混凝土橋梁病害分析與加固
2010-10-29
一、概述
橋梁是我國現(xiàn)代化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，由于反復(fù)承受著車輪的磨損、沖擊，遭受暴雨、洪水、風(fēng)沙、冰雪、日曬、凍融等自然因素的侵蝕破壞，特別是我國交通量和重型汽車的不斷增加，有些建筑材料的性質(zhì)衰變，以及由于沒計(jì)和施工留下的一些缺陷，必然造成道路橋梁使用功能和行車服務(wù)質(zhì)量的日趨退化、不適應(yīng)。在使用荷載及其它外界各種影響的長期作用下，如果不對結(jié)構(gòu)上所出現(xiàn)的病害予以檢測、維修和加固，則結(jié)構(gòu)上的這些
初始缺陷加上結(jié)構(gòu)的自然老化使得結(jié)構(gòu)上的損傷不斷積累和發(fā)展，結(jié)構(gòu)的功能不斷退化，由此極有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在一定的使用期后將成為危橋而面臨損毀、垮塌的危險(xiǎn)，這方面的實(shí)例已屢見不鮮，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大損失。
二、混凝土橋梁病害分析
(一)常見病害
在筆者參與數(shù)十座橋梁的特殊檢測評估工作過程中，對常規(guī)橋梁的使用狀況和病害情況進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，總體來說，橋梁的常見病害有以下幾種：
1．梁、板及拱肋等部位構(gòu)造裂縫和受力裂縫。構(gòu)造裂縫的成因主要是環(huán)境溫差、施工養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩?。受力裂縫則是由于結(jié)構(gòu)剛度不夠、承載能力不足引起，這種裂縫對結(jié)構(gòu)安全影響大，須謹(jǐn)慎對待。
2．梁體、墩臺等局部破損，漏筋及鋼筋銹蝕。
3．混凝土結(jié)構(gòu)表面缺陷，如：蜂窩、麻面等。
4．伸縮縫破壞。此類破壞由車輛沖擊荷載反復(fù)作用而產(chǎn)生。
5．支座剪切變形、脫空。車輛制動力、梁體伸縮會引起支座剪切變形；結(jié)構(gòu)自重不均衡、車輛偏載可導(dǎo)致支座脫空。
6．橋面鋪裝層磨損，橋面坑洼不平。
7．橋面排水口堵塞，井蓋破損。
8．墩、臺及基礎(chǔ)破壞，包括：墩、臺身水平、豎向和網(wǎng)狀裂縫，基礎(chǔ)不均勻沉降，基礎(chǔ)滑移、傾斜以及局部脫空等。
(二)混凝土橋病害原因
混凝土橋產(chǎn)生病害的原因有很多種，綜合起來有以下幾個方面造成混凝土橋退化以及失效：
1．環(huán)境。環(huán)境因素是造成混凝土橋梁退化最主要的因素，混凝土橋暴露于各種環(huán)境中，時間長了，就會導(dǎo)致整體強(qiáng)度的下降。強(qiáng)度損失的程度取決于環(huán)境以及混凝土橋梁本身的性質(zhì)?；瘜W(xué)物質(zhì)(比如氯離子、硫酸鹽、二氧化碳)、水分以及極端溫度的循環(huán)是影響混凝土橋梁強(qiáng)度的最主要的環(huán)境因素。
越來越多的混凝土橋由于受到環(huán)境影響而遭到破壞，根據(jù)報(bào)道，許多橋梁的倒塌是由于強(qiáng)度退化造成的，而這種退化是由于環(huán)境因素造成的。環(huán)境因素方面橋梁退化的機(jī)理有硫酸鹽侵蝕、堿硅反應(yīng)、凍融循環(huán)破壞以及腐蝕等，而腐蝕是最普遍的破壞機(jī)理。
2．設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，舊有橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求。
采用不同的橋梁結(jié)構(gòu)，不同的截面形式以及跨徑比例等，都會對橋梁的健康狀況有較大的影響。
設(shè)計(jì)不完善，比如構(gòu)造鋼筋不夠、截面強(qiáng)度儲備不夠等。在橋梁設(shè)計(jì)過程中，由于各種系數(shù)的取值問題，未充分考慮開裂混凝土徐變、收縮及溫度應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)安全系數(shù)不恰當(dāng)?shù)取?br />
3．施工。施工不當(dāng)會造成大量混凝土表層缺陷，比如蜂窩、露筋、麻面、空洞等現(xiàn)象。比如混凝土灌注時，沒有充分的振搗，就會發(fā)生蜂窩現(xiàn)象；灌注時，若保護(hù)層處混凝土漏振或者振搗不實(shí)，則會發(fā)生露筋；施工時采用模板表面不光滑，模板濕潤又不夠，致使構(gòu)件表面混凝土內(nèi)的水分被吸去，產(chǎn)生麻面；鋼筋布置過密，施工時混凝土被卡住，嚴(yán)重漏漿都會產(chǎn)生空洞。
4．使用?，F(xiàn)有公路上的橋梁荷載能力已不能滿足當(dāng)前車輛荷載的要求，有些橋梁由于年久失修，對設(shè)立標(biāo)志不重視，致使原設(shè)計(jì)中未考慮的超重車輛通過，造成超載，由此導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)病害。
結(jié)構(gòu)受意外撞擊，沖擊和沉重的集中荷載可能造成可見裂縫和細(xì)微裂縫，造成局部腐蝕。
