超載車輛對砼梁橋病害的影響及對策分析

于清新，劉君云

(1.連云港經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設局，江蘇 連云港 222069；2.東北林業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

公路運輸在經(jīng)濟社會發(fā)展中占據(jù)重要地位。然而部分道路運輸企業(yè)和個人在利益的驅(qū)使下超載運輸貨物，破壞交通基礎設施，引發(fā)大量交通事故，造成巨大損失。超載車輛長期行駛在橋梁上，引發(fā)橋梁大量病害甚至發(fā)生橋梁坍塌重大安全事故。據(jù)統(tǒng)計，江蘇連云港市242省道某路段日平均行駛大貨車約2 868 輛，其中超載車輛約12輛，車流量較大且大貨車較多，沿線橋梁長期處于超負荷運行狀態(tài)。該文基于江蘇公路超限管理系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對該路段砼梁橋在超載車輛作用下的病害情況進行分析。

1 超載車輛狀況

超載車輛是指車輛所裝載的貨物重量超過車輛本身所允許的核載重量，即超過車輛行駛證上標定的載重。公路超載車輛是指行駛在公路上的裝載貨物超過國家相關規(guī)定的車輛，車輛荷載超過公路所承受的最大荷載。公路貨運車輛超載認定標準(部分代表車型)見表1。

表1 公路貨運車輛超載認定標準(部分代表車型)

如表2所示，2021年1月，該路段通行運輸車輛86 064輛，其中不超載車輛85 691輛，超載0～30%的車輛298輛，超載30%～60%的車輛55輛，超載60%～100%的車輛17輛，超載100%以上的車輛3輛。由此推算，該路段全年通行車輛約1 032 768輛，超載車輛約4 476輛，沿線公路橋梁長期處于超負荷運行狀態(tài)，若不加強對超載車輛的管控，橋梁病害將持續(xù)惡化。

表2 2021年1月該路段通行運輸車輛統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2 超載車輛對砼梁橋病害的影響分析

2.1 超載車輛對砼梁橋橋面系病害的影響

橋面鋪裝是直接承受超載車輛輪壓荷載的結構層，其損傷情況也最直觀。橋面鋪裝層在受到超載車輛較大荷載作用時，會出現(xiàn)裂縫、車轍、破碎等現(xiàn)象。在超載車輛行駛較多的國省干道上，往往不得不經(jīng)常重新鋪筑橋面鋪裝，帶來較大經(jīng)濟損失。

在超載車輛反復作用下，該路段瀝青砼橋面鋪裝層主要出現(xiàn)裂縫、車轍、破損、坑槽等病害(見圖1、圖2)，水泥砼橋面鋪裝層主要出現(xiàn)裂縫、露骨、剝落、坑洞、破損等病害(見圖3、圖4)。橋面鋪裝層表面出現(xiàn)損傷后，雨水將滲入加快橋面鋪裝病害的發(fā)展。

圖1 橋面網(wǎng)狀裂縫

圖2 橋面縱向裂縫

圖3 橋面破損

圖4 橋面橫向裂縫

伸縮縫是為了滿足橋面變形需要而設置的，通常布設在梁與梁之間或梁與橋臺之間。在超載車輛作用下，橋面板發(fā)生很大變形，不僅引起伸縮縫處豎向位移，也會引起橫向位移。若長期受到超重荷載的作用，伸縮縫的使用頻率增加，伸縮縫的錨固區(qū)、鋼板等會產(chǎn)生病害(見圖5、圖6)。

圖5 伸縮縫錨固區(qū)破損

圖6 伸縮縫鋼板斷裂

2.2 超載車輛對砼梁橋支座病害的影響

超載車輛的反復作用會使橋梁各支座承受超過設計值的荷載，在這種荷載的長期作用下，板式橡膠支座老化產(chǎn)生裂紋。超載車輛行駛在橋梁上，支座會承受較大的荷載，長期作用會導致橡膠支座剪切變形產(chǎn)生斜向裂縫(見圖7)。梁體作用在支座上，若變形過大會使支座發(fā)生局部脫空、鋼板銹蝕等現(xiàn)象，降低支座使用壽命(見圖8)。盆式橡膠支座在超載車輛作用下鋼盆產(chǎn)生裂縫，大大減弱對橡膠支座的側向約束。在這種不利荷載的長期作用下，會導致盆式橡膠支座損壞。

