中小橋梁的空心板梁加固維修刻不容緩
2014-08-04
1. 前言
中國工程設(shè)計大師車宇琳先生在一次《橋梁》雜志年會上說：‘我國在大跨徑橋梁發(fā)展上成績十分卓越，工程項目和研究成果都不少，但也要關(guān)注數(shù)量和投資都占90﹪以上的一般性橋梁。這些橋梁單個工程的規(guī)模不大，但一條路線上的橋梁總和可不少，而其設(shè)計周期和施工期較短，加上施工技術(shù)水平偏低…’又有層層分包的問題存在，往往出現(xiàn)質(zhì)量事故的概率偏高。在2011年7月11日至7月19日，短短的九天內(nèi)全國發(fā)生四座橋梁垮塌事故，主要原因除存在設(shè)計和施工質(zhì)量問題外，加上某些人們的拜金主義、追求私利、罔顧法制、超重超載貨車運輸頻現(xiàn)，而且越來越嚴重。這樣的事故，今后還可能發(fā)生。故筆者對車宇琳大師與時俱進“一語中的”的觀點由衷贊同和支持。〝陽春白雪〞的特大橋梁固然為人們所樂道和欣賞，但事關(guān)千百萬平民百姓安全出行的“下里巴人”中、小橋梁，切望政府有關(guān)部門重視這件實事辦好。
2. 現(xiàn)有公路橋梁的基本概況和存在的問題
2011年是“十二·五”計劃的開局之年，僅公路建設(shè)投資就已超出7000億元，全國公路橋梁已達65．81萬座，總長達到3048﹒31萬米，僅“十一·五”比“十·五”就增加了32﹒15萬座，總長達1573﹒56萬米。我國自改革開放以來，開始了大規(guī)模的公路橋梁設(shè)施建設(shè)，其中除了大橋以外，中、小橋梁的數(shù)量約占90﹪左右，而中、小橋的上部結(jié)構(gòu)，大部為梁式結(jié)構(gòu)的有：板梁（基本為預(yù)制的空心板梁）、‘T’梁、鋼筋砼箱梁、組合箱梁等。在上海地區(qū)梁式結(jié)構(gòu)占全部橋梁總數(shù)的96.72﹪，而空心板梁占梁式橋總數(shù)的95.91％.華東地區(qū)至少占80﹪左右，成為城市或省道以下的主要橋梁形式。而很多大橋的匝道橋梁也常常采用這種短跨、價廉的鋼筋砼預(yù)應(yīng)力空心板梁，加上新中國成立以來所修建的大量舊橋運營期已經(jīng)有五、六十年了，一部分已步入“病害”多發(fā)期。再者，一大批20世紀80年代以前的公路橋梁，也已大部分不適應(yīng)交通運輸發(fā)展的需要，因其建橋時代的局限，設(shè)計荷載標準偏低，加上橋面窄小、功能老化、承載力不足等缺陷，程度不同地出現(xiàn)了各種各樣的病害，成了當前交通運輸潛在的安全隱患。即使20世紀末以前，改革開放以來所修建的中、小橋梁，一般雖然已充分考慮了當事當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的遠景和社會諸多方面的需求，也采用了當時的先進技術(shù)和材料，但仍存在很大程度上難以擺脫歷史局限性和當時經(jīng)濟狀況的制約、規(guī)范的滯后修改、選材不當、設(shè)計理念缺乏創(chuàng)新等都存在著不同程度的概念缺陷或不足，特別沒有充分估計到我國經(jīng)濟發(fā)展速度的持續(xù)高增長所帶來的運輸量相應(yīng)猛增長，于是各種大型、重型車輛與日俱增，隨之超重、超載的車輛也越來越多，勢必對橋梁帶來的損害和破壞也日趨嚴重，于是又有大批橋梁加入了維修、加固、改造的行列。面對數(shù)量龐大的舊橋、危橋，如欲全部推倒重建，既不科學(xué)，更不現(xiàn)實，即使在西方的發(fā)達國家也難以辦到，只能推倒一些無法加固或加固費用超過新橋的建安費用的危橋，才有意義。實踐證明，舊、危橋的加固、改造，無論是知識面或是設(shè)計的制約因素和工程風(fēng)險，都遠比設(shè)計和修建新橋大得多。故橋梁的養(yǎng)護、維修、加固、改造，因其內(nèi)容各異或程度不同，必將成為橋梁界的一門新興學(xué)科。當今現(xiàn)有橋梁的養(yǎng)護與維修、加固與改造，按需要和性質(zhì)可分成兩大部分，第一部分是養(yǎng)護維修的問題，主要是恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力，必須未雨綢繆并持之以恒及時去做好的常態(tài)工作，防止小隱患潛移默化發(fā)展成大的‘病害’。