高寒地區(qū)在役混凝土橋梁檢測及養(yǎng)護常見問題研究

張小龍

（內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司烏海分公司，內(nèi)蒙古烏海 016000）

1 引言

我國地形地勢復(fù)雜多變，北方地區(qū)屬于高緯度、高海拔地區(qū)，冬天極其寒冷，溫度最低可達(dá)-58℃。因此，我國北方地區(qū)的橋梁現(xiàn)場檢測及養(yǎng)護將面臨諸多問題。比如，低溫超過了儀器正常工作的最低溫度，無法正常工作；混凝土冬季養(yǎng)護困難，混凝土結(jié)構(gòu)空腔內(nèi)部結(jié)冰、凍融凍脹現(xiàn)象頻發(fā)等。JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》也明確指出：荷載試驗應(yīng)在氣溫平穩(wěn)時段進行，氣溫低于5℃或高于35℃時不宜進行荷載試驗等?；诖祟悊栴}，本文就高寒地區(qū)在役混凝土橋梁日常檢測和養(yǎng)護中易出現(xiàn)的病害現(xiàn)象及成因進行分析，并提出該類特殊地區(qū)橋梁無損檢測及靜載試驗時應(yīng)注意的事項，為類似地區(qū)橋梁的日常檢測、養(yǎng)護提供借鑒，以保證在設(shè)計壽命期限內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性[1]。

2 重點病害檢查及養(yǎng)護措施

高寒地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)受溫差影響，表面極易產(chǎn)生裂縫，還面臨混凝土碳化、氯離子和硫酸鹽侵蝕等諸多問題，本文就檢查中發(fā)現(xiàn)的典型病害——剪切裂縫和“冰”效應(yīng)做出分析。

2.1 剪切裂縫

目前，普通鋼筋混凝土橋梁混凝土表面存在的結(jié)構(gòu)裂縫病害主要有：（1）正彎矩裂縫；（2）負(fù)彎矩裂縫；（3）剪切裂縫。大多數(shù)檢查對于裂縫的認(rèn)識以正彎矩裂縫為主，但在北方寒冷地區(qū)不難發(fā)現(xiàn)，空心板梁端部常出現(xiàn)斜向裂縫，其形狀呈“內(nèi)八字”形。根據(jù)受力狀態(tài)來說，在梁端附近位置，結(jié)構(gòu)處于剪彎段，因此，設(shè)計時必須充分考慮力學(xué)特性，然后進行混凝土強度選擇和鋼筋配置。與此同時，不難發(fā)現(xiàn)溫差變化范圍較小的其他地域，出現(xiàn)該類病害的概率較小，這表明設(shè)計材料不是該類病害的關(guān)鍵因素。

從基本理論分析，若某個部位出現(xiàn)裂縫，必定存在應(yīng)力超限，那么超載無疑是引起裂縫的直接原因之一?，F(xiàn)如今，大量重型車通過橋梁，而在役橋梁往往因為年代久遠(yuǎn)，其荷載等級無法滿足重車要求，加上橋梁管養(yǎng)仍存在標(biāo)志標(biāo)線不完善的情況，所以，橋梁在過荷情況下就會很快出現(xiàn)斜裂縫[2]。

假使橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范，符合荷載等級要求，且保證無超載車輛通行條件下，影響斜截面抗剪承載力的因素中：剪跨比、縱向鋼筋配筋率、配箍率和箍筋強度將保持一致，混凝土抗壓強度則成為產(chǎn)生斜裂縫的可疑指標(biāo)。這里不是指混凝土強度本身選擇有問題，而是考慮到寒冷溫度混凝土材料性能被削弱，其強度無法達(dá)到預(yù)期強度。除此之外，在役橋梁的混凝土處于反復(fù)凍融過程，混凝土表面結(jié)構(gòu)變得疏松，其強度受到影響，導(dǎo)致剪彎段的抗剪承載能力大大降低，加快了斜向剪切裂縫的發(fā)展速度。例如，我國北方某橋梁共有5片空心板梁（占主梁總數(shù)的20.8%，全橋共24片空心板梁）梁底端部存在斜向裂縫，局部混凝土碎裂，部分裂縫伴有結(jié)晶體析出，最大裂縫寬度為0.56 mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定的裂縫寬度限值0.30 mm，這些裂縫是在荷載作用下產(chǎn)生的梁端剪切裂縫，墩臺位置長期滲水，梁端混凝土長期處于潮濕環(huán)境中，導(dǎo)致梁端部分裂縫有白色結(jié)晶體析出，且混凝土凍脹導(dǎo)致進一步碎裂。