圖7 支座剪切變形

圖8 支座鋼板銹蝕

2.3 超載車輛對砼梁橋承重構件病害的影響

對于預制空心板，在超載車輛作用下各梁板之間橫向連接部位易產(chǎn)生縱向裂縫，開裂后橋面積水滲入加速鉸縫處鋼筋銹蝕，導致橋面橫向聯(lián)系減弱。

對于預制小箱梁和T梁，在超載車輛長期作用下，濕接縫、橫隔板會發(fā)生裂縫且裂縫深度及寬度逐漸增大，大大減弱預制梁之間的橫向聯(lián)系。在局部超載輪壓荷載作用下，各梁之間橫向聯(lián)系減弱不能共同受力，易產(chǎn)生單梁(板)受力的不利情況，導致梁(板)底部產(chǎn)生超限的裂縫、橋梁跨中下?lián)?、承載能力下降等現(xiàn)象。

對于整體式現(xiàn)澆梁(板)橋，超載車輛經(jīng)過時橋梁會產(chǎn)生較大彎矩，在跨中位置出現(xiàn)下?lián)稀⒘芽p等病害。通常表現(xiàn)為跨中處梁體底部出現(xiàn)裂縫，隨著超載車輛的反復作用，裂縫不斷蔓延發(fā)展。在超載車輛作用下，梁體在支座位置承受較大剪力，梁底板產(chǎn)生剪切裂縫，隨著超載車輛的長期作用，裂縫不斷發(fā)展蔓延。隨著裂縫的不斷蔓延，橋梁呈現(xiàn)下?lián)铣蕖⒊休d能力降低的現(xiàn)象(見圖9～12)。

b)當C(px,y)==C(px-1,y)且C(px,y)≠C(px,y-1)時，表示塊px,y和上鄰域塊px,y-1之間存在跨塊缺陷，故Label[x,y]=Label[x,y-1]。

圖9 主梁底裂縫

圖10 主梁下?lián)?/p>

圖11 主梁裂縫

圖12 濕接縫開裂

在超載車輛反復作用下，墩臺基礎會產(chǎn)生不均勻沉降，橋面伸縮縫位置也會產(chǎn)生高差，形成橋頭跳車現(xiàn)象，不僅降低行車舒適性和橋梁安全性，而且會加重車輛在橋梁上行駛時的沖擊效應?；A的不均勻沉降易引起橋梁墩臺產(chǎn)生裂縫，大大降低橋梁的安全儲備和承載能力。

3 控制超載車輛對砼梁橋病害影響的對策

3.1 超載車輛的管控措施

為降低超載車輛給橋梁帶來的較大安全隱患，遏制重大交通安全事故的發(fā)生，對超載車輛進行嚴格管控。公路管理部門應在重點超載橋梁路段設立超載檢查站，對超載車輛過橋采取管控措施，對于超載較嚴重的車輛強制卸載后方可過橋，將超載車輛貨物卸載分批運輸，防止橋梁局部承受集中力造成橋梁結構損傷?？紤]到超載車輛作用下局部應力集中、橫向分布系數(shù)、沖擊系數(shù)等因素，減輕超載車輛對橋梁結構損傷的影響，建議采取以下管控措施：

(1)采取軸間距較大的車輛運輸超載貨物，可避免橋梁局部出現(xiàn)集中力，在一定程度上減輕對橋梁的損傷。

(2)超載車輛在過橋前派專人檢查貨物裝載是否均勻、平衡，避免貨物集中在同一位置。在過橋時派專人指揮車輛，避免多輛超載車輛同時過橋。

(3)條件允許的情況下，可實行分車道控制，在橋梁中間車道設置超載車輛專用行車道，嚴禁超載車輛在其他車道上行駛。

(4)對超載車輛過橋順序進行優(yōu)化，按照橋梁受力最好的工況分批過橋，同時橋上不得有其他車輛及人群荷載。

(5)在保證車輛安全行駛距離的情況下，使超載車輛在橋梁中間車道行駛。超載車輛在橋梁中間車道行駛時橋梁受力均勻，而偏載行駛易造成橋梁局部結構破壞。

3.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測

超載車輛嚴重影響橋梁的安全運行，不僅會破損橋梁結構，甚至會引發(fā)重大安全事故。為保證橋梁的安全運行，管養(yǎng)單位不得不加大巡查力度，導致人力、物力大大增加，橋梁管養(yǎng)成本增大。隨著科技水平的不斷提高，橋梁檢測朝著更智能化的方向發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛用于橋梁施工及運營階段，成為橋梁安全運行的守護使者。該系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)異常時發(fā)出預警通知；根據(jù)監(jiān)測需要選取不同模塊，如結構應力、結構變形、溫度、風速、車流量等；監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預警值時進行交通管制；為橋梁定期檢測及同類型橋梁深入研究提供依據(jù)。通過該系統(tǒng)不僅可實時掌握橋梁的運行狀態(tài)，還可對橋梁安全狀況進行評定。

