高速公路橋梁常見病害與加固探析

劉碧珣

（廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速，高速公路上的交通量快速增加，使得橋梁出現(xiàn)各種病害。如果不對(duì)橋梁及時(shí)加固或選擇的加固方法不合理，橋梁病害在高速公路運(yùn)營(yíng)期間會(huì)不斷擴(kuò)展，降低橋梁結(jié)構(gòu)的整體承載力，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致橋梁坍塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。目前，技術(shù)人員在選擇橋梁加固方法時(shí)，很多盲目照搬類似項(xiàng)目的圖紙，對(duì)橋梁病害的成因理解不夠深入，使得加固方案適用性差[1]。因此，進(jìn)一步研究高速公路橋梁常見病害成因與加固方法具有重要的工程價(jià)值。

1 公路橋梁病害影響因素及危害

1.1 橋梁病害影響因素

在高速公路運(yùn)營(yíng)期間，橋梁結(jié)構(gòu)因受到外界各種不利因素及內(nèi)部因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性不滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象均可稱之為橋梁病害。大量工程實(shí)踐表明，影響橋梁結(jié)構(gòu)病害的外部因素有有風(fēng)、雨、水流、溫度和濕度變化、地震、洪水、意外撞擊等，內(nèi)部因素主要是設(shè)計(jì)和施工原因，總結(jié)見圖1[2]。

圖1 橋梁病害影響因素

1.2 橋梁病害的危害

雖然公路橋梁的混凝土表層缺陷不易導(dǎo)致橋梁斷裂，但其危害性應(yīng)引起重視。在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土表面缺陷會(huì)不斷擴(kuò)展，最終危害橋梁的整體安全。比如混凝土表面開裂后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋可能外漏銹蝕，如果不進(jìn)行處理，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)不斷衰減，最終縮短橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)壽命。此外，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的危害要大于表面缺陷，比如混凝土強(qiáng)度不足、鋼筋安裝方案不滿足規(guī)范、混凝土振搗不及時(shí)、模板漏漿等都會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)空洞，降低橋梁結(jié)構(gòu)性能。

2 公路橋梁常見病害分析

2.1 混凝土病害成因

2.1.1 混凝土裂縫成因

公路橋梁混凝土裂縫包括荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫等。不同裂縫的成因如下：①荷載裂縫。荷載裂縫的成因會(huì)貫穿橋梁的全生命周期，比如在設(shè)計(jì)階段橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模式和實(shí)際受力不相符，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低。在施工階段，施工人員任意堆放施工機(jī)具、材料、擅自改變施工順序等。在運(yùn)營(yíng)階段，超載和重載車輛大幅度增加，使得橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際受力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。②溫度裂縫?；炷磷鳛橐环N彈塑性材料，具有熱脹冷縮的特性。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)所處的外界溫度變化較大時(shí)，會(huì)改變混凝土內(nèi)部溫度，使其內(nèi)部應(yīng)力重新分布。當(dāng)應(yīng)力值大于混凝土自身抗拉強(qiáng)度，會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。③收縮裂縫。在實(shí)際工程中，混凝土干縮最常見，即混凝土在硬化期間水分不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致其體積減小。由于混凝土的干燥是由表面向內(nèi)部擴(kuò)展的，所以干縮呈“表面收縮大，內(nèi)部收縮小”的趨勢(shì)。

2.1.2 混凝土碳化成因

公路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中含有堿性成分，會(huì)與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳酸鈣顆粒。混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過碳化后，雖然會(huì)提高混凝土密實(shí)度，但是也會(huì)使其pH值減小，混凝土內(nèi)的鋼筋容易受到腐蝕。影響橋梁結(jié)構(gòu)混凝土碳化的因素取決于材料性能及其所處的外部環(huán)境，如表1所示[3]。

表1 混凝土碳化影響因素

評(píng)價(jià)混凝土碳化對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性的影響程度時(shí)，可以碳化深度Xc為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體按式（1）計(jì)算：

式中，D——二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)；C——二氧化碳濃度；t——混凝土碳化時(shí)間；m——計(jì)算參數(shù)。

2.2 橋面系病害成因

2.2.1 橋面鋪裝層病害成因

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，混凝土鋪裝層的病害主要表現(xiàn)為縱、橫向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、鋪裝層剝落等。導(dǎo)致橋面鋪裝層病害的主要原因如下：①配筋材料選擇不合理。混凝土橋面鋪裝參與結(jié)構(gòu)受力，如果將配筋視作構(gòu)造鋼筋或鋼筋間距過大，容易導(dǎo)致鋪裝層的承載力不足。②混凝土質(zhì)量差?；炷临|(zhì)量直接決定了橋面鋪裝層的性能和運(yùn)營(yíng)壽命。當(dāng)混凝土水灰比偏大時(shí)，容易出現(xiàn)收縮裂縫。尤其是夏季，混凝土水分蒸發(fā)較快，如果不及時(shí)養(yǎng)生，混凝土鋪裝層也容易開裂。③施工質(zhì)量控制不當(dāng)?；炷龄佈b層在施工前未按照設(shè)計(jì)文件要求清除橋面浮灰及雜物、未進(jìn)行鑿毛處理，導(dǎo)致橋面鋪裝與橋面板粘接性能差，降低鋪裝層與主梁的整體承載性能。

