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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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