大跨度預(yù)應(yīng)力橋梁病害分析及處理分析

王輝，焦寶莉

（山東東泰工程咨詢有限公司，山東 淄博 255000）

1 工程概況

山東省某市位于我國華東地區(qū)，該市為典型的氣象災(zāi)害易發(fā)區(qū)，洪水、臺風(fēng)、暴雨、高溫、冰雹等氣象災(zāi)害頻繁[1]。在此類地區(qū)修建預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁時，因荷載、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等因素，極易產(chǎn)生不同種類的破壞。通過對該市9座沿海地段的大跨度預(yù)應(yīng)力橋梁現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，幾乎每座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁均出現(xiàn)不同程度病害，表1為本次大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害調(diào)查結(jié)果[2]。圖1為各類病害詳細圖片。

圖1 橋梁常見病害圖

表1 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害調(diào)查統(tǒng)計表

2 常見大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害分析

2.1 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁常見病害

在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，按橋梁病害產(chǎn)生部位不同，一般將橋梁病害分為橋面結(jié)構(gòu)病害、上部結(jié)構(gòu)病害以及下部結(jié)構(gòu)病害三類。

（1）橋面結(jié)構(gòu)病害

在一般的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，橋面結(jié)構(gòu)破壞主要由外因?qū)е?，如碰撞造成的路面?gòu)件、扶手、護欄發(fā)生不同程度的碰撞變形、斷裂、損傷或丟失；雨水等環(huán)境因素導(dǎo)致的橋面結(jié)構(gòu)腐蝕、破壞等。此外由于施工導(dǎo)致的橋面鋪裝不平整，局部存在坑洞、裂縫、露漿等也是導(dǎo)致橋面結(jié)構(gòu)銹蝕等問題的主要原因[3]。

（2）橋梁上部結(jié)構(gòu)病害

對于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，尤其是大跨度或者超大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，由于跨度較大，導(dǎo)致施工時現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制結(jié)構(gòu)時，由于環(huán)境等因素的影響，結(jié)構(gòu)預(yù)制時常面臨施工質(zhì)量不一的問題，如構(gòu)件表面粗糙、構(gòu)建內(nèi)部質(zhì)量缺陷等，均易致使橋梁主體結(jié)構(gòu)性能不穩(wěn)定。加之在外界因素的影響下，極易發(fā)生鋼筋外露、表面混凝土風(fēng)化、鋼筋銹蝕等病害。

（3）橋梁下部結(jié)構(gòu)病害

橋梁下部結(jié)構(gòu)主要包含了橋梁的橋墩、承臺及基礎(chǔ)，混凝土橋墩和承臺在風(fēng)化侵蝕作用下，常導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)發(fā)生遇水腐蝕、遇火融化等病害。對于基礎(chǔ)，除面臨橋墩的病害外，由于所處環(huán)境不同，其面臨的結(jié)構(gòu)病害也將不同，當(dāng)基礎(chǔ)位于河流之中，由于雨水的沖刷侵蝕，也會加快橋梁結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生，當(dāng)位于海洋之中，在海水的腐蝕作用下，上述病害還將加快；位于農(nóng)田或者其他環(huán)境中，當(dāng)橋下堆放著雜物和農(nóng)作物秸稈時，還將可能引發(fā)火災(zāi)。位于地勢復(fù)雜的山區(qū)時，由于山體構(gòu)造及其他因素，還將可能產(chǎn)生由于下部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)而導(dǎo)致的橋梁傾斜、坍塌等風(fēng)險。

綜合上述常見預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)病害不難發(fā)現(xiàn)，在大部分預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中，常見病害除外部荷載環(huán)境因素之外，其主要內(nèi)因不外乎兩點：一是混凝土材料導(dǎo)致的橋梁結(jié)構(gòu)病害，二是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力消失，且主要以混凝土裂縫導(dǎo)致的病害居多[4]。

2.2 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫病害分析

（1）由荷載引起的裂縫

載荷裂縫是由結(jié)構(gòu)自身重量和汽車裝載貨物引起的一種裂縫。其主要原因有以下三個方面：

①設(shè)計階段：設(shè)計時未考慮充分，如設(shè)計的簡化模型與實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)不一致或不合理。結(jié)構(gòu)設(shè)計無荷載計算或無荷載計算，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠等。

②施工階段：施工時隨意篡改施工順序，不檢查橋梁結(jié)構(gòu)中的施工強度，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)強度不符。

③使用階段：過度計算所通過車輛的裝載能力，以及低估不可預(yù)測的外部干擾和自然災(zāi)害的影響。

（2）由溫度變化引起的裂縫

預(yù)應(yīng)力混凝土的熱膨脹和冷收縮的性質(zhì)是非常明顯的。在混凝土攪拌和強度的形成的過程中存在水化過程。水化溫度不一也會引起混凝土變形。由此造成的橋梁結(jié)構(gòu)混凝土常見裂縫有：

