道路橋梁的常見結(jié)構(gòu)病害及加固技術(shù)研究

曾建

（關(guān)嶺自治縣公路事業(yè)發(fā)展中心，貴州安順 561300）

0 引言

結(jié)構(gòu)病害屬于常見的道路橋梁問題，施工過程中出現(xiàn)這類問題會(huì)降低施工質(zhì)量和效率。同時(shí)，由于道路橋梁是城市交通體系中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，使用過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害，會(huì)影響群眾正常出行，嚴(yán)重情況下還會(huì)引發(fā)安全事故。為此，施工單位需要做好對道路橋梁常見結(jié)構(gòu)病害的分析處理，同時(shí)應(yīng)采取必要的加固技術(shù)有效處理結(jié)構(gòu)病害，最大限度地避免道路橋梁受到結(jié)構(gòu)病害的影響。

1 道路橋梁的常見結(jié)構(gòu)病害

1.1 蓋梁開裂

蓋梁為橋墩和支座之間的結(jié)構(gòu)，主要作用為將支座的豎向荷載傳遞給橋墩，從而起到保持道路橋梁結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定，支撐和傳遞豎向荷載的作用。蓋梁開裂的表現(xiàn)形式包括如下兩種。

第一，蓋梁豎向裂縫。常見于墩臺(tái)對應(yīng)位置處，原因主要為墩臺(tái)不均勻沉降，使得墩臺(tái)一端出現(xiàn)下降，令蓋梁不能保持水平狀態(tài)承受荷載，裂縫形式如圖1 所示。

圖1 蓋梁豎向裂縫示意圖

第二，蓋梁支座豎向裂縫。常見于支座下端位置處，原因主要為蓋梁長時(shí)間承受道路橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載，加之車輛荷載日漸增多，蓋梁實(shí)際承載荷載超過設(shè)計(jì)承載范圍[1]。

1.2 墩臺(tái)開裂

墩臺(tái)為道路橋梁的主要支撐結(jié)構(gòu)，多為混凝土結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)開裂這一結(jié)構(gòu)病害的概率較高，且在道路橋梁上部結(jié)構(gòu)荷載的影響下，開裂范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，開裂的表現(xiàn)形式也相對較多，具體如下。

第一，豎向裂縫。原因主要為混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)力度不足或不及時(shí)，使得墩臺(tái)承載超過其承載范圍的豎向荷載。

第二，橫向裂縫。原因主要為混凝土多次澆筑時(shí)沒有處理好接縫位置，或者是墩臺(tái)長期承載水平外荷載[2]。

第三，斜向裂縫。原因主要為混凝土結(jié)構(gòu)局部剪切應(yīng)力較大，裂縫形式如圖2 所示。

圖2 墩臺(tái)斜向裂縫示意圖

第四，網(wǎng)狀裂縫。原因主要為混凝土內(nèi)部水化熱反應(yīng)，或者外界溫度變化，令混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

第五，橋梁墩帽順橋軸線橫貫墩帽裂縫。常見于支座與橋墩連接位置處，原因主要為混凝土結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較大，使得支座剪切變形水平低于道路橋梁上部結(jié)構(gòu)水平位移設(shè)計(jì)值。

1.3 墩柱位移偏位

墩柱同樣為道路橋梁的主要支撐結(jié)構(gòu)，需承載行走人群荷載、行駛車輛荷載、道路橋梁結(jié)構(gòu)自重等多項(xiàng)豎向荷載。如果出現(xiàn)了墩柱位移偏位問題，道路橋梁上部結(jié)構(gòu)向墩柱傳遞的豎向荷載便會(huì)轉(zhuǎn)為偏心荷載，但是墩柱是按照承載豎向荷載設(shè)計(jì)的，豎向荷載轉(zhuǎn)為偏心荷載后會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)為彎矩、承受軸力，從而增加墩柱荷載負(fù)擔(dān)。如果墩柱長期承受超過其承載范圍的荷載，位移偏位問題會(huì)進(jìn)一步加劇，會(huì)對道路橋梁工程的承載能力和穩(wěn)定程度造成不利影響。例如，圖3 中的1#、2#墩柱便出現(xiàn)了位移偏位問題，其中實(shí)線為墩柱原本位置，虛線為墩柱位移偏位位置。

圖3 墩柱位移偏位示意圖

墩柱位移偏位的原因主要如下：墩柱填土壓力較大，墩柱在側(cè)向作用下發(fā)生位移偏位；墩柱受到行駛車輛、過往船只的撞擊；墩柱受到火山噴發(fā)、地震等自然災(zāi)害的影響；施工單位未掌握好墩柱施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 承載梁端頭局部損壞