2.2.2 伸縮縫病害成因

伸縮縫是為了適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的收縮和膨脹變形而在橋梁結(jié)構(gòu)物一聯(lián)的梁端之間，以及梁端與橋臺(tái)背墻之間設(shè)置。伸縮縫暴露在外界環(huán)境中，且直接承受車輛荷載，容易出現(xiàn)損毀，從而降低行車舒適性，增加行車噪音。此外，雨水也會(huì)通過伸縮縫滲入梁體，威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

橡膠伸縮縫是公路橋梁結(jié)構(gòu)中最常用的伸縮縫，其病害包括膠條破壞、膠條剝離、錨固螺栓松動(dòng)等，具體原因如下[4]：第一，設(shè)計(jì)原因。比如伸縮縫選型不當(dāng)、伸縮縫構(gòu)造錨固的構(gòu)件強(qiáng)度不足，伸縮縫寬度不合理等。第二，施工原因。伸縮縫對(duì)施工工藝要求高，如施工之前，技術(shù)人員未對(duì)工人進(jìn)行技術(shù)交底，工人無法準(zhǔn)確掌握伸縮縫具體的施工步驟和施工要點(diǎn)。當(dāng)伸縮縫為采用專門安裝工具施工、錨固件焊接質(zhì)量較差、伸縮縫間距與設(shè)計(jì)不符等，都容易導(dǎo)致伸縮縫破壞。第三，養(yǎng)護(hù)原因。橋梁伸縮縫的使用環(huán)境較惡劣，但目前大部分橋梁結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護(hù)期間并未對(duì)伸縮縫開展定期的檢查維修，伸縮縫內(nèi)的雜物塵土無法及時(shí)清理，使其在荷載作用下的伸縮量無法保證，從而影響伸縮縫的耐久性和使用壽命。

2.3 橋頭跳車病害成因

2.3.1 材料剛度差異

路基填料為土體，屬柔性材料，而橋臺(tái)是鋼筋混凝土澆筑而成，屬于剛性構(gòu)件。由于路基填土和橋臺(tái)材料剛度不同，在相同車輛荷載作用下，兩者之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。高速公路經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，路橋過渡段的不均勻沉降持續(xù)累積，最終導(dǎo)致橋頭跳車病害。

2.3.2 地基土的性質(zhì)變化

為了上跨公路、鐵路、溝渠等，橋臺(tái)路基的填土高度一般較大，路基填筑后會(huì)在地基土中產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。如果橋臺(tái)范圍內(nèi)的地基土承載力較低，地基土?xí)a(chǎn)生較大的工后沉降，從而加劇橋頭跳車病害。

2.3.3 施工控制不嚴(yán)

橋臺(tái)兩端的路基填土較高，且其施工一般是在橋臺(tái)工程完成后，施工作業(yè)面較狹窄，使得橋臺(tái)附近的土體難以壓實(shí)，運(yùn)營(yíng)期間會(huì)因強(qiáng)度不足造成凹陷。

3 公路橋梁加固方法分析

高速公路橋梁加固的目標(biāo)是對(duì)已經(jīng)發(fā)生病害的采取一定措施，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，恢復(fù)橋梁使用性能，延長(zhǎng)橋梁使用年限。

3.1 橋梁加固原則

公路橋梁加固設(shè)計(jì)是一個(gè)全方位、多層次的決策問題，在選擇加固方案時(shí)要層層比選、不斷深入，并遵循以下幾條原則[5]：第一，要明確橋梁加固目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員要結(jié)合橋梁病害的實(shí)際情況，確定要實(shí)現(xiàn)的加固目標(biāo)，并將加固目標(biāo)貫穿于橋梁加固設(shè)計(jì)的全生命周期中。第二，保證加固方案科學(xué)性。要對(duì)各個(gè)加固方案進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比選，保證加固方案的科學(xué)性，不能為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的性能而盲目參考類似項(xiàng)目的加固經(jīng)驗(yàn)。第三，與環(huán)境相結(jié)合。橋梁結(jié)構(gòu)的加固方案要與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，以促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)加固

3.2.1 增大截面加固法

公路橋梁結(jié)構(gòu)采用增大截面法加固就是在混凝土外側(cè)新澆筑一定厚度的混凝土，加大原有構(gòu)件尺寸，并在混凝土中加入補(bǔ)強(qiáng)鋼筋。增大截面加固法計(jì)算簡(jiǎn)單，施工便利，能顯著提高原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且加固后對(duì)既有橋梁外觀和周邊環(huán)境，但可能導(dǎo)致橋下凈空減小。

