發(fā)育、泥石流頻發(fā)和河床下切劇烈等高原環(huán)境特殊性的角度，選取混凝土橋梁在高原環(huán)境條件下運營過程中出現(xiàn)的病害特征進行分析，論述高原地區(qū)混凝土梁橋出現(xiàn)的病害機理，并提出了高原環(huán)境下橋梁養(yǎng)護和加固設(shè)計的相關(guān)對策。研究結(jié)果對高原地區(qū)橋梁養(yǎng)護和建設(shè)有一定的借鑒意義。

高原環(huán)境；混凝土梁橋；病害分析；處置對策

0 引言

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，高原地區(qū)逐漸成為我國經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。這些增長點的出現(xiàn)離不開公路交通運輸事業(yè)的迅猛增長。高原地區(qū)橋梁一直在高原環(huán)境這一惡劣的條件下服役，加之由于汽車交通量及荷載的成倍增加，橋梁養(yǎng)護及運營管理任務(wù)巨大，提高高原地區(qū)橋梁的使用壽命變得任重而道遠。圖1為某高原區(qū)橋梁類別統(tǒng)計圖。

圖1 某高原區(qū)橋梁類別統(tǒng)計圖

從圖1中可以看出，截至2015年年底，某高原地區(qū)公路橋梁共有6 437座，四、五類危橋總數(shù)1 433座，占公路橋梁總數(shù)的22.26%；從橋梁設(shè)計技術(shù)等級狀況來看，有2 283座橋梁技術(shù)等級不能滿足《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01-2014)最低公路橋梁設(shè)計荷載等級：公路-Ⅱ級，均為汽-20級以下設(shè)計標準。它們中共有1 388座橋梁建設(shè)在1960-2000年期間。經(jīng)過幾十年的重載交通頻繁運行，其承載力能力日益衰退，大多數(shù)橋梁處于“帶病”工作。加之近年來部分新建橋梁投資受控，施工管理水平落后，設(shè)計者對高原環(huán)境的認識不全面，使得部分剛修建的橋梁出現(xiàn)高原環(huán)境下的橋梁通病。這些橋梁，已成為高原地區(qū)公路技術(shù)狀況差，與當前交通運輸?shù)陌l(fā)展不相適應(yīng)的一個主要表征[1]。

1 高原環(huán)境的特殊性及其對混凝土梁橋產(chǎn)生的不利影響

1.1 溫度、濕度的變化

高原空氣溫度、濕度對比情況見表1。

表1 高原空氣溫度、濕度對照表

注：年平均相對濕度為2015年3月、6月、9月、12月隨機抽取數(shù)據(jù)取算數(shù)平均值

溫度和濕度會直接影響橋梁混凝土質(zhì)量。當溫度<0 ℃時，水開始結(jié)冰，混凝土將造成凍傷；當溫度<-10 ℃時，水泥水化反應(yīng)將停止進行。溫度過高，尤其是升溫過快，混凝土表面水分大量蒸發(fā)，導致表面產(chǎn)生干縮裂縫；同時，由于溫度過高，混凝土內(nèi)部水化加快，導致水化物分布不均勻，影響水泥與水的接觸，從而影響水化的進行，使混凝土后期強度發(fā)展緩慢，甚至終止。

過于干燥的環(huán)境，將造成混凝土水分大量蒸發(fā)，一方面因干燥失水影響水泥水化，T.C.PowerS的試驗表明，當相對濕度<80%時，水泥水化將趨于停滯；另一方面基于干縮使混凝土在低強度狀態(tài)下承受收縮引起的拉應(yīng)力，使混凝土表面出現(xiàn)裂紋，影響混凝土的耐久性。

高原自然氣候年溫、濕度的劇烈變化，對混凝土溫度、濕度的影響較大，而且持續(xù)時間較長[2]?；炷翝仓宛B(yǎng)護過程對溫度、濕度要求較高，需要保持穩(wěn)定的溫度、濕度，以保證混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)的正常進行。而高原地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，混凝土的澆筑和養(yǎng)護環(huán)境很難保證其質(zhì)量，使得部分橋梁先天不足。年溫度、濕度的劇烈變化會直接導致混凝土開裂，進而導致鋼筋銹蝕加劇[3]。