承載梁端頭局部損壞表現(xiàn)為承載梁端頭損壞、伸縮縫變形，屬于道路橋梁常見結(jié)構(gòu)病害，出現(xiàn)上述病害，容易增加橋頭跳車問題的出現(xiàn)概率，不但會(huì)導(dǎo)致駕駛安全事故，還會(huì)降低道路橋梁工程的使用壽命[3]。承載梁端頭局部損壞的原因主要如下：第一，道路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，如伸縮縫計(jì)算存在誤差，導(dǎo)致承載梁端頭無法完全承受行駛車輛的荷載，從而出現(xiàn)伸縮設(shè)施失靈問題。第二，施工人員未對承載梁端頭伸縮縫施工質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理施工質(zhì)量問題，導(dǎo)致道路橋梁在運(yùn)行過程中出現(xiàn)損壞問題。第三，缺少對橋梁結(jié)構(gòu)的定期養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致承載梁端頭伸縮設(shè)施出現(xiàn)損壞問題。

2 道路橋梁結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

2.1 碳纖維片粘貼技術(shù)

碳纖維片是一種新型的加固材料，將其粘貼到結(jié)構(gòu)病害位置能夠及實(shí)現(xiàn)針對性加固，將其粘貼到整體道路橋梁結(jié)構(gòu)中能夠提高工程的穩(wěn)定程度，且該加固技術(shù)的成本低廉。碳纖維片粘貼技術(shù)應(yīng)用流程如下：結(jié)合道路橋梁結(jié)構(gòu)病害實(shí)際情況，制定加固方案，確定應(yīng)用碳纖維片的規(guī)格、質(zhì)量、干燥程度，并且做好對加固處理表面的基本清潔工作；通過找平裝置在加固表面均勻涂抹樹脂，隨后按照加固方案粘貼符合要求的碳纖維片，在粘貼過程中需要及時(shí)通過刮刀等工具捻出粘貼位置的氣泡，確保碳纖維片與加固處理表面絕對貼合，從而降低粘貼位置處的空氣含量，達(dá)到最理想的加固效果。

整體來講，碳纖維片粘貼技術(shù)最大的應(yīng)用優(yōu)勢便是能夠極大程度地提高道路橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，研究資料顯示，經(jīng)過碳纖維片粘貼加固處理的道路橋梁工程最多能夠延長50 年的應(yīng)用壽命。但是碳纖維片粘貼技術(shù)的應(yīng)用存在一定的局限性——盡管碳纖維片能夠提高道路橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，但是不能提高道路橋梁工程的建設(shè)質(zhì)量；碳纖維片的質(zhì)地較為輕薄，耐火性能和張力較低，為保護(hù)碳纖維片不受損害，需要涂抹專門的防護(hù)液體。不過碳纖維片粘貼技術(shù)的發(fā)展前景較好，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維片粘貼技術(shù)的這些局限也將逐漸被破解。

2.2 局部修復(fù)鑿補(bǔ)加固技術(shù)

局部修復(fù)鑿補(bǔ)加固技術(shù)主要應(yīng)用于承載梁端頭局部損壞等道路橋梁結(jié)構(gòu)病害的修復(fù)和加固處理，但只適用于解決橋面鋪裝層破碎、脫落問題[4]。局部修復(fù)鑿補(bǔ)加固技術(shù)的應(yīng)用流程如下：選擇與道路橋梁工程相同的水泥類型，預(yù)先配置好混凝土；鑿補(bǔ)處理橋面鋪裝層表面（鑿補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)為露出其中的骨料），之后清理干凈鑿補(bǔ)出來的雜質(zhì)，避免這些雜質(zhì)對后續(xù)加固作業(yè)造成不利影響；將混凝土填補(bǔ)到鑿補(bǔ)出來的位置。局部修復(fù)鑿補(bǔ)加固技術(shù)的優(yōu)勢在于操作簡單、實(shí)用性較強(qiáng)，但該技術(shù)的加固周期較長、應(yīng)用成本較高，加固修復(fù)期間會(huì)一定程度上影響道路橋梁的正常使用，且不適用于大面積橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)病害修復(fù)和加固處理，施工單位需要靈活選擇及應(yīng)用該技術(shù)。

2.3 封膠灌注加固技術(shù)

不同類型道路橋梁結(jié)構(gòu)病害適合應(yīng)用的加固技術(shù)不同，封膠灌注加固技術(shù)適用于墩柱位移偏位等變形類結(jié)構(gòu)病害的修復(fù)和加固處理[5]。封膠灌注加固技術(shù)的應(yīng)用流程如下：評估整體道路橋梁結(jié)構(gòu)，確定出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害及開裂跡象的位置，分析病害的成因，隨后制定針對性的封膠灌注加固方案。需要注意的是，如果道路橋梁結(jié)構(gòu)病害過于嚴(yán)重，如結(jié)構(gòu)變形程度容易引發(fā)嚴(yán)重安全事故，或者結(jié)構(gòu)承載能力不足，則無法通過封膠灌注加固技術(shù)完全解決，需要配合鋼筋焊接技術(shù)、預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)等，或者直接更換變形結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，才能實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步加固，使結(jié)構(gòu)承載能力滿足實(shí)際承載需求。

