嚴(yán)寒地區(qū)橋梁病害問(wèn)題及養(yǎng)護(hù)策略研究

祝 龍

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽(yáng)市 110003)

0 引言

公路上行車密度及車輛載重隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展急劇增大。由此許多橋梁病害問(wèn)題逐漸突顯出來(lái)，橋梁耐久性問(wèn)題更加受到重視[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得，寒冷氣候下的凍害和侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用都是嚴(yán)寒地區(qū)橋梁病害的重要影響因素。嚴(yán)寒地區(qū)，橋梁工程冬季使用除冰鹽，凍融、化冰導(dǎo)致的冷沖擊和氯離子的滲透，加快了鋼筋混凝土橋梁劣化的速度，使得新建橋梁幾年內(nèi)就需維修，大大縮短了橋梁的使用壽命。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)役橋梁的病害問(wèn)題、采用合理的養(yǎng)護(hù)策略成為提高公路橋梁耐久性的重要途徑之一。

目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者和技術(shù)人員圍繞如何提升公路橋梁耐久性進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)橋梁常見(jiàn)的病害問(wèn)題并提出了許多切實(shí)可行的橋梁養(yǎng)護(hù)策略。衡旭丹[2]針對(duì)在役橋梁既有病害持續(xù)擴(kuò)展，影響混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題，提出不中斷交通情況下應(yīng)用外部粘鋼加固技術(shù)。結(jié)果表明，該技術(shù)可有效避免既有裂縫持續(xù)擴(kuò)展，使鋼板和既有橋梁結(jié)構(gòu)形成共同受力體系，使橋梁結(jié)構(gòu)承載力在短期內(nèi)快速恢復(fù)，提升被加固構(gòu)件剛度及抗裂性能。白山云等[3]主張對(duì)在役橋梁進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，在橋梁未出現(xiàn)明顯病害前采取相關(guān)養(yǎng)護(hù)措施來(lái)推遲病害的發(fā)展，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。王迎軍等[4]對(duì)目前我國(guó)橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)所存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)歸納并深入分析確定了橋梁在實(shí)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，部分具體的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)內(nèi)容和養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。

盡管，對(duì)于普通橋梁常見(jiàn)的病害問(wèn)題及其成因和一些相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)策略已經(jīng)有了較為豐富的研究資料，但對(duì)在役橋梁可靠性評(píng)估方面研究較為片面，對(duì)在役橋梁的安全性、適用性、耐久性方面的研究較少，與發(fā)達(dá)國(guó)家評(píng)估體系相比仍有一定差距，嚴(yán)重制約了我國(guó)橋梁基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展[5]。特別是針對(duì)于橋址處于嚴(yán)寒地區(qū)等特殊橋梁病害問(wèn)題和防治方法的研究相對(duì)較少，這對(duì)該類橋梁的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)決策制定等均造成一定的困難，影響橋梁的耐久性和工程項(xiàng)目的可持續(xù)性[6]。因此，以遼寧省某高速公路實(shí)際橋梁工程為研究對(duì)象，通過(guò)外觀缺損狀況檢查、材質(zhì)狀況來(lái)分析探究嚴(yán)寒地區(qū)橋梁的常見(jiàn)病害問(wèn)題，提出切實(shí)可行的橋梁養(yǎng)護(hù)決策。

1 遼寧省現(xiàn)役橋梁養(yǎng)護(hù)評(píng)估與病害統(tǒng)計(jì)分析

以我國(guó)遼寧省某高速公路橋梁為研究對(duì)象，橋梁均處于嚴(yán)寒氣候地區(qū)，全年氣溫的最低值可達(dá)-34.4℃，溫差變化大，因此可通過(guò)對(duì)該高速公路的檢測(cè)結(jié)果分析了解橋梁處于嚴(yán)寒地區(qū)時(shí)的技術(shù)狀況變化，為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供一定的理論技術(shù)依據(jù)。

2021年遼寧省某高速公路定期檢測(cè)橋梁主線橋共計(jì)235座15722.32m。本次定期檢測(cè)結(jié)果顯示：二類橋梁共計(jì)214座，占總數(shù)91.06%，三類橋梁共計(jì)21座，占總數(shù)8.94%。2021年匝道橋及外連接線檢測(cè)13座646.597m，二類橋梁共計(jì)12座，占總數(shù)92.23%，三類橋梁1座，占總數(shù)7.77%。