高原地區(qū)空氣水分含量低、年降水量少、風沙多、晝夜溫差大等環(huán)境因素產(chǎn)生的溫度、濕度變化給混凝土結(jié)構(gòu)帶來特殊的影響。

1.2 太陽光紫外線輻射強烈

橋梁加固中常常采用碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)對橋梁進行加固[4]，而高原環(huán)境紫外線輻射強烈，使得CFRP過早老化。從檢測橋梁中可以發(fā)現(xiàn)，曾對8座橋梁(3座空心板梁橋和5座簡支T梁橋)底板進行底板碳纖維加固后，均有不同程度的碳纖維老化開裂、剝落等現(xiàn)象。此外，紫外線輻射也會加速橋面瀝青混凝土開裂、混凝土老化和橡膠伸縮縫老化等[5]。

1.3 凍融交替、多年凍土

一般來說，海拔每升高100 m，氣溫將下降0.6 ℃[6]。高原地區(qū)平均海拔4 000 m以上，素有世界屋脊之稱，多年凍土分布較廣，氣溫比同緯度處于海平面位置的陸地氣溫低25 ℃，晝夜溫差、四季更替產(chǎn)生的凍融交替輕則致使橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降，造成橋頭跳車等現(xiàn)象，重則引起橋梁墩臺(擴大基礎(chǔ))發(fā)生傾斜、錯位，甚至橋梁垮塌。橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍融破壞主要表現(xiàn)在混凝土中存在大量的孔隙和裂縫，水分通過毛細作用進入，當溫度降低至冰點以下時，孔隙中的水凍結(jié)膨脹，體積可增大10%，使孔壁受壓變形，當溫度升高冰融化后使孔壁產(chǎn)生拉力，經(jīng)過持續(xù)的反復凍融，使混凝土發(fā)生開裂[7]，裂縫隨著凍融次數(shù)的增多而增加，并逐漸擴散連接，致使鋼筋混凝土梁橋的抗剪能力和抗彎承載力降低，逐步演變?yōu)樗念?、五類危橋?/p>

1.4 崩塌、滑坡、泥石流路段頻發(fā)

高原特有的氣候環(huán)境，造成崩塌、滑坡、泥石流等自然災害頻繁發(fā)生，其堆積物流入河床，致使河床受阻，排泄能力不能滿足泄洪期要求，橋梁因泥石流堆積物清理，每年亦需要大量的機械設(shè)備進行清理。高原地區(qū)的橋梁，每年經(jīng)常因泥石流沖毀或淤埋橋涵而阻斷交通，這些橋涵斷道均為泥石流、山洪、滑坡所占，其中一半以上災害為泥石流所致。泥石流的主要危害方式為沖刷、沖擊、堆積、掩埋和其他(磨蝕、振動、砸擊等)[8][9]。

1.5 地震活性比較強烈

地震震級和次數(shù)統(tǒng)計圖見圖2。

該高原地區(qū)主要屬于地中海-喜馬拉雅山地震帶，地震活性比較強烈。5.0級以上地震對橋梁結(jié)構(gòu)物均有不同程度的影響，尤其是高于6.5級的地震，產(chǎn)生的地震破裂帶可能直接致使橋梁垮塌。地震引起的常見橋梁震害有：梁體因蓋梁設(shè)計寬度不足造成的落梁、梁體碰撞破壞；地震波使梁體產(chǎn)生的滑移和支座滑動；地震振動引起的地基土液化；地震引起的泥石流填埋橋梁跨越的河道致使橋梁被沖毀；地震產(chǎn)生波動使結(jié)構(gòu)物傾斜、下沉；地震波動使危巖崩塌砸壞橋梁等。