2.2 “冰”效應(yīng)

高寒地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)還面臨一個突出問題就是“冰”效應(yīng)。在低溫環(huán)境下，水在混凝土毛細(xì)孔中結(jié)冰后致使彈性模量、抗壓強度等力學(xué)性能嚴(yán)重下降。最具代表性的病害就是空腔內(nèi)部積水未處理，冬季引起主梁凍脹開裂，嚴(yán)重時整個空心板梁底面會形成縱向碎裂帶，直接危害橋梁運營安全。這主要是由于空腔內(nèi)部大量積水未及時排出，遇冷后結(jié)冰，體積迅速膨脹，其周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)容許拉應(yīng)力時即會產(chǎn)生開裂[3]。

2.3 養(yǎng)護措施

針對上述病害在寒冷地域必須高度重視，在日常養(yǎng)護時可從以下幾個方面進行[4]：（1）在兩端橋頭嚴(yán)格設(shè)置限載標(biāo)志，禁止超載車輛通行，并加強動態(tài)監(jiān)控；（2）如遇混凝土表面疏松，及時清理后，采用環(huán)氧砂漿并摻入外加劑進行補強；（3）冬季來臨前期統(tǒng)一排查，有針對性地在梁端較低處鉆孔放水。

3 無損檢測時注意事項

橋梁主體結(jié)構(gòu)的檢測，簡而言之主要是混凝土和鋼筋兩種材料參數(shù)的檢測，鋼筋在混凝土內(nèi)部受到保護，裸露在外部的混凝土是檢測時的主要內(nèi)容。負(fù)溫環(huán)境條件下橋梁結(jié)構(gòu)混凝土主要面臨的耐久性問題可大致歸納為：（1）反復(fù)凍融條件下構(gòu)件抗壓強度降低；（2）混凝土材料碳化程度加重；（3）外界氯鹽、硫酸鹽等侵蝕。因此，現(xiàn)場橋梁檢測中也應(yīng)重點關(guān)注該類指標(biāo)，保證材料在正常性能條件下工作。

3.1 回彈法測強度

依據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定：回彈儀使用時的環(huán)境溫度為-4~40℃；測區(qū)表面不應(yīng)有疏松層、浮漿、油垢、涂層以及蜂窩麻面；潮濕或浸水混凝土不得直接采用“統(tǒng)一測強曲線”。寒冷地域在進行混凝土強度測定時，儀器工作溫度及常態(tài)化的數(shù)據(jù)采集方式將受到限制，這時可考慮采用如下辦法解決：（1）結(jié)合地區(qū)測強曲線或者專用測強曲線進行修正；（2）必要時采用超聲回彈綜合法、取芯法等。

3.2 混凝土碳化

碳化也是評判混凝土強度的重要指標(biāo)。主要是二氧化碳與混凝土中堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的一個漫長過程，碳化將使混凝土脆性變大，降低了混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，致使鋼筋失去混凝土的保護作用，大大加快了鋼筋銹蝕速率。在北方冬季橋梁結(jié)構(gòu)受雨雪影響，表面混凝土內(nèi)部水分子集聚，在表面形成冰晶體，引起碳化測試結(jié)果偏差。因此，建議現(xiàn)場測試時避開梁體底面滲水泛白區(qū)域，并清理干凈表面浮塵后方可進行碳化深度測試；分析數(shù)據(jù)時嘗試以二氧化碳的濃度換算混凝土碳化深度和碳化時間，通?；炷撂蓟俾蕰S著深度和時間的增加逐漸減緩。

3.3 氯離子侵蝕

當(dāng)冬季橋梁橋面系存在積雪時，常見的方式是直接撒鹽除冰，除冰鹽與消融的雪水易滲入橋梁結(jié)構(gòu)，使得混凝土構(gòu)件遭受氯離子腐蝕。而氯離子正是引起和加速鋼筋銹蝕的重要因素，同時若鈉離子等堿性物質(zhì)侵入，在集料具有活性時還可能發(fā)生堿集料反應(yīng)。在平時的檢測工作中應(yīng)重視氯離子含量測定，并判定其原因是混凝土固有存在的，還是結(jié)構(gòu)使用過程中外界浸入造成。長時間暴露在酸性環(huán)境地區(qū)的橋梁，檢測和養(yǎng)護時應(yīng)在混凝土表面涂刷防水層阻礙雨雪侵蝕，減緩氯離子對鋼筋的銹蝕程度。

