常見橋梁病害的形式及成因
2010-11-16
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和道路運(yùn)輸事業(yè)的日趨繁榮，人們對高等級(jí)、高標(biāo)準(zhǔn)的公路交通的需求也日益增加，因此，全國各地的公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修事業(yè)的發(fā)展也非常迅速；新建工程已有比較豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，在此不加細(xì)說，但養(yǎng)護(hù)維修項(xiàng)目，尤其是大型橋梁的養(yǎng)護(hù)維修業(yè)務(wù)卻是近幾年才逐漸發(fā)展壯大起來的熱門行業(yè)，其受重視的程度也越來越高。橋梁是公路交通系統(tǒng)中的重要組成部分，在公路運(yùn)輸事業(yè)中有著舉足輕重的地位，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，給國家和人民造成的損失將是巨大的。所以，主管部門都把橋梁維修養(yǎng)護(hù)工作擺在了極為重要的議事日程上來。
橋連四海，路通八方，橋梁的興建與暢通，促進(jìn)了人類社會(huì)的文化和經(jīng)濟(jì)生活的繁榮與發(fā)展。但是橋梁一旦發(fā)生倒塌事故，就會(huì)帶來巨大的損失和災(zāi)難。近些年，人們已經(jīng)開始注意到了各種病害正在不同程度地侵?jǐn)_著我國正在服役的30多萬座既有橋梁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國存在安全隱患和耐久性問題的橋梁約占總數(shù)的50%，個(gè)別地方甚至超過了70%，在這些橋中危橋又占20%～30%，約有9597座。如何對這些既有橋梁做出正確的檢測、評估及加固，目前理論上尚沒有很好的解決辦法，究其原因，主要是對病害及其發(fā)生機(jī)理缺乏系統(tǒng)、清楚的認(rèn)識(shí)。
1.橋梁病害的主要形式
鋼筋混凝土橋梁的病害主要有下列幾種形式：
1.1裂縫裂縫是鋼筋混凝土橋梁中最普遍、最常見的病害之一，不產(chǎn)生裂縫的橋梁幾乎沒有。而且裂縫往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。裂縫對鋼筋混凝土橋梁的危害程度不一，嚴(yán)重的裂縫如貫穿縫、網(wǎng)裂等將會(huì)嚴(yán)重危及橋梁的安全運(yùn)行。另外裂縫往往也會(huì)引起其它病害的發(fā)生與發(fā)展，如鋼筋銹蝕、凍融破壞等，這些病害與裂縫形成惡性循環(huán)，會(huì)對橋梁的耐久性產(chǎn)生很大的危害。
1.2混凝土碳化及鋼筋銹蝕混凝土碳化及鋼筋銹蝕現(xiàn)象在鋼筋混凝土橋梁中普遍存在。當(dāng)混凝土炭化和鋼筋銹蝕程度日漸嚴(yán)重后，橋梁必然會(huì)產(chǎn)生較多的順筋裂縫，這會(huì)造成橋梁使用安全性降低和使用壽命縮短。
1.3剝蝕剝蝕是從混凝土的外觀破壞形態(tài)著眼，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面混凝土發(fā)生蜂窩麻面、露石、酥松起皮和剝落等病害的統(tǒng)稱。根據(jù)不同的機(jī)理可分為凍融剝蝕、沖磨和空蝕、水質(zhì)侵蝕、風(fēng)化剝蝕等。
1.4結(jié)構(gòu)構(gòu)造的破壞在鋼筋混凝土橋梁中，由于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位構(gòu)造不合理、施工中存在問題或年代久遠(yuǎn)等而引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)造老化、失穩(wěn)、變形過大等已在一定程度上影響了橋梁的安全運(yùn)行。
1.5地基不均勻沉降引起的破壞由于地基不均勻沉降引起的破壞對結(jié)構(gòu)的影響也比較大，如翼墻和錐坡的下沉、滑動(dòng)、開裂，毛石墩臺(tái)的貫通縫等。
2.橋梁病害機(jī)理分析
2.1裂縫當(dāng)混凝土中拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度或拉應(yīng)變大于其極限拉應(yīng)變時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生裂縫。橋梁裂縫又主要有以下幾種。
首先，超載裂縫。超載裂縫有可細(xì)分為：
?、倬謮毫芽p：當(dāng)設(shè)計(jì)的混凝土抗壓強(qiáng)度不夠或超載使用時(shí)，在承壓應(yīng)力大部位，由于出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，常常導(dǎo)致產(chǎn)生局壓裂縫，甚至?xí)植繅核?。特征：局壓區(qū)出現(xiàn)大體與壓力方向平行的多條短裂縫。
?、趶澢芽p：當(dāng)受拉區(qū)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)往往出現(xiàn)彎曲裂縫。特征：彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊緣開始出現(xiàn)橫向裂縫，逐漸向中和軸展；用螺紋筋時(shí)，裂縫間可見短向次裂縫。