圖2 地震震級和次數(shù)統(tǒng)計圖

1.6 河床下切

高原河流基本為山區(qū)河流，徑流系數(shù)大，匯流時間短，河水暴漲暴落，流量變幅大，河谷狹窄，調(diào)蓄能力低，汛期流速大，挾裹能力強，河床下切嚴重(極少部分是由于亂踩亂挖砂石所致)。經(jīng)橋梁檢測發(fā)現(xiàn)，海拔4 000 m以上和汛期水流速度>5 m/s的樁基礎(chǔ)上部均存在不同程度的樁頭裸露現(xiàn)象；部分未發(fā)現(xiàn)樁頭裸露的橋梁，均采取在河床加固防護等措施。導致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是河床下切致使樁頭外露，加之水流沖刷、冰雪凍融，使得樁頭出現(xiàn)縮頸、露筋等現(xiàn)象，嚴重者致使橋梁垮塌[10]。

2 高原環(huán)境條件下混凝土梁橋通病

2.1 梁橋底板橫(縱)向裂縫和濕接縫滲水分析

橋梁腹板豎向裂縫分布情況見圖3。

圖3 橋梁腹板豎向裂縫分布圖

底板橫向裂縫主要集中在跨中區(qū)域，部分裂縫貫通至梁腹板產(chǎn)生豎向裂縫。主要病害成因為梁體在重載作用下產(chǎn)生的正彎矩裂縫，加之高原空氣濕度低、晝夜溫差大，加劇了混凝土裂縫的產(chǎn)生。

底板縱向裂縫病害成因為橫向配筋過少、底板保護層厚度偏薄、車輛活載產(chǎn)生的橫向彎矩、空氣濕度小引起的混凝土收縮及預應(yīng)力張拉產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力等作用所致。

梁端濕接縫滲水病害成因為濕接縫與預制梁混凝土結(jié)合較差，在車載反復作用和太陽紫外線輻射下，混凝土過早老化，濕接縫與接頭兩端常出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象。濕接縫未損壞的情況下滲水多由橋面防水層破壞所致。由于結(jié)構(gòu)不密實，梁體內(nèi)部存在較多的空隙，當橋面鋪裝有局部破損使橋面防水層破壞時，橋面的雨水便會沿空隙下滲，部分水分滲入空心板梁空腔內(nèi)，積水從梁底裂縫滲出，經(jīng)過年復一年的凍融交替，致使主梁底板裂縫出現(xiàn)滲水、泛堿、白析、結(jié)冰等現(xiàn)象，梁體出現(xiàn)梁端濕接縫、鉸縫處也呈現(xiàn)滲水區(qū)域化，梁底裂縫也不斷凍融擴張。

2.2 梁體支座

支座的常見的病害主要有：局部脫空、開裂、橫(縱)向剪切變形等。支座局部脫空、橫(縱)向剪切變形過大主要是安裝偏差或運營過程中形成的不合理受力導致。高原地區(qū)公路點多線長面廣，現(xiàn)有的公路管理模式仍不能對重載車輛進行強有力的控制。支座開裂大多是由于現(xiàn)行重載交通量的增大，承受荷載超過其設(shè)計限值所致，加之極端溫度過低，使得支座過早地老化而造成損害。

2.3 蓋梁、墩和橋臺基礎(chǔ)

蓋梁豎向裂縫通常是由于重載交通量增多，所承受豎向荷載超過其設(shè)計允許值所致。由于較大的活載和溫變作用下，混凝土局部拉應(yīng)力過大產(chǎn)生豎向裂縫。

橋墩混凝土受河水沖刷，河床下切加之冰雪反復凍融、風化作用后，橋墩混凝土出現(xiàn)縮頸、露筋現(xiàn)象，致使橋墩基礎(chǔ)承載力嚴重受限，對橋墩結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響[11]。

橋臺基礎(chǔ)淘空主要是橋臺基礎(chǔ)長期在水流沖刷下，基礎(chǔ)因水流沖擊力而被掏空，加之基礎(chǔ)的反復凍脹致使掏空速度的加快。錐坡塌陷主要是錐坡承受不住橋背土凍脹力和水流浸入坡體后，使主動土壓力增大致使錐坡松動形成塌陷。

