沿江橋墩柱腐蝕病害處治方法研究

孫滬，牛峰，王曉微

（1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司，杭州 310024；2.浙江交投高速公路運(yùn)營管理有限公司，杭州 310024）

1 引言

鋼筋混凝土橋墩腐蝕受多因素影響，如混凝土碳化、凍融破壞、鋼筋銹蝕等，其中鋼筋銹蝕又由有害離子等通過混凝土裂縫滲入。鋼筋混凝土橋墩腐蝕災(zāi)害處治需對墩柱周遭環(huán)境進(jìn)行考量，并因地制宜提出災(zāi)害處治方法關(guān)鍵技術(shù)。

黃可[1]針對鋼筋混凝土損傷，提出一種鋼筋混凝土損傷的預(yù)測技術(shù)，并利用仿真技術(shù)對其進(jìn)行了證實(shí)；賈純斌[2]對鋼筋在公路橋梁施工中的腐蝕因素和處理措施進(jìn)行了討論；李承昌[3]等人對國內(nèi)外的混凝土橋梁腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)；梁衛(wèi)軍[4]依托海燕大橋養(yǎng)護(hù)工程，對鋼筋腐蝕的檢測方法及加固技術(shù)措施進(jìn)行了探討。

依托某實(shí)際運(yùn)營沿江橋梁工程，在對其巡檢查中發(fā)現(xiàn)39#墩柱4 根立柱出現(xiàn)多條密集豎向裂縫、鋼筋銹脹和混凝土剝落病害。對墩柱病害進(jìn)行成因分析后，結(jié)合有限元軟件對橋梁墩柱加固前后進(jìn)行承載能力比較，研究得到橋梁墩柱加固處治方案。

2 項(xiàng)目背景

2.1 橋梁概況

某實(shí)際運(yùn)營沿江橋梁，中心樁號K101+439.7，左幅橋梁全長4816.5 m，跨徑組合：4×30 m+7×（5×30 m）+13×（6×30 m）+5×30 m+6×30 m+6×（4×35 m）+3×35 m+25 m；右幅橋梁全長4 796.5 m，跨徑組合：4×30 m+7×（5×30 m）+13×（6×30m）+4×30 m+6×30 m+7×4×35 m，左右幅均為30 聯(lián)。橋面全寬24m，橋面凈寬21.5 m，荷載等級為汽-超20，掛-120。

上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力小箱梁，支座采用板式橡膠支座。下部結(jié)構(gòu)：左幅156#臺、右幅155#臺采用肋式臺，鉆孔樁基礎(chǔ)；0#臺采用樁柱式臺，鉆孔樁基礎(chǔ)。墩臺采用C30混凝土（右幅152#墩及左幅154#墩采用C50 混凝土）。

2.2 橋梁病害情況

在對此橋日常巡檢查中發(fā)現(xiàn)39#墩4 根立柱出現(xiàn)多條密集豎向裂縫，并伴有鋼筋銹脹、混凝土剝落等病害，見圖1。隨即對其進(jìn)行應(yīng)急檢查，并及時(shí)對墩柱裂縫進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

圖1 39#墩柱立柱裂縫病害原狀照片

對橋墩柱外觀進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，其左幅39-1#、右幅39-2#立柱共計(jì)29 條豎向裂縫，1 條橫向裂縫，裂縫最長350 cm，最寬2.10 mm，裂縫所在區(qū)域敲擊存在空鼓且內(nèi)部鋼筋銹蝕嚴(yán)重，空鼓面積為15.1 m2。

對混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行無損檢查，選取5 個(gè)測區(qū)，其中裂縫區(qū)域外1 處：保護(hù)層厚度影響不顯著。裂縫區(qū)域內(nèi)4 處：2處鋼筋易失去堿性保護(hù)，發(fā)生銹蝕；1 處有影響；1 處有較大影響。對混凝土碳化情況進(jìn)行檢查，選取5 個(gè)測區(qū)（裂縫區(qū)域內(nèi)外均有）：混凝土碳化影響程度輕微。對橋墩柱進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢查，選取3 個(gè)測區(qū)，其中裂縫區(qū)域外1 處：狀況良好。裂縫區(qū)域內(nèi)2 處，判斷橋墩柱狀況危險(xiǎn)。

