道路橋梁工程結(jié)構(gòu)的病害與加固技術(shù)

謝茂宇

中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 重慶 400023

現(xiàn)階段，在道路橋梁工程結(jié)構(gòu)病害管控過程中，工程師需要采取有效的加固措施，對(duì)結(jié)構(gòu)破損部位進(jìn)行補(bǔ)充完善；同時(shí)通過前期細(xì)致、深入分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)損壞程度評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)計(jì)算，采取靈活高效的管控方法，提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性。

1 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)的病害

1.1 裂縫

裂縫是道路橋梁工程結(jié)構(gòu)中常見的病害，其通常是由荷載或應(yīng)力失衡所導(dǎo)致的。比如當(dāng)橋梁的荷載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布改變。高應(yīng)力區(qū)域可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。另外，大部分橋梁工程通常是以鋼筋混凝土為主體結(jié)構(gòu)，而相關(guān)主體結(jié)構(gòu)極易受到外在溫度的影響，出現(xiàn)膨脹或收縮現(xiàn)象，當(dāng)相關(guān)指標(biāo)超出應(yīng)力結(jié)構(gòu)的承載極限時(shí)便會(huì)引起裂縫[1]。具體來說，由于不同材料具備不同的熱膨脹系數(shù)以及機(jī)械特性，如果工程人員未對(duì)溫度問題進(jìn)行把控，未進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的溫度監(jiān)測(cè)，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。除此之外，外在環(huán)境因素也會(huì)給道路橋梁原有結(jié)構(gòu)帶來破壞，削弱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低強(qiáng)度，從而導(dǎo)致其裂縫現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。

1.2 銹蝕問題

在道路橋梁工程結(jié)構(gòu)中包含大量鋼結(jié)構(gòu)材料，相關(guān)金屬物質(zhì)極易受到外在理化環(huán)境的影響。當(dāng)區(qū)域氧氣和水的含量過高時(shí)，便會(huì)引發(fā)相應(yīng)的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生金屬氧化物，從而給表面帶來銹蝕問題。另外當(dāng)金屬表面與水接觸，在氧氣的共同作用下，會(huì)導(dǎo)致氧化反應(yīng)加劇。一般情況下，道路橋梁工程中所產(chǎn)生的銹蝕現(xiàn)象通常包含一個(gè)完整的電化學(xué)過程，涉及陰極區(qū)域和陽極區(qū)域。而為了有效管控道路橋梁工程中的銹蝕問題，工程師通常會(huì)結(jié)合犧牲陽極的方法來減緩腐蝕。但是由于工程人員未對(duì)陽極材料進(jìn)行定期更換，從而導(dǎo)致陰極材料遭受腐蝕影響。除此之外，在部分高濃度鹽堿的地區(qū)極易生成相應(yīng)的電解質(zhì)，提供導(dǎo)電通路，從而導(dǎo)致整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)材料的銹蝕問題加劇，一旦相關(guān)金屬材料產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象便會(huì)引發(fā)金屬膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。工程人員在銹蝕管控過程中需要重點(diǎn)對(duì)腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估銹蝕的嚴(yán)重程度，通常以毫米每年或英寸每年作為計(jì)量單位，必要時(shí)采取有效應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)也需要根據(jù)百分比或等級(jí)來表示金屬表面的銹蝕程度，分為輕微、中等、嚴(yán)重等不同的級(jí)別。但是由于工程師、技術(shù)人員在對(duì)銹蝕參數(shù)管控過程中未對(duì)銹蝕類型、位置、材料特性進(jìn)行細(xì)致深入分析，對(duì)點(diǎn)蝕、普通腐蝕、孔洞腐蝕等問題未引起足夠重視，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化。