2 遼寧省現(xiàn)役橋梁病害總結(jié)與對(duì)策研究

通過(guò)對(duì)該段高速公路的橋梁進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)空心板板底縱向裂縫超限或含縱向裂縫的板較多，存在預(yù)應(yīng)力混凝土T梁縱向裂縫、支座脫空或老化或銹蝕病害、橋面鋪裝破損、墩臺(tái)頂縱向裂縫等病害。與其他地區(qū)橋梁相比，處于嚴(yán)寒地區(qū)的橋梁病害發(fā)展更為嚴(yán)重。下面選取了檢測(cè)過(guò)程中的重點(diǎn)病害，并分析了病害的發(fā)生原因。

2.1 混凝土開(kāi)裂病害

通過(guò)對(duì)248座橋梁的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中90%以上橋梁的梁底存在縱向裂縫，其中縱向裂縫超限的橋梁共16座，占比6.5%；存在墩臺(tái)頂縱向裂縫的橋梁有6座，占比2.4%。如圖1所示為該段橋梁混凝土開(kāi)裂病害情況。

遼寧省地處嚴(yán)寒地區(qū)，一年四季最大氣溫差可達(dá)60℃，該區(qū)橋梁所處的自然環(huán)境更為惡劣?；炷翆?duì)溫度變化更為敏感，熱脹冷縮性質(zhì)明顯。曹國(guó)輝等[7]通過(guò)對(duì)混凝土體內(nèi)、外收縮應(yīng)變測(cè)試，得到混凝土試件體內(nèi)、外收縮應(yīng)變擬合曲線，如圖2所示。

圖2 混凝土試件體內(nèi)、外收縮應(yīng)變擬合曲線

由圖2可知，隨時(shí)間的增加，混凝土體內(nèi)、外收縮應(yīng)變的增長(zhǎng)速率均減小，對(duì)收縮應(yīng)變值而言，體內(nèi)收縮應(yīng)變更小。故當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由混凝土中心向外的不同部位產(chǎn)生拉應(yīng)力不同，當(dāng)外部混凝土拉應(yīng)力超過(guò)其極限拉應(yīng)力后就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的橋梁來(lái)說(shuō)，這種由于環(huán)境溫度大幅變化造成的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象是不容忽視的。偶遇大雪，為恢復(fù)交通，采用除冰鹽除冰化雪，從而形成氯鹽環(huán)境，高濃度氯離子不但使混凝土表面粉化掉皮，而且氯離子沿溫度裂縫侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會(huì)加快混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫發(fā)展，對(duì)橋梁造成銹蝕和凍融破壞，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成不可逆的傷害，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2 支座病害

普通板式橡膠支座作為我國(guó)公路鋼筋混凝土梁橋體系中的重要支承構(gòu)件，其老化力學(xué)性能可影響局部甚至整體結(jié)構(gòu)的剛度和受力均勻性及服役橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。通過(guò)對(duì)248座橋梁的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，全部橋梁的支座均存在不同程度的老化，其中支座病害嚴(yán)重的橋梁共10座，占比4.0%。支座主要病害類型如圖3所示。

圖3 支座病害

在橋梁施工過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)榱憾藟|石強(qiáng)度過(guò)低、標(biāo)高不準(zhǔn)確或不平導(dǎo)致支座上部脫空；橋體建成后，支座橡膠材料受嚴(yán)寒地區(qū)大幅降溫影響收縮，使支座發(fā)生脫空現(xiàn)象，削弱對(duì)梁體的支撐作用；再者冬季使用含有氯離子的除雪劑人為創(chuàng)造了含氯離子的環(huán)境，會(huì)加快鋼板的銹蝕，影響其剛度。發(fā)生病害的支座改變上部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，威脅橋梁結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定和耐久性能。

2.3 橋面鋪裝破損

在對(duì)該段橋梁橋面系進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)：鋪裝局部變形、破損，伸縮縫處堵塞、失效，占比較大。圖4(a)、圖4(b)所示為鋪裝層變形、破損病害，圖4(c)、圖4(d)為伸縮縫堵塞、失效病害情況。