2.4 橋面鋪裝

橋面結(jié)構(gòu)主要通病有：橋面縱(橫)向裂縫和墩頂上方橋面鋪裝橫向裂縫等。

高原橋梁橋面裂縫的產(chǎn)生離不開太陽紫外線輻射和干燥的氣候條件。橋面縱(橫)向裂縫產(chǎn)生的原因主要有：相鄰梁板由于剪力鉸失效而不能有效傳遞荷載、兩板梁間產(chǎn)生相對位移使得橋面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱(橫)向、網(wǎng)狀裂縫等。

橋面縱向裂縫的產(chǎn)生原因主要為：上部橋面鋪裝層變形過大形成縱向開裂。這類病害破壞橋梁橫向整體性，使板梁處于少梁甚至單梁受力的不利狀態(tài)，嚴重者發(fā)展為結(jié)構(gòu)受力超出其承載能力，導致斷梁[12]。

墩頂上方橋面鋪裝橫向裂縫主要是由于墩頂負彎矩過大：(1)由于長期荷載作用，梁體產(chǎn)生撓曲變形，使橋面支座處調(diào)平層混凝土承受負彎矩作用，由此引起調(diào)平層混凝土的開裂并反射到瀝青鋪裝層中；(2)在行車荷載作用下，應(yīng)力集中處的調(diào)平層混凝土反復承受較大的拉壓應(yīng)變而發(fā)生疲勞開裂，由此反射到瀝青鋪裝層產(chǎn)生橫向裂縫。

3 高原環(huán)境條件下橋梁養(yǎng)護和橋梁加固、設(shè)計的對策

3.1 對橋梁養(yǎng)護和橋梁加固的對策

(1)橋梁管養(yǎng)單位對已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力裂縫的構(gòu)件進行加固處理，盡量采用壓力灌漿法灌注環(huán)氧樹脂膠，并在后續(xù)使用過程中加強監(jiān)測[13]。

(2)對已經(jīng)出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)受力裂縫的構(gòu)件建議進行灌縫處理，并采用防腐涂料對混凝土進行涂裝，以提高耐久性。

(3)對于混凝土脫落、骨料外露及鋼筋銹蝕外露等病害，應(yīng)先清除松散的保護層，清除鋼筋銹跡，然后進行修補，并在梁體表面采取防腐措施。

(4)應(yīng)對排水設(shè)施進行妥善處置，使水直接排到梁體以外部分，避免雨水直接排到結(jié)構(gòu)上，對梁體造成沖刷。

(5)對于墩柱缺損部分，應(yīng)進行修復，必要時進行補樁加固，并加強對日常河水沖刷部位的觀測。

3.2 對橋梁設(shè)計的對策

(1)對于泥石流區(qū)域的橋梁，根據(jù)泥石流特點，在水文計算基礎(chǔ)上，合理選取橋梁位置、跨徑、凈高，應(yīng)采取以排導為主，輔助攔擋的措施，使得泥石流順利通過橋梁。如：設(shè)置單孔跨越泥石流溝，橋梁上游采取導流工程，在橋下采用混凝土護底，增大橋下溝床縱坡(>5%)和凈寬，下游排導設(shè)施應(yīng)修建至有一定停淤場或者能將其帶走的河流。同時在一些泥石流溝修建谷坊、防沖檻、排導槽、護岸墻等。這種措施可以有效地整治泥石流，長時期保證橋梁安全。

(2)橋梁設(shè)計應(yīng)重視并加強橋梁抗震設(shè)計，要對地震帶斷裂的走向加強調(diào)查，尤其是對橋址的選擇進行論證，明確斷裂帶的方向性，在構(gòu)造措施上加強薄弱位置的設(shè)計。如：適當加寬橋梁墩臺帽寬度，高墩采用墩梁固結(jié)，注重橋墩箍筋的設(shè)計，增強防震擋塊。除此以外，還應(yīng)考慮地震帶來的次生災害，如：山體崩塌、泥石流、滑坡等問題。

