公路橋梁病害成因及加固方法研究

李海霞

（青海省大通公路段，青海西寧810000）

0 引言

隨著城市人口的逐漸增多，城鄉(xiāng)一體化政策的進(jìn)一步推進(jìn)，為減輕城市壓力，滿足群眾日常的出行需求，公路橋梁的數(shù)量逐年遞增，隨之而來(lái)的各類公路橋梁病害也層出不窮。為改善這種情況，降低日常使用對(duì)公路橋梁的損害，增加其使用年限，需要定期對(duì)公路橋梁的質(zhì)量進(jìn)行檢修與維護(hù)，針對(duì)其病害分析成因，選擇相應(yīng)的加固方法改善其質(zhì)量，有效緩解日益復(fù)雜的交通狀況，為我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展提供保障。

1 公路橋梁病害的成因

1.1 裂縫問(wèn)題

1.1.1 溫度裂縫

在熱脹冷縮的作用下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，拉應(yīng)力逐漸加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)超過(guò)其臨界值，如無(wú)法及時(shí)恢復(fù)，則會(huì)造成混凝土裂縫。而且不同溫度造成的裂縫表現(xiàn)形式也有所不同，主要包括截面均勻溫差裂縫、截面上下溫差裂縫和截面內(nèi)外溫差裂縫[1]。

1.1.2 收縮裂縫

收縮裂縫主要受混凝土中的水分多少的影響。當(dāng)混凝土中的水分逐漸減少時(shí)，其體積變小、硬度增加，在凝縮現(xiàn)象的影響下，混凝土收縮情況愈加嚴(yán)重，形成收縮裂縫。

1.2 混凝土問(wèn)題

1.2.1 堿性骨料

在公路橋梁混凝土配制中，應(yīng)用堿性骨料較多。堿性骨料由于化學(xué)反應(yīng)的作用，會(huì)形成吸水能力較強(qiáng)的堿-硅酸鹽凝膠。如不及時(shí)清除，會(huì)大量吸收混凝土中的水分，形成收縮裂縫。

1.2.2 碳化現(xiàn)象

碳化也是一種較為常見(jiàn)的、由于混凝土化學(xué)反應(yīng)造成的現(xiàn)象?；炷林械臍溲趸}和空氣中的二氧化碳與酸性氣體容易發(fā)生反應(yīng)，會(huì)對(duì)鋼筋造成一定程度的腐蝕，無(wú)法對(duì)混凝土表面形成保護(hù)作用，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)公路橋梁表面的沉降。如不及時(shí)處理，則無(wú)法為群眾的日常出行提供有效保障[2]。同時(shí)，碳化現(xiàn)象還會(huì)在一定程度上降低混凝土的堿性指標(biāo)，而逐漸趨于中性的混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用會(huì)進(jìn)一步下降。

1.3 橋型病害

1.3.1 梁橋

梁橋是我國(guó)公路橋梁建設(shè)中普遍使用的一種類型，其病害主要分布于主梁和T 梁的位置。其中箱梁頂?shù)装辶芽p、腹板斜向裂縫是較為常見(jiàn)的兩種公路梁橋主梁裂縫病害；腹板裂縫、底板裂縫、翼緣板裂縫是較為常見(jiàn)的三種公路梁橋T 梁裂縫病害。造成這些病害的原因多種多樣，如不及時(shí)處理會(huì)為公路橋梁的正常使用埋下安全隱患，造成群眾的出行困難，甚至?xí)：θ罕姷纳踩?。在梁橋長(zhǎng)期使用的過(guò)程中，其表面混凝土?xí)l(fā)生徐變，混凝土預(yù)應(yīng)力逐漸減低，如這時(shí)路橋面行駛超載的車輛，會(huì)在一定程度上造成混凝土表面開(kāi)裂，對(duì)橫向配筋和腹板厚度都會(huì)造成損傷，引發(fā)更為嚴(yán)重的公路橋梁病害。