由于土體酸堿度對混凝土橋墩柱的腐蝕影響較大，故對其進(jìn)行酸堿度的測試。初取3 個(gè)測區(qū)（右幅39-2#立柱周邊土體）：pH1=7；pH2=7；pH3≈6。進(jìn)一步委托專業(yè)單位對土樣3 送檢分析：pH1=6.4；pH2=6.85，土樣3 不屬于腐蝕性危險(xiǎn)廢物。

3 橋梁病害成因分析

為探究墩柱的腐蝕原因，對其周邊進(jìn)行了走訪、對其周遭土體進(jìn)行送檢，并考察了實(shí)地的情況，可得到以下原因。

1）墩柱附近早期曾設(shè)有私家簡易化工廠，將廢渣廢土傾倒至此。目前，根據(jù)墩柱現(xiàn)狀仍可見當(dāng)初土體掩埋痕跡線，判斷墩柱受腐蝕土體影響較大。

2）橋梁墩柱被傾倒的腐蝕土體裹覆后，由于土體未經(jīng)壓實(shí)，呈自然松散狀態(tài)，加之不定期的雨水使得土體干濕交替，酸性物質(zhì)的入侵使鋼筋的鈍化膜失去保護(hù)作用發(fā)生銹蝕。

3）墩柱附近堆土隨著時(shí)間增加，經(jīng)常年雨水稀釋酸性逐漸減弱；坡腳經(jīng)甌江水位升降變化，不斷沖刷，堆土逐漸降低，墩柱逐漸外露。受上游水庫水位調(diào)控影響，橋梁墩柱病害位置處在干濕交替區(qū)域，更加提高了鋼筋混凝土墩柱銹蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

故綜上所述，本次墩柱同時(shí)具備了酸性物質(zhì)（酸性土體+空氣中的二氧化碳）、水（墩柱被裹覆的土體中含有不定期雨水）和氧氣（墩柱被裹覆的土體不密實(shí)，空氣充足）3 個(gè)條件，鋼筋大面積銹脹，混凝土發(fā)生開裂。酸性土體是鋼筋銹脹的直接原因，破壞了鋼筋表面的鈍化膜。

4 橋梁墩柱承載力計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對墩柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，結(jié)合JTG 3362－2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]5.3.1，其正截面抗壓承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中，γ0為橋涵結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，按橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級，一級、二級、三級分別取用1.1、1.0、0.9，橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級應(yīng)符合現(xiàn)行JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定；Nd為軸向力設(shè)計(jì)值；φ 為軸壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；A 為構(gòu)件毛截面面積，當(dāng)縱向鋼筋配筋率大于3%時(shí)，A 應(yīng)改用An=A-A′s；A′s為全部縱向鋼筋的截面面積；fcd為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；f′sd為普通鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

其中，γ0=1.1；Nd=5 413.5 kN；fcd=11.5 MPa；f′sd=330 MPa；A=2.27×106mm2；A′s=14 778 mm2。

由此可知，橋梁墩柱承載能力能滿足規(guī)范抗壓要求，但是不能滿足耐久性要求，應(yīng)對墩柱腐蝕區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

4.2 有限元計(jì)算

結(jié)合橋梁墩柱病害成因分析，本次加固采用鋼護(hù)筒增大截面法處治方案。為對比橋梁墩柱加固處治前后的承載能力，本次采用有限元軟件進(jìn)行模擬分析。