5．養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)維修及加固措施不當(dāng)。有些橋梁的技術(shù)缺陷是由于養(yǎng)護(hù)維修不恰當(dāng)引起的。比如橋面維修增加過大的恒載，致使橋梁負(fù)擔(dān)加重；橋面排水處理不當(dāng)，橋面滲水；又如支座維修不當(dāng)，約束了承重結(jié)構(gòu)的變形等。有些橋梁則是加固不當(dāng)引起的。比如加固施加的預(yù)應(yīng)力大小或者位置不恰當(dāng)，引起結(jié)構(gòu)的二次病害；又如結(jié)構(gòu)體系改變不合理，致使結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位應(yīng)力超限等。
6．材料?；炷?、鋼筋等材料的質(zhì)量問題是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)缺陷的內(nèi)在因素。往往這幾種原因共同作用，導(dǎo)致橋梁發(fā)生嚴(yán)重退化和破壞。
三、橋梁補(bǔ)強(qiáng)加固方法
橋梁補(bǔ)強(qiáng)加固的常用方法如下：
1．增大截面加固法。該方法通過增大原構(gòu)件截面面積并增配鋼筋等方式提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，適用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件、鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固。
2．粘貼鋼板加固法。該方法采用結(jié)構(gòu)膠私劑粘貼鋼板或型鋼的方式提高結(jié)構(gòu)承載能力。
3．粘貼纖維復(fù)合材料加固法。該方法采用結(jié)構(gòu)膠戮劑粘貼纖維復(fù)合材料的方式提高結(jié)構(gòu)承載能力，適用于鋼筋混凝土受彎、受拉和受壓構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固。
4．體外預(yù)應(yīng)力加固法。該方法通過增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力索的方式施加體外預(yù)應(yīng)力，使原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的受力狀況得到改善和調(diào)整。
5．改變結(jié)構(gòu)體系加固法。該方法通過改變結(jié)構(gòu)體系，使原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的受力得到改善和調(diào)整，以降低控制截面內(nèi)力，提高結(jié)構(gòu)整體承載能力。
6．混凝土表面缺陷修復(fù)。利用樹脂膠、環(huán)氧砂漿等對表面缺陷部位進(jìn)行封閉、灌注、壓注，以防止鋼筋銹蝕、混凝土老化，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。
7．植筋處理。使用專用的結(jié)構(gòu)膠赫劑將帶肋鋼筋或螺桿錨固于結(jié)構(gòu)基材中，以提高結(jié)構(gòu)承載能力。
四、加固補(bǔ)強(qiáng)工程案例
(一)工程概況
某大橋全長814米，主孔為3聯(lián)4×65米預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。該橋建于2ot!t紀(jì)80年代末，后經(jīng)過幾次擴(kuò)寬改建，形成主線橋6車道，引道為立交的大型互通立交橋。該橋梁的結(jié)構(gòu)形式多樣，構(gòu)造復(fù)雜，有圬工拱橋、鋼架拱橋、撐架式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)箱梁、簡支 I梁等5種形式。各部分結(jié)構(gòu)建成年代不同，荷載標(biāo)準(zhǔn)不同、結(jié)構(gòu)使用狀況等也各不相同。根據(jù)橋梁病害檢測結(jié)果，確定該橋需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)的重點(diǎn)提高該橋主要承重結(jié)構(gòu)的承載力，并對其他表面病害進(jìn)行修補(bǔ)加強(qiáng)，以提高橋梁的使用性能和耐久性。針對不同的結(jié)構(gòu)部位，具體采取了以下幾種不同的加固處理方法。
(二)拱橋拱圈加固
該大橋西岸引橋?yàn)閱慰?m×20m拱橋，由于建設(shè)年代較遠(yuǎn)，荷載標(biāo)準(zhǔn)低，拱頂?shù)酌嬉殉霈F(xiàn)多條橫向裂縫、側(cè)面裂縫，并有CaO析出，拱腳有縱橫裂縫，均反映出結(jié)構(gòu)承載能力不足。
為提高橋梁承載能力，對跨中部位拱圈采取粘貼2層縱向碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)，并外包2層豎向u型碳纖維箍，以增強(qiáng)拱圈的抗彎剛度和整體受力性能。在拱腳采用增大截面法加固處理，即在拱背上鉆孔植筋，綁扎鋼筋網(wǎng)、澆筑30cm厚混凝土加固截面。
(三)T梁粘貼鋼板加固