圖4 橋面鋪裝破損

在橋梁服役過(guò)程中，橋面直接暴露于自然環(huán)境中，直接與雨水、積雪等相接觸，加之人或機(jī)動(dòng)車輛等荷載直接作用，也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生摩擦作用造成一定的損傷。又考慮到嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混凝土的溫縮作用，梁間縱向松動(dòng)引起的反射裂縫，車輛渠化交通的反復(fù)作用會(huì)使橋面鋪裝產(chǎn)生順橋向的裂縫；墩頂橋面連續(xù)鋪裝處的反射裂縫會(huì)影響瀝青表面的平整度，而交通的反復(fù)作用會(huì)使橋面產(chǎn)生橫向裂縫。加之嚴(yán)寒地區(qū)冬季將大量使用含有氯離子的除雪劑而造成橋面鋪裝的進(jìn)一步腐蝕。因此，相對(duì)于普通橋梁而言，橋址處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)橋梁的橋面將更容易發(fā)生鋪裝層病害。

3 橋梁養(yǎng)護(hù)策略

根據(jù)以上分析，作者綜合考慮嚴(yán)寒地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)與橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)，提出針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)橋梁的病害預(yù)防和養(yǎng)護(hù)策略，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和耐久性，減少橋梁事故的發(fā)生。

(1)盡可能應(yīng)用高性能混凝土：由于嚴(yán)寒地區(qū)溫差大，存在季節(jié)性氯離子含量高的問(wèn)題，故提高混凝土本身材料性質(zhì)可作為解決嚴(yán)寒地區(qū)橋梁病害問(wèn)題的方法。因此在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)橋址地的氣候環(huán)境做好調(diào)查，然后根據(jù)確定的主要侵蝕因素來(lái)選擇混凝土的水膠比和摻合料的摻量及比例，提高混凝土的抗凍性和抗氯離子滲透性能。

(2)為了節(jié)省成本，需要根據(jù)橋梁各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)功能，對(duì)橋梁不同部位進(jìn)行混凝土專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并及時(shí)關(guān)注混凝土電通量和含氣量等參數(shù)。在施工階段應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行混凝土的澆注和養(yǎng)護(hù)工作，并及時(shí)對(duì)完成段進(jìn)行相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)停工整改。

(3)及時(shí)對(duì)現(xiàn)有混凝土病害進(jìn)行處理：對(duì)寬度較大的混凝土開(kāi)裂縫隙進(jìn)行注膠封閉，對(duì)寬度較小的開(kāi)裂可采用涂膠封閉的措施，切忌使混凝土裂縫直接暴露于大氣環(huán)境中。對(duì)存在表面混凝土缺陷(蜂窩麻面、剝落、掉角等)的梁體，去除表面松散的混凝土后，清洗混凝土表面，再利用聚合物混凝土對(duì)病害部位及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。如破損部位存在銹蝕鋼筋，在鑿除老化混凝土后，及時(shí)進(jìn)行人工除銹。

(4)保證橋面排水順暢：由于橋梁所在地區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)，冬季積雪嚴(yán)重，所以應(yīng)對(duì)橋面系的排水進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)橋址所處環(huán)境對(duì)橋面傾角和泄水管道等進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，如有發(fā)現(xiàn)排水設(shè)施損壞應(yīng)當(dāng)及時(shí)補(bǔ)修。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行檢測(cè)并分析討論了嚴(yán)寒地區(qū)橋梁的主要病害及成因，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)有的橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)提出了較為合理的適應(yīng)該類橋梁的養(yǎng)護(hù)策略，具體結(jié)論如下：

(1)嚴(yán)寒地區(qū)橋梁的常見(jiàn)病害主要有：混凝土開(kāi)裂、支座銹蝕脫空老化和橋面鋪裝病害等。

(2)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)橋梁病害整理歸納，綜合橋梁現(xiàn)狀和現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析成因，發(fā)現(xiàn)較普通橋梁而言，其產(chǎn)生病害的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，故只有認(rèn)真分析出重點(diǎn)成因，才能抓住重點(diǎn)，采取應(yīng)對(duì)措施，減少病害的進(jìn)一步惡化或產(chǎn)生。

(3)嚴(yán)寒地區(qū)橋梁的養(yǎng)護(hù)策略應(yīng)該根據(jù)橋址所處氣候環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整，依據(jù)橋梁的使用性能對(duì)橋梁進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，防止橋梁出現(xiàn)大的問(wèn)題。定期對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)病害早發(fā)現(xiàn)、早處理，并選擇合適的方案進(jìn)行維修，確保施工質(zhì)量。建議對(duì)于橋梁養(yǎng)護(hù)應(yīng)以預(yù)防為主、防治結(jié)合的原則進(jìn)行。