1.3 混凝土剝落

混凝土剝落在道路橋梁工程結(jié)構(gòu)中較為常見，其通常表現(xiàn)在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面脫落、破碎，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性大幅度降低。引發(fā)混凝土剝落病害的原因較多，首先凍融循環(huán)是導(dǎo)致混凝土剝落的常見因素，一般情況下，混凝土吸水后會(huì)膨脹，以至于內(nèi)部應(yīng)力增加，在超出極限數(shù)值時(shí)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩塌、破裂；另外，當(dāng)相關(guān)區(qū)域的鹽堿腐蝕過大時(shí)，會(huì)引發(fā)混凝土內(nèi)部溶解和再結(jié)晶，會(huì)伴隨熱量的釋放，從而出現(xiàn)相應(yīng)的熱膨脹現(xiàn)象。在沿海地區(qū)以及冰雪融化地區(qū)的鹽腐蝕現(xiàn)象較為明顯。

其次，混凝土如果存在碳化的現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剝落脫離的情況，當(dāng)碳酸氣體滲入到混凝土內(nèi)部，會(huì)導(dǎo)致部分混凝土結(jié)構(gòu)的堿性成分發(fā)生綜合反應(yīng)，導(dǎo)致其原有結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生變化，從而在混凝土表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。除此之外，化學(xué)物質(zhì)的腐蝕也是引發(fā)結(jié)構(gòu)剝落的核心因素，在酸雨或腐蝕性物質(zhì)的影響下，會(huì)導(dǎo)致混凝土中的膠凝材料分解，以至于混凝土表面出現(xiàn)破損。工程師在對(duì)混凝土剝落情況進(jìn)行管控過程中，需重點(diǎn)對(duì)剝落面積、深度、類型、位置進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致分析，以便在后續(xù)修復(fù)過程中能夠?qū)θ斯ぁ⒉牧?、設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)配和使用。

1.4 蜂窩狀剝落

由于在道路橋梁工程中存在大量的混凝土結(jié)構(gòu)，因此其難免會(huì)出現(xiàn)蜂窩狀剝落的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小凹坑或凹陷區(qū)域，以至于結(jié)構(gòu)不平整。一般情況下，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)蜂窩狀是由于混凝土攪拌澆筑不到位，在攪拌或澆筑環(huán)節(jié)存在振搗時(shí)間、力度不足，以至于混凝土中的氣泡無法排除干凈，在后續(xù)凝結(jié)過程中形成空氣、空洞，最終形成對(duì)應(yīng)的凹陷區(qū)域，久而久之也會(huì)導(dǎo)致相關(guān)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)蜂窩狀的剝落現(xiàn)象；另外，在混凝土中的空氣空隙過大、氣泡過多也會(huì)形成蜂窩狀，由于振搗不充分，或在混凝土中摻入雜質(zhì)，導(dǎo)致氣孔面積增大；并且，在部分混凝土骨料中，由于工程師未對(duì)其結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行把控，以至于骨料中摻入了大量的空氣，最終會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)不完整；再加上工程人員在初期凝結(jié)階段未對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致表面的水分快速增發(fā)，最終形成蜂窩狀態(tài)，以至于整體結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p傷。因此，蜂窩狀剝落也是道路橋梁工程中常見的病害，由于工程師未嚴(yán)格管控混凝土的澆筑、養(yǎng)護(hù)的細(xì)節(jié)，以至于混凝土結(jié)構(gòu)遭受到破壞。