①由于橋梁施工持續(xù)時間較長，四季溫度變化會使橋梁發(fā)生縱向位移，當(dāng)位移被限制時，它將導(dǎo)致相應(yīng)長度的裂紋。

②當(dāng)橋面下主梁或其他部位為一面長時間面陽、一面長時間面陰時，極易導(dǎo)致朝陽面表面溫度明顯高于面陰面，由此形成的較大溫度差極易致使裂縫出現(xiàn)。

③橋梁澆筑時，由于斷面較大，在澆筑時不可避免出現(xiàn)新、舊混凝共同澆筑，此時，新、舊澆筑混凝土水化熱的溫度差較大，由此導(dǎo)致的收縮差可能引發(fā)新澆筑混凝土產(chǎn)生較大裂縫。

（3）由凍脹現(xiàn)象引起的混凝土裂縫

該市由于地處我國北部，冬季氣溫較低，此時，混凝土在低溫條件下，內(nèi)部的游離水因低溫而凍結(jié)，凍結(jié)后的游離水體積發(fā)生膨脹，致使混凝土產(chǎn)生裂縫。

（4）鋼筋失效，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度不足或混凝土質(zhì)量差時，鋼筋暴露在外，直接受侵蝕影響，破壞鋼筋表面保護層，進而外露鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土開裂。一旦鋼筋銹蝕，則易產(chǎn)生剝離，使得有效拉應(yīng)力面積減少，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗拉應(yīng)力也降低，然后承載能力顯著降低，其他形式的裂縫將因其展開。

（5）由橋梁的基礎(chǔ)和地面造成的裂縫

當(dāng)橋梁建造時，土壤地質(zhì)條件差，凍積土承載力或基礎(chǔ)設(shè)施不足，會導(dǎo)致差異沉降或水平位移，額外的應(yīng)力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，進而形成裂縫。附近的新建筑也會導(dǎo)致橋梁地基土重新固結(jié)，產(chǎn)生更大的沉降裂縫。

（6）由劣質(zhì)材料構(gòu)成的混凝土造成的裂縫

目前，我國工程使用的混凝土分為主要材料和輔助材料，主要材料包含有水泥、水和骨料三種，輔助材料常指一些外加劑。如果其中任何一種材料的質(zhì)量較差，則極易導(dǎo)致混凝土的性能不符合要求，從而引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

（7）施工和使用不當(dāng)造成的裂縫

在預(yù)應(yīng)力混凝土的施工過程中，沒有嚴格按照規(guī)范進行施工，致使施工不符合規(guī)范要求，進而降低了混凝土的結(jié)構(gòu)承載能力，在外荷載或環(huán)境的因素影響下，造成混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

橋梁使用不當(dāng)主要由機動車超載引起。一種情況是，隨著交通量的增加，原有規(guī)劃的負荷能力日漸不足，導(dǎo)致原有橋梁過載；另一種則是車輛自身超載，使結(jié)構(gòu)裂紋或小裂紋增加，超出通常允許的裂紋長度和寬度。

2.3 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力損失病害分析

在預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計過程中，由于施工、材料性能和環(huán)境條件的因素，鋼筋層中的預(yù)應(yīng)力會逐漸減少，這種現(xiàn)象稱為預(yù)應(yīng)力損失。對于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的預(yù)應(yīng)力損失主要包括摩擦損失、回縮和錨具變形丟失、溫度變化損失、混凝土的收縮損失等。

3 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)應(yīng)力病害防治措施

3.1 橋面結(jié)構(gòu)病害防治措施

①針對橋梁的碰撞引起的破壞，宜在橋梁運營后增加橋梁交通引導(dǎo)標志；②對于事故高發(fā)橋梁宜加強橋梁結(jié)構(gòu)安全評估及橋梁設(shè)計合理性評估；③為防止雨水對橋梁沖刷導(dǎo)致的橋梁腐蝕作用，宜加強優(yōu)化橋梁的防排水工作。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)破壞防治措施

造成橋梁上部結(jié)構(gòu)破壞的原因主要有兩方面：①設(shè)計不合理導(dǎo)致的橋梁受力問題；②施工不當(dāng)引起的運營隱患。因此，針對此類破壞的防治主要是從橋梁設(shè)計、施工著手，設(shè)計時應(yīng)對橋梁設(shè)計合理性進行評估，避免由于設(shè)計不合理帶來的結(jié)構(gòu)隱患；針對施工帶來的隱患，宜加強橋梁施工管理，防止由于施工不合理導(dǎo)致的橋梁質(zhì)量問題。