1.3.2 系桿拱橋

系桿拱橋?qū)儆跓o(wú)推力拱橋的一種形式，由拱肋、系桿（鋼絞線、鋼梁、鋼絲）和吊桿組成系桿拱橋的承重結(jié)構(gòu)，具有性價(jià)比高、造型藝術(shù)性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在近幾年受到公路橋梁建筑師的喜愛(ài)。系桿拱橋可能出現(xiàn)的病害主要集中于承重結(jié)構(gòu)上，從拱肋的角度來(lái)看，常見(jiàn)病害主要有混凝土脫空、鋼管腐蝕和局部變形和涂層損壞的問(wèn)題。造成這些問(wèn)題的原因有很多種，如拱肋排氣設(shè)計(jì)與混凝土密實(shí)性無(wú)法保持一致、鋼管年久失修起皮剝落、鋼管彎曲而引發(fā)的褶皺等[3]。從系桿的角度來(lái)看，主要是由于年久腐蝕、荷載力逐年增加而造成的自身防護(hù)不足，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并更換系桿，可能出現(xiàn)系桿斷裂的情況，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的安全事故，甚至可能造成公路橋梁無(wú)法維修。從吊桿的角度來(lái)看，主要是鋼索、橫梁錨墊板的問(wèn)題，長(zhǎng)期不更換、不檢修會(huì)降低吊桿的防護(hù)性，造成嚴(yán)重的系桿拱橋病害。

1.3.3 斜拉橋

斜拉橋是一種超靜定體系結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)包括主梁、塔柱和斜索三個(gè)方面，其實(shí)際應(yīng)用在材料、施工、造型等方面的優(yōu)勢(shì)較為突出。近幾年在全世界范圍內(nèi)，斜拉橋都有較為廣泛的應(yīng)用。斜拉橋的病害主要體現(xiàn)在拉索、拉索錨固裝置和錨頭三個(gè)方面。其中，拉索的危害主要從腐蝕、回縮和振動(dòng)三個(gè)方向分析。腐蝕是受氣候情況、溫度、濕度、自然災(zāi)害等因素的影響，如不及時(shí)處理，腐蝕影響會(huì)始終存在于拉索應(yīng)用的全過(guò)程。回縮是指分絲板在張拉的過(guò)程中承受了大于實(shí)際張力的作用力，在側(cè)向擠壓力和摩擦力的不斷作用下，分絲板的厚度逐漸減少，一旦超過(guò)臨界值便無(wú)法恢復(fù)到原有形態(tài)。振動(dòng)主要受外界環(huán)境的影響，風(fēng)暴天氣時(shí)，拉索會(huì)存在非常明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)久振動(dòng)會(huì)增加拉索的疲勞性，無(wú)法保證拉索的安全使用。拉索錨固裝置是保證拉索和公路橋梁有效連接的裝置，在實(shí)際應(yīng)用中如果長(zhǎng)期承受巨大的作用力，會(huì)加快拉索錨固裝置達(dá)到峰值點(diǎn)的速度，降低其使用年限。錨頭的問(wèn)題主要是腐蝕，長(zhǎng)期暴露在外界環(huán)境下，腐蝕現(xiàn)象加劇，降低橡膠密封圈的效果，影響斜拉橋?qū)嶋H應(yīng)用的安全性。

1.3.4 獨(dú)柱墩橋

相比其他種類的公路橋梁結(jié)構(gòu)，獨(dú)柱墩橋在結(jié)構(gòu)上具有輕巧、（橋下）空間大、施工對(duì)公路橋梁交通情況影響小的優(yōu)勢(shì)，能夠節(jié)省公路橋梁的空間面積，充分滿足在城市人口增長(zhǎng)的背景下，城市發(fā)展對(duì)空間利用率最大化的要求。但是，獨(dú)柱墩橋在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也存在一定的漏洞，需要技術(shù)人員專注對(duì)獨(dú)柱墩橋尺寸方面的研究。上部主梁的橫向尺寸和支座間距應(yīng)該成正比，橫向尺寸減小，支座間距也應(yīng)根據(jù)比例相應(yīng)的縮小。保證車輛在行駛的過(guò)程中，主梁安全系數(shù)增加，避免出現(xiàn)車輛超載情況下的主梁傾覆事故。

2 公路橋梁病害的加固方法

2.1 公路橋梁裂縫加固養(yǎng)護(hù)方法

在對(duì)公路橋梁裂縫進(jìn)行加固之前，首先要明確公路橋梁裂縫處于哪一種狀態(tài)。

第一，當(dāng)公路橋梁裂縫還未出現(xiàn)時(shí)，要安排檢修人員定期對(duì)公路橋梁路面裂縫情況進(jìn)行檢修與維護(hù)，及時(shí)清理伸縮縫中的有害物質(zhì)，結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)制訂公路橋梁路面裂縫的加固計(jì)劃，確保公路橋梁伸縮裝置的正常使用。同時(shí)，在養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，還需要注意選擇性質(zhì)極佳的混凝土開(kāi)展公路橋梁路面裂縫的養(yǎng)護(hù)加固。在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中由專人疏導(dǎo)交通，提前通過(guò)各種途徑發(fā)布路段暫停使用與恢復(fù)時(shí)間的信息，避免交通擁堵的問(wèn)題，既能夠保證群眾的出行便利，又能夠最大限度地發(fā)揮混凝土養(yǎng)護(hù)加固公路橋梁的效果。