2 道路橋梁工程結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

2.1 梁下加固

梁下加固技術(shù)在道路橋梁工程中的應(yīng)用較為常見，相關(guān)加固技術(shù)主要是通過增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，特別在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中，工作人員可通過結(jié)構(gòu)管控，對(duì)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充優(yōu)化，提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性[2]。工作人員在該環(huán)節(jié)需要對(duì)加固材料、架構(gòu)、工藝以及施工技巧進(jìn)行靈活選用。首先，工作人員需要評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性，檢測(cè)當(dāng)前橋梁的狀態(tài)，對(duì)上文所講解到的腐蝕、損傷、裂紋等影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的因素進(jìn)行分析，評(píng)估在梁下加固過程中所需要使用的加固工藝材料，以及所需要達(dá)成的加固效果。一般情況下，在對(duì)加固材料進(jìn)行選用環(huán)節(jié)包含對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土、復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)材料的使用，須考慮橋梁的負(fù)載需求以及外在環(huán)境條件，結(jié)合工程預(yù)算，對(duì)梁下加固措施進(jìn)行合理選用；緊接著，工作人員便需要對(duì)工作進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)置，其作為梁下加固中不可或缺的一部分，起到傳遞荷載的作用。支柱結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備幾何形狀，能夠均勻分散外部應(yīng)力，確保整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。在具體加固過程中，工作人員可通過添加橫梁的方式，在底部增加新的橫梁裝置來承接荷載；同時(shí)也可利用預(yù)應(yīng)力混凝土來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如加裝鋼板來提供額外的應(yīng)力支持。而針對(duì)部分特殊的結(jié)構(gòu)，如損傷、裂紋、剝落，工程師可利用噴涂混凝土的工藝，將相關(guān)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充補(bǔ)全。在梁下加固過程中，工作人員需要進(jìn)行負(fù)載測(cè)驗(yàn)，驗(yàn)證承載能力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)；之后再逐步施加荷載來監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形變狀況，確保橋梁在后續(xù)使用過程中更加安全、可靠。

2.2 支座更換

在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的過程中，工作人員也需要對(duì)支座更換作業(yè)引起足夠重視，其作為橋梁升級(jí)以及結(jié)構(gòu)替換過程中不可或缺的一項(xiàng)舉措，工作人員需要采取頂層設(shè)計(jì)，完成對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改善。一般情況下，當(dāng)橋梁工程出現(xiàn)老化、腐蝕現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)承載性能會(huì)大幅度降低，并且在地震、交通事故以及意外事件的影響下，可能會(huì)導(dǎo)致支座損壞，因此對(duì)支座進(jìn)行不斷升級(jí)、優(yōu)化是必不可少的。同時(shí)，隨著技術(shù)不斷更新、升級(jí)，支座技術(shù)取得不斷發(fā)展進(jìn)步，此時(shí)可進(jìn)行新舊技術(shù)的替換，通過更換支座來提高橋梁結(jié)構(gòu)的綜合承載性能。

首先，在支座更換環(huán)節(jié)，工作人員需要進(jìn)行全方位的技術(shù)評(píng)估、細(xì)節(jié)評(píng)估，確定支座是否需要更換，參照前期的工程調(diào)研，分析病害機(jī)理和影響程度，制定出全新的新支座施工計(jì)劃和更換方案；緊接著，工程師便需要對(duì)支座進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常情況下可結(jié)合橡膠支座、鋼支座，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)要求來完成對(duì)不同支座的選用。在正式施工前，施工人員需要將舊支座拆除掉，但是也需要完成對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，保障拆除工作安全進(jìn)行；緊接著，便需要對(duì)新支座進(jìn)行安裝調(diào)整，保證其在正確位置上發(fā)揮出應(yīng)有的性能。在完成支座的更換之后，工程師便需要測(cè)驗(yàn)新支座的性能，在測(cè)試通過之后，再將橋梁工程投入使用。

2.3 混凝土修復(fù)和加固技術(shù)