3.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)病害防治措施

橋梁下部結(jié)構(gòu)病害主要發(fā)生在橋梁的基礎(chǔ)，因此對于下部結(jié)構(gòu)病害的防治，主要指的是橋梁基礎(chǔ)病害的防治，這類結(jié)構(gòu)病害的防治主要從三點出發(fā)：①設(shè)計時，避免將橋梁架設(shè)在不良地質(zhì)環(huán)境中，如高山、軟弱土地基環(huán)境、河流、農(nóng)田等位置；②施工時，宜嚴格按照基礎(chǔ)施工規(guī)范進行標準施工，避免由于施工不當(dāng)引起的基礎(chǔ)病害；③運營時，宜加強基礎(chǔ)工程的養(yǎng)護保養(yǎng)。對于修建在不良地質(zhì)環(huán)境中的基礎(chǔ)，應(yīng)加強對地基及基礎(chǔ)承載能力的測算，防止由于承載力不足引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；對于修建在河流中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，宜加強基礎(chǔ)的保護，防止水流沖刷導(dǎo)致基礎(chǔ)的腐蝕等病害；對于修建在農(nóng)田等莊稼地的基礎(chǔ)，應(yīng)對基礎(chǔ)加強隔離防護，避免基礎(chǔ)受到火災(zāi)等破壞。

3.4 橋梁裂縫病害防治措施

混凝土出現(xiàn)裂縫的原因除了設(shè)計上的原因外，另一個主要的原因是施工質(zhì)量差。因此，有必要對所有施工過程和環(huán)節(jié)進行嚴格要求和控制，具體做法如下：

（1）原材料控制：嚴格控制混凝土原材料的質(zhì)量，如在原材料的選取上，盡量選取一些級配較好的礫石、砂石等，在外加劑的使用上，盡量減少使用或使用對結(jié)構(gòu)強度影響較小的外加劑，并應(yīng)對外加劑的質(zhì)量嚴格把控。

（2）嚴格控制混凝土配合比：合理設(shè)計混凝土配合比，施工時嚴格控制配合比。

（3）嚴格控制施工：在施工班組級人員的選擇上，應(yīng)保證所有人持證上崗，在構(gòu)件的澆筑、維護、組裝過程中，應(yīng)嚴格把控施工工序，防止溫度裂縫。

一旦混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，將嚴重降低混凝土的強度，并加快縮短混凝土的使用年限，從而影響其耐久性。因此，對于已出現(xiàn)裂縫的橋梁，應(yīng)根據(jù)橋梁裂縫等級采取適當(dāng)措施解決并進行合理修復(fù)。針對不同部位不同等級的裂縫，目前國內(nèi)外常用以下幾種方法及進行處治。

（1）表面修補法

表面修補方法適用于修補不影響承載能力的表面裂紋和深部裂紋。該方法操作簡單，通常是先對明顯裂縫進行水泥泥漿填補處理，再通過環(huán)氧樹脂涂膜表面并進行適當(dāng)?shù)姆浪幚恚苑乐褂晁仍俅吻秩朐斐苫炷猎俅伍_裂或鋼筋腐蝕。

（2）內(nèi)部修補法

內(nèi)部修補法適用于影響結(jié)構(gòu)完整性或有防水、防滲漏要求的裂縫的修補。該方法是使用水泥等材料通過壓力泵將黏結(jié)劑壓入裂縫中，致使膠結(jié)物與裂縫兩邊混凝土凝結(jié)，從而填補裂縫。

（3）結(jié)構(gòu)加固法

結(jié)構(gòu)加固方法的加固處理對結(jié)構(gòu)承載能力、橫切面裂縫的完整性有較大的影響。一般采用預(yù)應(yīng)力法，即設(shè)置預(yù)應(yīng)力桿，使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，增加結(jié)構(gòu)承載力。

（4）仿生自愈法

該方法是通過對已發(fā)生的裂縫加入特殊成分（如含有黏結(jié)劑液體芯纖維或膠囊），可在混凝土中形成的智能仿生自愈系統(tǒng)，自動生成液體芯纖維，使得裂縫再次愈合。圖2為該市9座橋梁裂縫處理圖片。

圖2 裂縫修補圖片

3.5 橋梁預(yù)應(yīng)力消失防治措施

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力消失問題除了因設(shè)計原因之外，還包括施工及材料選取等多種因素有關(guān)，因此在此類問題的防治上，除了加強對該結(jié)構(gòu)橋梁的預(yù)應(yīng)力設(shè)計之外，施工時也應(yīng)嚴格按照設(shè)計規(guī)范進行施工，此外，為降低由于摩擦損失、肌腱回縮和錨具變形丟失、溫度變化損失、混凝土的收縮和蠕變損失、松弛損失而導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力消失問題，在材料選取上，宜選擇摩阻力高，性能更高的材料。

4 結(jié)語

針對目前大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁常見病害問題，本文通過對山東省某市9座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害進行統(tǒng)計，分析了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁病害原因，并對相關(guān)病害提出了針對性的處置措施，旨在為橋梁的安全運營提供了可靠保障。