(3)橋涵工程設(shè)計應(yīng)根據(jù)橋涵址多年凍土的工程地質(zhì)特征，選擇合理的橋梁方案、橋涵結(jié)構(gòu)類型。對于多年凍土地區(qū)常流水的河道，不宜采用涵洞方案，應(yīng)優(yōu)先采用橋梁跨越。高含冰量凍土地段的橋梁應(yīng)優(yōu)先采用鉆孔樁基礎(chǔ)，并應(yīng)進行基樁荷載試驗，檢驗其承載能力[14]。

(4)橋梁應(yīng)選用維修量少、耐久性好、適應(yīng)變形能力強的橋梁結(jié)構(gòu)。橋梁上部結(jié)構(gòu)的梁或板宜采用預制結(jié)構(gòu)，不宜采用現(xiàn)澆混凝土方法施工；水泥品種應(yīng)使用中熱水泥或低熱水泥，如礦渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥等[15]。

(5)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時采用鉆孔灌注樁，中小橋上部結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用裝配式預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，減少裂縫的產(chǎn)生，增加橋梁的耐久性。根據(jù)經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)安全性和材料的特性，推薦13 m<跨徑<20 m時采用預應(yīng)力混凝土空心板橋；20 m≤跨徑≤30 m時采用小箱梁；30 m≤跨徑≤40 m時采用預應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁?？缭缴顪?、大河的特殊橋梁，采用跨越能力較強的變截面連續(xù)箱梁或連續(xù)剛構(gòu)。

(6)處于流速湍急、河床下切劇烈河流的橋梁，橋墩建議設(shè)置防沖防撞設(shè)施，保護橋墩和樁頂。

(7)橋梁支座型號適當增加。處于高地震區(qū)應(yīng)采用抗震支座。高寒地區(qū)應(yīng)采用天然橡膠或者三元乙丙橡膠支座。

(8)處于年溫度、濕度的劇烈變化地區(qū)，設(shè)計說明中考慮采用蒸汽養(yǎng)生，以保證混凝土質(zhì)量。

4 結(jié)語

高原環(huán)境條件下的橋梁病害與普通低海拔條件下的橋梁所表征出來的病害之間有較多相同之處，但病害形成的因素比普通低海拔條件下的橋梁更多、更復雜，作為橋梁的管理者和設(shè)計者需要對高原環(huán)境條件下橋梁病害原因清楚的認識和特殊的考慮后，再進行合理的方案比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計，以使得橋梁在高原環(huán)境中安全、可靠、長久地運營。

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Analysis on Common Disease and Engineering Countermeasures for Concrete Girder Bridge in Tibetan Plateau

LI Yao1，LIU Hou-yuan2，ZHENG Kang-lin3，SUN Biao1

(1.Xizang Highway Bureau，Lhasa，Xizang，850000；2.Weihai Highway Administration Bureau，Weihai，Shandong，264200；3.Highway Research Institute of the Ministry of Transport，Beijing，100088)

In order to provide theoretical guidance for bridge maintenance in plateau region，then regarding the plateau’s unique geographical environment，this article analyzed the disease characteristics arising during the operation of concrete bridges under plateau environment conditions from the perspectives of bridges withstanding the changes in temperature and humidity，ultraviolet radiation，frequently alternate seasonal freezing and thawing，permafrost development，frequent mudslides，and severe riverbed undercut etc，discussed the mechanism of concrete girder bridge diseases in plateau region，and proposed relevant countermeasures for bridge maintenance and reinforcement design under plateau environment.The research results have the

ignificance for bridge maintenance and construction in plateau region.

Altitude environment；Concrete girder bridge；Disease Analysis；Disposal countermeasures

國家自然基金(511090 99)。

U445.7+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.010

1673-4874(2016)10-0033-05

2016-09-04

李 堯(1987—)，碩士，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)與材料、路面結(jié)構(gòu)與材料細觀動力學；

劉厚元(1965—)，高級工程師，研究方向：公路養(yǎng)護；

鄭康琳(1979—)，副研究員，研究方向：橋梁檢測；

孫 彪(1979—)，工程師，研究方向：公路養(yǎng)護。