其次，網(wǎng)裂。當(dāng)混凝土出現(xiàn)縱橫相交的不規(guī)則裂縫時(shí)，稱為網(wǎng)裂或龜裂。主要有以下情況：
?、倩炷翑嚢琛⑦\(yùn)輸時(shí)間過長，使水分蒸發(fā)，引起混凝土澆筑時(shí)坍落度過低，使混凝土出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。
?、诨炷脸跗陴B(yǎng)護(hù)時(shí)，由于澆水不足或不及時(shí)或遇大風(fēng)天氣施工，混凝土表面急驟干燥，出現(xiàn)塑性收縮狀態(tài)，會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，一般深度較淺。
再次，鋼筋銹蝕引起的裂縫?；炷林袖摻畎l(fā)生銹蝕后，其銹蝕產(chǎn)物的體積比原來膨脹2～4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。當(dāng)膨脹應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫稱為鋼銹裂縫。鋼銹裂縫一般都為沿鋼筋長度方向發(fā)展的順筋裂縫。
2.2混凝土碳化及鋼筋銹蝕混凝土碳化及鋼筋銹蝕現(xiàn)象在橋梁中比較普遍。也比較嚴(yán)重。調(diào)查表明，當(dāng)碳化深度接近或超過混凝土的保護(hù)層厚度時(shí)，混凝土內(nèi)的鋼筋已銹蝕。凡裂縫多、混凝土質(zhì)量差的橋梁，其鋼筋銹蝕程度也必然嚴(yán)重，產(chǎn)生的順筋裂縫也特別多。隨著鋼筋銹蝕的發(fā)生，混凝土開裂、剝落，鋼筋和混凝土的粘結(jié)力就不斷喪失，鋼筋截面積就減少，承載能力下降，從而降低了結(jié)構(gòu)的安全度，結(jié)構(gòu)損壞事故就可能發(fā)生。
2.3剝蝕根據(jù)不同的機(jī)理，剝蝕可分為凍融剝蝕、沖磨和空蝕、水質(zhì)侵蝕、風(fēng)化剝蝕等。
首先，凍融剝蝕：是指在水飽和或潮濕狀態(tài)下，由于溫度正負(fù)變化，結(jié)構(gòu)物的已硬化混凝土空隙水結(jié)凍膨脹，融解松弛，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，造成混凝土由表及里逐漸剝蝕的破壞現(xiàn)象。凍融剝蝕破壞會(huì)使鋼筋混凝土橋梁的墩臺(tái)、梁板、樁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，并誘發(fā)鋼筋銹蝕，加速老化過程，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的承載能力和穩(wěn)定性下降。
其次，沖磨和空蝕。空蝕破壞一般表現(xiàn)為在流過的墩臺(tái)上表面局部位置出現(xiàn)空蝕剝蝕坑，但其它部位完好，蝕坑深度有時(shí)達(dá)幾厘米；沖磨剝蝕一般面積較大，并具有一定的連續(xù)性。沖磨和空蝕破壞發(fā)展到一定程度可能誘發(fā)大面積的水力沖刷破壞。
再次，水質(zhì)剝蝕：包括硫酸鹽侵蝕；酸侵蝕；堿類侵蝕。
最后，風(fēng)化剝蝕：這是一種普遍的剝蝕現(xiàn)象，危害都不大，均為輕微剝蝕。
2.4結(jié)構(gòu)構(gòu)造的破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)造的破壞主要出現(xiàn)在伸縮縫和支座兩個(gè)部位：
首先，伸縮縫：破壞特征為由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料老化和施工的因素造成接縫處不平、跳車、滲漏的現(xiàn)象。
其次，支座：破壞特征為由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料老化和施工的因素造成支座偏位以至支撐不穩(wěn)、墊塊壓碎、功能喪失。甚至引起其他病害。
2.5地基不均勻沉降引起的破壞這類病害除上述由于地基不均勻沉降引起的橋梁墩臺(tái)的裂縫外，主要還有翼墻和錐坡的下沉、滑動(dòng)、傾斜、開裂、毛石墩臺(tái)的貫通縫、塊石松動(dòng)等。由于各種施工原因造成的橋頭跳車也歸納到此部分。
橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以承受作用于其上的重力和附加力；結(jié)構(gòu)各部必須具有足夠的剛度，以使其在荷載作用下不產(chǎn)生過大的撓曲和變形；結(jié)構(gòu)各部尺寸必須具有適當(dāng)大小，以使其承受軸向壓力時(shí)的構(gòu)件不發(fā)生屈曲，喪失穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)構(gòu)也要具有較高的耐久性。由于作用荷載的隨機(jī)性、材料強(qiáng)度的離散性、制造與施工質(zhì)量的分散性、計(jì)算假定的近似性，致使在長期使用過程中橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害。