第二，當(dāng)公路橋梁裂縫已經(jīng)出現(xiàn)但是尚未造成嚴(yán)重后果時(shí)，交通運(yùn)輸部門需要委派專人進(jìn)行檢修，第一時(shí)間確定造成公路橋梁裂縫的原因，及時(shí)更換出現(xiàn)問(wèn)題的零件，最大限度地降低裂縫對(duì)公路橋梁正常使用的影響。同時(shí)，在檢修的過(guò)程中，需要設(shè)立監(jiān)督管理部門，確保所有的檢修、維護(hù)、加固工作都在符合國(guó)家規(guī)定和公路橋梁實(shí)際情況下進(jìn)行，避免出現(xiàn)偷工減料的問(wèn)題。經(jīng)常需要更換的、可能會(huì)造成橋梁裂縫的零件有：鋼板、橡膠、U 型鐵皮。以鋼板為例，螺栓是連接角鋼和鋼板的必備構(gòu)件，如果螺栓脫離或腐蝕變形，檢修人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換，會(huì)造成連接部位受力能力下降，出現(xiàn)斷裂的問(wèn)題。為此，檢修人員需要定期檢查螺栓的表面情況，及時(shí)清理可能會(huì)造成腐蝕的垃圾和污垢，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題的螺栓，要第一時(shí)間更換并重新進(jìn)行角鋼和鋼板的焊接工作，借助鋼板加固，降低公路橋梁出現(xiàn)裂縫的可能性。

第三，當(dāng)橋梁裂縫已經(jīng)出現(xiàn)并且伴隨橋梁沉降現(xiàn)象的時(shí)候，證明公路橋梁裂縫問(wèn)題已經(jīng)非常嚴(yán)重，如不及時(shí)處理，可能會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。針對(duì)這種情況，交通運(yùn)輸部門應(yīng)第一時(shí)間暫停對(duì)該公路橋梁的使用，從下部結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行加固和整修，重點(diǎn)注意公路橋梁地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，強(qiáng)化地基的加固，確保公路橋梁裂縫問(wèn)題的有效解決。例如，檢修人員在進(jìn)行公路橋梁裂縫加固的過(guò)程中，需要先針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行分析，根據(jù)裂縫的寬度、表現(xiàn)形式等因素，制定具體的公路橋梁裂縫處理方案。針對(duì)寬度1.5mm以上的裂縫，可采用壓力灌漿法，有效解決公路橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微裂縫。同時(shí)，針對(duì)不同的公路橋梁裂縫表現(xiàn)形式，也可以適當(dāng)添加黏土、環(huán)氧樹(shù)脂、甲基丙烯酸酯等材料。針對(duì)0.2～1.5mm 范圍內(nèi)的公路橋梁裂縫，使用修補(bǔ)膠直接對(duì)裂縫進(jìn)行處理與加固較為適宜，既能夠防止公路橋梁裂縫的進(jìn)一步加大，又能夠滿足修補(bǔ)加固的美觀性要求。0.2mm 以下的公路橋梁裂縫一般分為結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性裂縫，不管是哪一種都可以采取填充環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的方法進(jìn)行修補(bǔ)加固處理。

2.2 混凝土表面處理加固方法

第一，定期檢查。公路交通運(yùn)輸部門需要委派專業(yè)的檢修人員定期檢查混凝土路面的實(shí)際情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)表面問(wèn)題、鋼筋腐蝕現(xiàn)象、路面雨水積壓等情況。一旦發(fā)現(xiàn)類似病害，要第一時(shí)間通知維護(hù)加固部門，針對(duì)具體病害選擇合適的整改措施，為公路橋梁混凝土表面提供保護(hù)層，避免雨水滲入內(nèi)部，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成更為嚴(yán)重的損害。第二，局部修補(bǔ)。局部修補(bǔ)常用于表面出現(xiàn)裂縫的公路橋梁，先對(duì)存在裂縫的位置進(jìn)行銑刨處理，通過(guò)鑿毛的方式去除已經(jīng)腐蝕的鋼筋，隨后鋪裝1.0～5.0cm 的瀝青。對(duì)公路橋梁局部病害進(jìn)行修補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)其整體承載能力的提升[4]。第三，橋面板澆筑。該方法主要針對(duì)公路橋梁表面鋪裝層病害的加固處理，當(dāng)局部修補(bǔ)已經(jīng)無(wú)法挽回?fù)p害時(shí)，可采取橋面板重新澆筑的方法進(jìn)行加固治理。先拆除已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題的鋪裝層，根據(jù)公路橋梁結(jié)構(gòu)選擇適宜比例的鋼筋錨入其中，在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)1～2 層鋼筋網(wǎng)，最后進(jìn)行橋面板的重新澆筑，確保公路橋梁使用的安全性。