4.2.1 模型建立

橋梁墩柱模型使用有限元軟件對其受力情況進(jìn)行模擬，其中邊梁荷載等效為集中荷載2 232 kN，中梁荷載等效為集中荷載2 150 kN，如圖2 所示。

圖2 荷載施加圖

圖3 為有限元模型，墩柱底約束假設(shè)為XYZ 三相約束，蓋梁約束為側(cè)向約束。墩柱、蓋梁、鋼護(hù)筒均采用縮減積分單元C3D8r；墩柱與蓋梁、鋼護(hù)筒與墩柱間均采用Tie 約束；墩柱內(nèi)部鋼筋籠采用桁架單元T3D2，以Embedded region 功能嵌入墩柱和蓋梁中。

圖3 單元?jiǎng)澐謭D

由于模擬的是橋梁在運(yùn)營期受力狀況，故蓋梁、墩柱、鋼護(hù)筒、鋼筋籠采用彈性本構(gòu)，輸入?yún)?shù)如表1 所示。

表1 輸入?yún)?shù)

4.2.2 受力分析

圖4 和圖5 為墩柱在有無鋼護(hù)筒下的應(yīng)力分布情況，無鋼護(hù)筒墩柱應(yīng)力分布為兩邊大中間小，且在離柱底h/4（h為柱高）內(nèi)應(yīng)力較大，且變化幅度較大；而有鋼護(hù)筒墩柱應(yīng)力分布在離柱底7 m 范圍內(nèi)應(yīng)力較小，且較為均衡，這是由于鋼護(hù)筒的約束，使得在這一段高度內(nèi)立柱的應(yīng)變較小，導(dǎo)致其應(yīng)力較小。

圖4 無鋼護(hù)筒墩柱應(yīng)力

圖5 有鋼護(hù)筒墩柱應(yīng)力

綜上所述，橋梁墩柱采用鋼護(hù)筒增大截面法處治可有效增加橋梁墩柱的抗壓承載能力。

5 橋梁墩柱加固處治方案研究

針對墩柱病害情況，結(jié)合病害成因分析以及有限元計(jì)算結(jié)果，研究得到以下橋梁墩柱加固設(shè)計(jì)方案：

（1）對周邊有害土體進(jìn)行及時(shí)清理；（2）對墩柱裂縫區(qū)域混凝土空鼓部位進(jìn)行鑿除，直至堅(jiān)硬面，并對銹蝕的原鋼筋進(jìn)行除銹；（3）對墩柱銹蝕鋼筋采用焊接鋼筋網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；（4）補(bǔ)強(qiáng)鋼筋焊接后，采用鋼護(hù)筒內(nèi)灌高強(qiáng)無收縮微膨脹水泥基灌漿料進(jìn)行增大截面法處治加固；（5）為防止鋼護(hù)筒銹蝕，鋼護(hù)筒外表面采用環(huán)氧富鋅底漆+氟碳面漆進(jìn)行鋼護(hù)筒防腐處治。圖6 為39#墩柱加固示意圖。

圖6 39#墩柱加固示意圖（單位：cm）

6 結(jié)論及建議

本文依托某實(shí)際運(yùn)營沿江橋梁工程，在對其巡檢查中發(fā)現(xiàn)多根墩柱出現(xiàn)裂縫。對墩柱裂縫進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件對其承載能力進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論及建議。

1）利用有限元分析軟件，對墩柱處治前后的應(yīng)力分布情況以及結(jié)構(gòu)單元畸變情況進(jìn)行分析，得到墩柱采用鋼護(hù)筒增大截面法加固可有效提高橋墩抗壓承載能力。

2）為提高橋梁墩柱抗壓承載能力和墩柱耐久性，提出了對腐蝕橋梁墩柱采用“補(bǔ)強(qiáng)鋼筋+鋼護(hù)筒”的增大截面法加固處治方案。

3）建議對于運(yùn)營橋梁應(yīng)加強(qiáng)橋墩附近的堆土巡查，尤其應(yīng)關(guān)注橋墩附近腐蝕土體對鋼筋混凝土墩柱的不利影響。