大橋東岸引橋采用簡支磔，跨中下緣有結(jié)構(gòu)性裂縫出現(xiàn)，顯示結(jié)構(gòu)抗彎能力不足。加固方案為在T梁跨中區(qū)域的底部粘貼8 mm鋼板，并每隔2rIl’設(shè)置“u”型鋼箍，板厚6 mm。底部鋼板與“u”型鋼箍采用改性環(huán)氧豁結(jié)劑進(jìn)行粘貼，并采用化學(xué)錨栓對鋼板及“u”型鋼箍壓實(shí)緊固。
(四)體外預(yù)應(yīng)力加固鋼架拱
大橋主橋采用3跨剛架拱橋，跨徑布置為42.0m+54.0m+42.0m，中跨矢跨比1/10，邊跨矢跨比1/8。該橋主要的結(jié)村陛病害是跨中拱肋及橫系梁出現(xiàn)裂縫、結(jié)構(gòu)剛度偏小及壓應(yīng)力儲備不足。
考慮橋梁維修必須在不封閉主航道正常通航的情況下施工，因此加固方案采用“跨中增設(shè)體外預(yù)應(yīng)力十拱斜腿部分增大截面十橫系梁增大截面”的綜合處理措施。具體加固方案如下：
1．采用張拉體外預(yù)應(yīng)力鋼筋加固剛架拱跨中部分的拱肋，這樣可以在不中斷通航的情況下進(jìn)行加固施工。施工步驟是在縱梁與斜腿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置鋼錨固塊，對穿JL32精軋螺紋鋼筋并張拉預(yù)應(yīng)力。每片拱肋設(shè)置2根預(yù)應(yīng)力筋，每根預(yù)應(yīng)力筋張拉控制力為300kN，通過施加體外預(yù)應(yīng)力達(dá)到提高拱肋壓應(yīng)力儲備，增強(qiáng)拱肋抗彎剛度，最終提高剛架拱橋承載力的目的。
2．拱斜腿部分外套“u”型鋼模板，鋼模板與拱肋通過植鋼筋進(jìn)行連接，然后灌注C30自密實(shí)微膨脹混凝土，通過增大拱斜腿截面增加拱斜腿剛度，提高剛架拱橋承載力。
3．拱腳部位的橫系梁采用外包鋼板，通過內(nèi)填混凝土增大橫系梁截面，提高橫系梁剛度，加強(qiáng)拱的橫向聯(lián)系和整體剛度。
(五)混凝土表面缺陷修補(bǔ)
對橋梁上下部結(jié)構(gòu)、防撞欄、人行道等部位的混凝土表面缺陷病害(如破損、露筋、鋼筋銹蝕等)，可先對混凝土表面進(jìn)行鑿毛、清掃處理，對銹蝕鋼筋做除銹、阻銹處理，然后采用復(fù)合氨基醇水勝混凝土防銹浸漬劑對鋼筋進(jìn)行防護(hù)，其后采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)混凝土缺陷部位，最后對修補(bǔ)區(qū)域外表面涂刷聚合物水泥漿進(jìn)行外觀處理，保證修補(bǔ)處混凝土顏色與原混凝土接近。
對于混凝土結(jié)構(gòu)外表面出現(xiàn)的蜂窩、麻面病害，當(dāng)缺損部位面積不大時，對缺損部位做表面處理后，采用壓注灌注膠對蜂窩進(jìn)行修復(fù)，采用高分子樹脂材料對麻面進(jìn)行修補(bǔ)；當(dāng)缺損部位面積較大時，采用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，最后對修補(bǔ)區(qū)域外表面涂刷聚合物水泥漿進(jìn)行外觀處理。
(六)橋面系修補(bǔ)
鑿除破損、露筋的混凝土鋪裝層，采用鋼纖維混凝土對橋面鋪裝破損部位進(jìn)行修補(bǔ)處理。修補(bǔ)前鑿毛混凝土表面，涂刷界面膠，以增強(qiáng)新舊材料的結(jié)合，并對外露銹蝕的鋼筋做除銹、阻銹等防護(hù)處理。
五、結(jié)語
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和時代的進(jìn)步，人們對橋梁的結(jié)構(gòu)安全和耐久性能越來越重視，橋梁的常規(guī)和特殊檢測已納入政府建設(shè)管理部門的日常工作，針對各類不同橋梁結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)將會不斷發(fā)展，應(yīng)用也將日益廣泛。在保障橋梁結(jié)構(gòu)使用安全方面，建議應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)：
1．橋梁結(jié)構(gòu)的多樣性決定了結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害原因的復(fù)雜性，目前橋梁檢測手段}匕 一，再加上舊橋設(shè)計(jì)、竣工資料的缺失，導(dǎo)致判斷橋梁病害成因不夠準(zhǔn)確或誤判，使得橋梁結(jié)構(gòu)安全隱患沒有及早發(fā)現(xiàn)。建議有關(guān)部門應(yīng)從工程竣工資料的歸檔和有效管理抓起，為橋梁的安全監(jiān)控提供基礎(chǔ) 的技術(shù)資料。
2．結(jié)合各類新材料、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，業(yè)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)的研發(fā)工作，不斷提高橋梁補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)水平，以滿足各類橋梁結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用方面日益增長的需求。
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