在道路橋梁工程結(jié)構(gòu)加固作業(yè)中，工程師也需要合理應(yīng)用混凝土修復(fù)和加固技術(shù)，提升工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。首先，工作人員需要對(duì)混凝土表面進(jìn)行修復(fù)清理，比如將其表面的污垢、油脂以及松散的混凝土清理干凈，并選取合適的修復(fù)材料，如修復(fù)砂漿、聚合物，將其灌注到對(duì)應(yīng)的裂縫區(qū)域，對(duì)孔洞損壞進(jìn)行修復(fù)。為了提高修復(fù)效率，工作人員可適當(dāng)選用粘接劑，保證修復(fù)材料與混凝土材料粘接良好。而在后續(xù)對(duì)混凝土進(jìn)行加固的過程中，工作人員可采取鋼筋加固措施，可在混凝土結(jié)構(gòu)中增加對(duì)應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)，在其中設(shè)置鋼筋材料，并且重新進(jìn)行澆筑，以此來增強(qiáng)其抗張強(qiáng)度。針對(duì)部分特種混凝土，工作人員可采取碳纖維增強(qiáng)材料，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)改善，通過將其貼附在混凝土表面，可使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提升。

而為了進(jìn)一步提高加固水平，工程師也可采取預(yù)應(yīng)力加固策略，例如在混凝土中施加壓力，并且穩(wěn)步施加對(duì)應(yīng)的平衡控制操作，調(diào)整張力鋼筋，然后在混凝土凝固之后釋放壓力，使得應(yīng)力得以形成。但是在使用預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的過程中，工作人員還需要分析道路橋梁工程的荷載狀況，保證外部荷載與預(yù)應(yīng)力能夠做到抵消、平衡，從而減少結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，在部分混凝土修復(fù)和加固技術(shù)體系中，工作人員也可采取噴涂修復(fù)的方法，針對(duì)部分道路橋梁工程大面積混凝土脫落、剝落的情況，可采取噴涂材料，借助聚合物修復(fù)較大的損壞區(qū)域。在該過程中可能會(huì)涉及澆筑修復(fù)策略，包含準(zhǔn)備模具，澆筑新混凝土來取代損壞部分，但是也需要優(yōu)先將相關(guān)區(qū)域的雜質(zhì)清理干凈。在完成修復(fù)之后，工程師需要根據(jù)道路橋梁的使用需求對(duì)其中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效監(jiān)管分析，制定更加完善的監(jiān)測(cè)計(jì)劃和方案，保障整體結(jié)構(gòu)更加牢固可靠。

2.4 增加支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)是一類常見的加固單元，其作為橋梁工程結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中不可或缺的一部分，可提升整個(gè)橋梁工程結(jié)構(gòu)的存在性能。在對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行選用的過程中，工作人員需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估，比如分析橋梁的應(yīng)力狀態(tài)，基于評(píng)估結(jié)果來完善支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，如支撐柱的參數(shù)、數(shù)量。但是，工程師需要對(duì)其位置進(jìn)行嚴(yán)格把控。在對(duì)支撐柱進(jìn)行選用的過程中，工作人員需要考慮在相關(guān)區(qū)域新增加對(duì)應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，涉及對(duì)地基工程的把控，須考慮地基的承載性能，結(jié)合橋梁負(fù)荷狀況，對(duì)支撐柱的直徑大小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行合理設(shè)置。一般情況下，新增加的支撐柱通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)通常放置在橋梁的下部區(qū)域，提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性。而具體的材料須根據(jù)施工設(shè)計(jì)得到確定，但是在此之前，工作人員也需要進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，確保新增加的支撐結(jié)構(gòu)不僅能夠承受靜態(tài)負(fù)載，也能夠應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)荷，比如對(duì)交通荷載和地震進(jìn)行管控。在整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)中難免會(huì)涉及施工連接部分，施工連接是否穩(wěn)定可靠，影響著整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)是否能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用。工程師須根據(jù)前期的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行連接安裝，選取合適的連接件以及固定方法，保證支撐結(jié)構(gòu)與原有橋梁結(jié)構(gòu)緊密牢固地粘接在一起。最后，工作人員需要進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的應(yīng)力測(cè)試分析，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)所發(fā)揮出的實(shí)際作用進(jìn)行評(píng)判，以此來評(píng)估支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用效果。

2.5 使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)