2.4 預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)是現(xiàn)階段應(yīng)用頻率最高的道路橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠通過外加裝置向道路橋梁結(jié)構(gòu)施加外力，從而將承載能力較低結(jié)構(gòu)原本需要承載的荷載轉(zhuǎn)移至其他結(jié)構(gòu)，從而改善整體道路橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況，該技術(shù)基本能夠滿足所有結(jié)構(gòu)病害修復(fù)和加固處理需求。采用該技術(shù)時(shí)，施工單位需要結(jié)合道路橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而選擇合適的支架，再通過支架產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力[6]。按照外加結(jié)構(gòu)可以將支架分為水平式支架、下?lián)问街Ъ?、組合式支架三種，支架形式直接決定預(yù)應(yīng)力的作用結(jié)構(gòu)，并且會(huì)影響整體道路橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況。如水平式支架，通過在兩端被錨固的加固筋上打螺栓的方式，將直線加固筋轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，進(jìn)而形成預(yù)應(yīng)力；在水平式支架的作用下，道路橋梁結(jié)構(gòu)的縫隙寬度能夠縮小，梁體的角度能夠降低，從而實(shí)現(xiàn)加固效果。組合式支架則更適用于解決道路橋梁結(jié)構(gòu)斜截面、正截面承載能力不足的問題。

整體來講，預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)具有適用性較強(qiáng)、施工作業(yè)周期較短、結(jié)構(gòu)病害處理效果顯著、結(jié)構(gòu)問題再發(fā)生概率較低、可提高道路橋梁結(jié)構(gòu)承載能力等諸多應(yīng)用優(yōu)勢，該技術(shù)也因此被廣泛應(yīng)用于道路橋梁結(jié)構(gòu)加固處理。不過要想取得更好的結(jié)構(gòu)加固效果，還需要施工單位做好對整體道路橋梁結(jié)構(gòu)受力情況的分析工作，合理制定預(yù)應(yīng)力加固方案，確?？梢匀娼鉀Q現(xiàn)存結(jié)構(gòu)病害、達(dá)到預(yù)期的加固效果。

2.5 外包裹材料加固技術(shù)

外包裹材料加固技術(shù)指的是在道路橋梁結(jié)構(gòu)病害位置處包裹、粘連、焊接、濕法外包材料，應(yīng)用的加固材料基本為型鋼、鋼板，需要施工單位結(jié)合具體結(jié)構(gòu)病害類型、嚴(yán)重程度、位置、成因選擇合適的加固材料，確保能夠充分發(fā)揮加固材料的加固作用[7]。例如，針對墩臺(tái)開裂等道路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)病害，宜采取濕法外包方式在病害結(jié)構(gòu)外側(cè)粘貼鋼板，從而完成對墩臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)的加固處理。此外，應(yīng)用外包裹材料加固技術(shù)時(shí)還需要應(yīng)用加固添加劑，基本為環(huán)氧樹脂，經(jīng)大量試驗(yàn)和工程實(shí)例證實(shí)，該類添加劑的應(yīng)用效果較好。

2.6 外包裹纖維塑料加固技術(shù)

外包裹纖維塑料加固技術(shù)的應(yīng)用原理與外包裹材料加工技術(shù)比較相似，但是兩種加固技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的加固材料及適用的結(jié)構(gòu)病害存在較大差別。具體來講，外包裹纖維塑料加固技術(shù)指的是，在道路橋梁結(jié)構(gòu)病害位置處包裹或粘連纖維塑料，適用于承載梁端頭局部損壞等道路橋梁結(jié)構(gòu)病害的修復(fù)和加固[8]。纖維塑料為復(fù)合型增強(qiáng)材料，具有適用性較強(qiáng)、抗壓性能良好、修復(fù)效果顯著、應(yīng)用成本低廉、施工操作便捷、后期維護(hù)簡單等應(yīng)用優(yōu)勢，經(jīng)該技術(shù)修復(fù)和加固的道路橋梁結(jié)構(gòu)往往具備較強(qiáng)的承載能力，且能夠解決結(jié)構(gòu)的張力問題，提高結(jié)構(gòu)的抗空氣氧化能力和抗風(fēng)力腐蝕能力，從而降低外界環(huán)境因素對道路橋梁使用性能和壽命的影響。但是纖維塑料的可燃性較強(qiáng)，施工單位在采用該技術(shù)時(shí)需注意采取一定的防護(hù)措施。

3 結(jié)語

綜上，道路橋梁的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害，常見的結(jié)構(gòu)病害包括蓋梁開裂、墩臺(tái)開裂、墩柱位移偏位等，為有效治理這些結(jié)構(gòu)病害，施工單位需要根據(jù)病害的位置、病因等合理選用加固技術(shù)，使結(jié)構(gòu)病害得到科學(xué)及時(shí)的治理，為道路橋梁工程的質(zhì)量提供保障，同時(shí)延長其使用壽命。