3.3 橋梁檢測與加固維修

橋梁檢測與加固維修是保證橋梁運營階段安全的重要措施，在檢測過程中發(fā)現(xiàn)病害及時修補，不僅可延長橋梁的使用壽命，而且可減輕超載車輛對橋梁結構更深層次的損傷。對橋梁進行定期檢測及荷載試驗，判定橋梁技術狀況，對損傷嚴重、不滿足承載能力的及時制訂交通管制及維修加固方案并予以實施，對在超載車輛荷載作用下造成的橋梁局部損傷及時進行維修。

3.3.1 橋面系的修補

對橋面鋪裝局部發(fā)生的裂縫、坑槽、破損等病害進行修補。對于瀝青砼橋面，局部病害可用瀝青混合料進行封閉處理；對于水泥砼橋面局部病害，一般先將破損處鑿毛露出骨料，然后清水沖洗，再涂抹同等級的水泥砂漿或其他材料，最后鋪裝4～5 cm水泥砼面層。若橋面鋪裝損傷較嚴重，可全部鑿除后重新鋪筑。

3.3.2 伸縮縫及支座的修補

橋梁伸縮縫易堵塞，堵塞后將不能發(fā)揮作用，對橋梁結構的損傷不容忽視，應進行日常養(yǎng)護清理。在超載車輛反復作用下，伸縮縫的鋼板會發(fā)生變形、斷裂等現(xiàn)象，需及時更換。當伸縮縫中橡膠條破損脫落時，需先清理縫中雜物再進行更換。對伸縮縫錨固區(qū)砼破損、開裂處，可采用級配良好的新砼進行修補。

支座可把上部結構的力傳遞給下部結構，是橋梁結構中重要的傳力構件，必須保證其表面清潔。對于橡膠支座，應及時清理支座處污水，防止支座老化失效。對于滾動支座，應保持滾動面干凈，定期涂潤滑油。對支座鋼板涂防銹漆，防止鋼板銹蝕而減弱支座剛度。若支座發(fā)生嚴重病害影響其正常使用功能，則應及時更換。

3.3.3 上部承重構件裂縫的修補

超載車輛作用易使橋梁鉸縫、濕接縫開裂，若不及時處理將降低橋梁結構的承載能力和安全儲備。對于鉸縫、濕接縫開裂破損處，可先鑿除破損部位，再植入鋼筋重新澆筑砼，以增加梁體間橫向聯(lián)系，避免單板(梁)受力現(xiàn)象的發(fā)生。

在超載車輛反復作用下，若砼梁底出現(xiàn)橫向裂縫，應及時作灌縫封縫處理，然后通過粘貼鋼板、碳纖維布等進行加固，并觀測裂縫發(fā)展趨勢。若裂縫寬度進一步惡化，達到0.5 mm左右時應更換砼梁。對于箱梁翼板橫向裂縫，采用環(huán)氧砂漿對其表面涂抹封閉，若裂縫進一步惡化，對其進行灌縫封縫處理；箱梁腹板縱向裂縫位于縱向預應力鋼束位置時，應用環(huán)氧砂漿將其表面及時封閉，避免引起預應力鋼束銹蝕，降低結構體系有效預應力。

3.3.4 下部結構承重構件的加固

橋梁下部承重構件在超載車輛長期作用下會引起橋梁墩臺沉降、開裂等現(xiàn)象。橋梁墩臺基礎的加固方法一般有擴大基礎和樁基礎加固。擴大基礎加固法是使新增加的擴大基礎與原基礎共同受力，通過增大基礎的基底受力面積而減小橋梁墩臺沉降，施工時應使新加部分與原基礎緊密結合共同受力。樁基礎加固法是在原基礎的承臺上進行擴大，然后在原基礎周圍增加樁基礎來提高原基礎的承載能力，采用該方法加固時應對蓋梁受力情況進行驗算，驗算通過后方可使用。

4 結論

(1)超載車輛的長期作用，不僅會損壞橋面鋪裝層，影響駕駛感，而且對各承重構件的損傷不容忽視。應增大超載車輛行駛路段橋梁的定期檢查頻率，發(fā)現(xiàn)病害及時維修加固。

(2)公路管理部門應在重點超載橋梁路段設立超載檢查站，對超載車輛過橋采取管控措施，可從超載車輛作用下橋梁局部應力集中、橫向分布系數(shù)、沖擊系數(shù)等方面采取相應管控措施。

(3)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測超載車輛過橋時橋梁的運行狀態(tài)，為橋梁管養(yǎng)和交通管理提供參考依據(jù)。