4 靜載試驗測試分析

靜載試驗是最直觀評判橋梁結(jié)構(gòu)承載力的方法，其試驗結(jié)果受多種因素制約。根據(jù)JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》，荷載試驗應(yīng)在氣溫平穩(wěn)的時段進行，氣溫低于5℃時，不宜進行試驗。為保證特殊溫度條件下荷載試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，必須明確不同溫度下參數(shù)的影響因子及變化特性，以克服寒冷或高溫帶來的影響[5]。

4.1 溫度對橋梁應(yīng)變測試結(jié)果的影響分析

由于橋梁現(xiàn)場測試氣候環(huán)境多變，梁體隨著溫度變化而發(fā)生一定規(guī)律的伸縮變形，那么對結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試結(jié)果也會帶來相應(yīng)的誤差。其主要是兩個方面：（1）對應(yīng)變測試儀器、應(yīng)變計（應(yīng)變片、應(yīng)變傳感器）的影響，使應(yīng)變測試結(jié)果產(chǎn)生誤差；（2）溫度變化使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度效應(yīng)，混淆了對荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)變的測試。

針對前者可考慮采用性能等級高的儀器以減小溫度變化的影響，同時若為電阻式應(yīng)變測試時，通過溫度補償技術(shù)予以消除；若為振弦式應(yīng)變傳感器，需要在不同溫度下對傳感器標(biāo)定，得到相應(yīng)的頻率與應(yīng)變間的標(biāo)定曲線來減小或者消除溫度影響[6]。為克服后者帶來的溫度應(yīng)變，首先應(yīng)選擇溫差小或溫度穩(wěn)定時段進行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集；若試驗時間受限且溫度條件不可控制時，則需要前期在橋梁結(jié)構(gòu)上提前測試溫度與應(yīng)變變化關(guān)系曲線，在結(jié)構(gòu)正式試驗應(yīng)變測試數(shù)據(jù)中將溫度應(yīng)變剔除即可。

4.2 溫度對橋梁豎向位移測試結(jié)果影響分析

溫度對橋梁豎向位移測試結(jié)果的影響主要通過影響對超靜定結(jié)構(gòu)體現(xiàn)。長期現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料表明，豎向位移誤差值與環(huán)境溫差值成正相關(guān)性，且不同截面誤差值受溫差變化影響幅值差異較大，以連續(xù)梁邊跨最大正彎矩處誤差最為顯著，中跨正彎矩斷面次之。目前，現(xiàn)場試驗階段溫度對豎向位移的影響研究尚未形成可靠的理論體系，本文建議通過在保證溫度穩(wěn)定時段進行測試的同時，結(jié)合多種有限元軟件建立計算模型考慮溫度對豎向位移的影響普遍規(guī)律，對現(xiàn)場實測豎向位移增加修正系數(shù)做出調(diào)整[7]。

5 結(jié)論

本文從病害成因、無損檢測及靜載試驗方面對在役混凝土橋梁的現(xiàn)狀進行了探討，一定程度上明確了高寒地區(qū)橋梁檢測及養(yǎng)護的重點，應(yīng)結(jié)合以下幾點對癥下藥，保證橋梁承載能力不被削弱[8]。

1）高寒地域橋梁面臨的剪切裂縫和“冰”效應(yīng)病害問題應(yīng)高度重視，會引起混凝土材料力學(xué)性能指標(biāo)降低而加劇病害的發(fā)展程度。

2）無損檢測時應(yīng)保證橋梁結(jié)構(gòu)表面狀況符合規(guī)定，同時應(yīng)考慮低溫環(huán)境因素對指標(biāo)參數(shù)作出修正，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

3）溫度效應(yīng)對橋梁應(yīng)變和撓度測試結(jié)果有一定影響，現(xiàn)場實測時應(yīng)充分考慮環(huán)境條件，結(jié)合本文提出的建議，采取有效措施減小誤差。