2.3 四種橋型病害的加固方法

2.3.1 梁橋

粘貼鋼板、施加體外預(yù)應(yīng)力加固和碳纖維布加固技術(shù)是梁橋病害較為常用的加固方法。

第一，粘貼鋼板。當(dāng)梁橋原有結(jié)構(gòu)較為薄弱的情況下，可以在黏結(jié)劑的作用下將鋼板和原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘貼。對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次加固，既能夠避免橋梁裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)散，又能夠提升公路橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

第二，施加體外預(yù)應(yīng)力。該方法主要借助預(yù)應(yīng)力筋對(duì)原梁體主動(dòng)施加外力，改善原結(jié)構(gòu)的受力狀況，使其產(chǎn)生與原橋的不利彎矩方向相反的軸力和彎矩，抵消部分自重應(yīng)力，減輕公路橋梁表面受到的壓力，提升梁橋的穩(wěn)定性。

第三，碳纖維布加固技術(shù)的應(yīng)用。選擇具有較強(qiáng)抗拉性能的碳纖維布對(duì)出現(xiàn)病害的公路橋梁表面進(jìn)行粘貼，保證公路橋梁表面能夠承受更大的荷載力，在抗震性能、抗彎曲性能方面也有所提升。

2.3.2 系桿拱橋

系桿拱橋型公路橋梁的加固方法分為吊桿、系桿和拱肋三個(gè)方面。第一，更換吊桿。在更換吊桿之前，要對(duì)公路橋梁的實(shí)際受力情況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行舊吊桿的拆除與更換工作，更換結(jié)束后需要再次測(cè)量計(jì)算其受力情況，保證更換前后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致。第二，更換系桿。系桿更換難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于吊桿更換，并且到現(xiàn)在為止也沒(méi)有一種較好的更換方式，一般會(huì)采取增加系桿的方法進(jìn)行加固。但是這種方法并不能徹底解決系桿病害，還需要結(jié)合橋梁實(shí)際情況做出更為細(xì)致的分析。第三，拱肋處理。拱肋加固對(duì)于溫度有一定的要求，一般選擇夏季高溫的中午進(jìn)行，此時(shí)脫粘的寬度最大，壓漿密實(shí)效果更為顯著。

2.3.3 斜拉橋

拉索更換是斜拉橋的加固方法，由于斜拉橋所使用的拉索數(shù)量較多，所以在更換之前需要先進(jìn)行拉索編號(hào)，確定拉索更換順序，并嚴(yán)格按照預(yù)先制定好的順序更換。拉索更換一般以橋塔為中心，兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行。在更換拉索時(shí)需要在專業(yè)人員的監(jiān)督下進(jìn)行，保證主梁內(nèi)力和線形都與預(yù)先制定好的數(shù)據(jù)值保持一致或接近。在拉索更換結(jié)束之后，需要對(duì)索力進(jìn)行測(cè)試，更換之后的數(shù)據(jù)值要優(yōu)于更換之前。

2.3.4 獨(dú)柱墩橋

由于獨(dú)柱墩橋具有一定的特殊性，所以其加固方法也有別于其他橋型，一般選擇增加支撐柱、加大承臺(tái)、植筋、增加基礎(chǔ)、增設(shè)鋼管混凝土、增加薄壁墩等方法進(jìn)行加固[5]。但上述方法的應(yīng)用可能無(wú)法最大限度地利用橋下空間，獨(dú)柱墩橋在美觀性上的需求也無(wú)法得到滿足。因此，還可以采用設(shè)置混凝土支撐結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行獨(dú)柱墩橋加固，在不影響原有公路橋梁風(fēng)格的情況下，實(shí)現(xiàn)獨(dú)柱墩橋的加固處理。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)當(dāng)前公路橋梁存在的各種病害，有關(guān)部門應(yīng)積極研發(fā)緩解公路橋梁?jiǎn)栴}的加固技術(shù)，通過(guò)反復(fù)的理論試驗(yàn)與實(shí)際驗(yàn)證，尋找最佳的加固方法，既能夠滿足國(guó)家對(duì)于公路橋梁修復(fù)的資金投入、安全性能等需求，又能夠增加公路橋梁的使用年限，確保群眾可以在舒適度、安全性極高的公路橋梁上行駛，最大限度實(shí)現(xiàn)公路橋梁的應(yīng)用價(jià)值。