在施工之前，要先將混凝土結(jié)構(gòu)表面的浮漿、油污等雜質(zhì)清理干凈，并將表面凸起部位磨平。對(duì)于外漏的已生銹鋼筋，也要打磨干凈。新澆筑的混凝土不應(yīng)太薄，不應(yīng)小于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)最小鋼筋保護(hù)層厚度的要求。同時(shí)，要嚴(yán)格控制新澆筑混凝土的振搗質(zhì)量，避免混凝土表明產(chǎn)生蜂窩、麻面等病害。

3.2.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是利用粘結(jié)劑將鋼板粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面（出現(xiàn)病害或受力薄弱的位置），以增大其強(qiáng)度和承載能力。加固所用的鋼板宜采用Q235鋼，且粘結(jié)劑要能提供足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，以保證鋼板與混凝土不脫落。根據(jù)相關(guān)研究成果，粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土等級(jí)密切相關(guān)，見表2。

表2 不同混凝土強(qiáng)度下粘結(jié)強(qiáng)度

粘結(jié)鋼板加固期間，需要再混凝土結(jié)構(gòu)上鉆孔植入螺栓，從而損傷原混凝土結(jié)構(gòu)。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，施工人員要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙給出的孔位鉆孔。如有異常，及時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)代表溝通。

3.2.3 粘貼碳纖維加固法

碳纖維簡(jiǎn)稱CFRP，有碳纖維板、碳纖維織物兩種。作為一種新型材料，碳纖維在公路橋梁加固中的應(yīng)用日益廣泛。當(dāng)橋梁配筋率不足或鋼筋外漏銹蝕時(shí)，利用碳纖維加固能顯著改善橋梁構(gòu)件的抗彎和抗剪能力；當(dāng)橋梁配筋率較高且鋼筋無銹蝕，僅粘貼碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)效果不明顯，此時(shí)可與其他加固措施聯(lián)合使用，以降低構(gòu)件延性。大量工程實(shí)踐表明，橋梁結(jié)構(gòu)采用粘貼碳纖維法施工周期墩，耗費(fèi)的人力和設(shè)備少，且對(duì)橋梁外觀基本無影響。

3.2.4 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力筋加固法屬于種主動(dòng)加固法，是將預(yù)應(yīng)力筋作用在梁的下緣受拉區(qū)，通過張拉對(duì)梁體產(chǎn)生預(yù)壓力，使梁上拱抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，從而提高既有橋梁的承載能力。體外預(yù)應(yīng)力筋加固法的具體施工流程見圖2。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力加固流程

由圖2可知：體外預(yù)應(yīng)力筋加固法施工工藝復(fù)雜，施工難度大，對(duì)施工人員的技術(shù)水平要求高，且體外預(yù)應(yīng)力筋的防腐難度大，導(dǎo)致后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大。如果橋梁所在地區(qū)無專業(yè)加固團(tuán)隊(duì)，不建立采用該方法。

3.3 橋頭跳車加固

高速公路的路橋過渡段出現(xiàn)橋頭跳車病害后，宜采用高壓噴射注漿法來加固，即利用高壓設(shè)備將水泥漿液以較快的速度、較大的能量通過噴嘴噴射到土體中，土顆粒與噴射漿液均勻地混合在一起，形成新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以提高土體強(qiáng)度和剛度。需要注意，隨著水泥漿液噴射距離的增大，噴射流能量會(huì)減小，無法切削土體，使土體與漿液混合。因此，高壓噴射注漿法加固橋臺(tái)路基的關(guān)鍵是確定噴射流的速度v，見式（2）：

式中，φ——噴嘴流速系數(shù)，無量綱；g——重力加速度，取9.81 m/s2；p——噴嘴壓力（kPa）；γ——水的重度，取1 000 kN/m3。

同時(shí)，為了提高橋頭跳車加固效率，利用上述公式計(jì)算了不同噴嘴壓力下的噴射流速度.見表3。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)此表直接選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。

表3 噴射流速度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

該文研究了公路橋梁病害影響因素、常見病害的成因及加固措施，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）影響高速公路橋梁病害的成因有設(shè)計(jì)因素、施工因素及各種外在因素，病害一旦發(fā)現(xiàn)要及時(shí)處理。

（2）高速公路橋梁病害可劃分成混凝土病害、橋面系病害、橋頭跳車病害等。在選擇橋梁加固措施之前，應(yīng)先分析病害機(jī)理。

（3）高速公路橋梁結(jié)構(gòu)加固可采用增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法等。

（4）橋頭跳車加固宜采用高壓噴射注漿法，其關(guān)鍵是確定噴射流的速度。