預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要是改變橋梁的受力狀態(tài)，根據(jù)外在荷載大小，向道路橋梁系統(tǒng)施加對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，保證外部荷載與內(nèi)部應(yīng)力平衡。因此，在整個(gè)預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)體系中，工程師需要對(duì)結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力大小部位進(jìn)行分析評(píng)估，確定其中的關(guān)鍵指標(biāo)。在該環(huán)節(jié)，工程師需要選取合適的預(yù)應(yīng)力材料，包含鋼絲繩以及各類鋼纜，保證預(yù)應(yīng)力材料具備足夠強(qiáng)度和彈性[3]。在此過程中，工作人員還需要完成對(duì)錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用于固定預(yù)應(yīng)力材料，保證整體結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮出應(yīng)有的性能，其通常包含對(duì)錨固裝置、錨固板、鋼套釘?shù)呐涮资褂?。整個(gè)錨固系統(tǒng)的設(shè)置須滿足對(duì)應(yīng)的安全承載需求，需要將相關(guān)預(yù)應(yīng)力傳遞到混凝土結(jié)構(gòu)中，從而才能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用。在該環(huán)節(jié)便涉及預(yù)應(yīng)力的施加作業(yè)，通過在預(yù)應(yīng)力材料上施加張力，調(diào)整其大小和方向，從而改變道路橋梁結(jié)構(gòu)原有的應(yīng)力狀態(tài)。在完成對(duì)預(yù)應(yīng)力的施加之后，工作人員便需要固定結(jié)構(gòu)，包含混凝土澆筑以及預(yù)應(yīng)力傳遞，提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。但是，工作人員在后續(xù)也需要進(jìn)行持續(xù)高效地監(jiān)測(cè)和調(diào)整，對(duì)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行深入、細(xì)致分析，評(píng)估整個(gè)預(yù)應(yīng)力加固是否達(dá)成對(duì)應(yīng)的效果，提高加固管理水平。

2.6 防腐蝕保護(hù)

通過上文的病害分析不難看出，由于道路橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土遭受到外在環(huán)境的腐蝕影響，其結(jié)構(gòu)性能大幅度降低，為了有效管控由腐蝕而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破損問題，工程師需要在加固作業(yè)中采取有效的防腐保護(hù)，提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。首先，工作人員需要對(duì)混凝土以及金屬材料表面臟污、銹蝕、污垢進(jìn)行清除整理，包含磨砂、刷洗、噴砂以及高壓水清洗等操作；緊接著，便需要涂抹對(duì)應(yīng)的防腐涂層，工程師須根據(jù)不同類型的涂料，在不同結(jié)構(gòu)采取差異化的防腐方式，可利用環(huán)氧涂料、聚氨酯涂料，在金屬表面形成一個(gè)致密的氧化層，防止水分和氧氣進(jìn)入金屬內(nèi)部。另外，工作人員也可采取陰極保護(hù)措施，結(jié)合犧牲陽極法，定期對(duì)建筑材料中的陽極結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充、完善，從而達(dá)到抑制腐蝕的效果。需要引起注意的是，工程師需要定期進(jìn)行維護(hù)檢測(cè)，對(duì)防腐涂層進(jìn)行更換、補(bǔ)充，并且修復(fù)、更換損傷的部件。但是在對(duì)腐蝕問題進(jìn)行預(yù)防管理期間，工作人員也需要嚴(yán)格參照環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包含對(duì)當(dāng)?shù)佧}分、濕度、化學(xué)物質(zhì)的監(jiān)管，以此來確定是否需要采取額外的措施來提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性能。

3 結(jié)束語

總體來說，在道路橋梁工程結(jié)構(gòu)病害加固管控過程中，工作人員需要對(duì)整個(gè)施工工藝、流程、方案進(jìn)行優(yōu)化，采取靈活高效的管控措施，提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性，保證施工建設(shè)水平和質(zhì)量得到有效提升。