這里必須特別指出的是有的管養(yǎng)單位，在橋梁竣工通車后，就以為‘萬事大吉’沒有及時安排列出嚴格的檢測制度去跟蹤檢查養(yǎng)護，甚至很長一段時間束之高閣不聞不問，以為新橋在一定時間內(nèi)不必化精力和財力去管養(yǎng)，這是嚴重失職的行為。尤其在鄉(xiāng)村公路上的橋梁，具有專業(yè)隊伍管養(yǎng)的較少，又隨著城鎮(zhèn)化事業(yè)的發(fā)展，公路上的重載車輛增多，這些橋梁的技術(shù)狀況越來越差，以致變成危橋或垮塌的概率，也就會很大。美國在橋梁管養(yǎng)工作中得出了‘五倍定理’的經(jīng)驗教訓(xùn)，值得我們注意和參考的，就是：日常不投入1美元的養(yǎng)護費用，就會要化5美元去處治出現(xiàn)的小‘病’害，若不及時處治小病害而發(fā)展成較大弊病時，就得化25美元去維修，若再不及時采取維修措施就會變成危害主體結(jié)構(gòu)安全的嚴重問題，就得化125美元去徹底加固。
第二部分則是加固改造的問題主要是提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和適用條件，達到新的使用標準，來適應(yīng)交通運輸突出的發(fā)展趨勢要求，為此，必須要慎重提出新的設(shè)計概念，對結(jié)構(gòu)性能進行具有耐久性的改善和提高，與國家經(jīng)濟發(fā)展的形勢相適應(yīng)，也是保持交通建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的一項基本國策。今后的工作真是任重道遠。加固方案不外乎有：橋面鋪裝層加固法；增大梁體斷面配筋加固法；黏貼碳纖維或鋼板加固法；改變結(jié)構(gòu)體系加固法；體外增加預(yù)應(yīng)力加固法…等，已有很多資料介紹，不在這里贅述。下面主要針的對量大、年久的空心板梁的病害、病因及其維修、加固對策和措施提出一些分析和建議。
3. 中、小橋梁病害的主要成因及加固對策﹙空心板梁﹚
3.1 設(shè)計存在的問題和不足
原有空心板梁一般均有定型設(shè)計圖可供參考設(shè)計和制造，寬度為1米，標準跨徑為：6、8、10、13米等。非標準跨徑根據(jù)需要另行設(shè)計。后來發(fā)展的有：16米、20米或按需設(shè)計的預(yù)應(yīng)力砼空心板梁。空心板梁一般都是簡支梁，對于空心板梁而言，其病害的主要表現(xiàn)為：1.在正常的荷載作用下，板梁底部的鋼筋保護層厚度不足，可能出現(xiàn)未超限的裂縫，但大氣中的CO2和水氣會滲入，使鋼筋銹蝕，砼碳化；2.荷載設(shè)計標準偏低，實際荷載作用增大：其一是車輛活載超過設(shè)計荷載，導(dǎo)致裂縫擴大，變成了有害裂縫；二是恒載超重，設(shè)計時安全系數(shù)偏小，養(yǎng)護單位擅自增加瀝青鋪裝層的厚度。三是瀝青砼橋面鋪裝施工時，設(shè)計中忽略了震動壓路機開啟強震引起結(jié)構(gòu)共震產(chǎn)生的強大應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫擴大；四是板梁間企口鉸縫側(cè)面和頂面設(shè)計預(yù)埋的穿手連接鋼筋強度不足，這是設(shè)計中祗假定板梁間鉸縫祗承受豎向剪力，忽略了水平剪力及法向力作用，導(dǎo)致鋼筋被拉斷失去了梁間的整體受力作用，造成單梁受力，致使負荷過大，于是造成梁底出現(xiàn)大量橫向裂縫，嚴重時就會發(fā)生斷梁事故。同時相鄰梁間產(chǎn)生的彎矩相差過大時，也會引起相鄰板梁的鉸縫帶來相應(yīng)的破壞，當橋面的鉸縫砼鋪裝厚度偏薄或鋼筋網(wǎng)不足時，在沿梁與梁間鉸縫處因支撐剛度不同，勢必又會引起沿鉸縫處的砼鋪裝層縱向開裂也促使橋面出現(xiàn)縱向裂縫。
3.2 制造和施工質(zhì)量存在的問題
空心板梁一般都在工廠或工地制造，在工廠制造時，一般采用具有系統(tǒng)定型的鋼模板，尺寸都控制得很嚴，所以鉸縫企口尺寸偏差很小，成品梁的外形尺寸質(zhì)量可以得到保證，砼的配比、攪拌、澆筑、震搗均較規(guī)范。如果橋梁工地距離制梁廠不遠，就應(yīng)直接向制梁廠購置運到工地吊裝最為方便可靠了。然而很多中、小橋無奈距制梁廠很遠，祗能在工地自行小批量制造，由于支模過程中尺寸控制不嚴，常常導(dǎo)致板梁和企口本身以及鉸縫底部的承托厚度尺寸出現(xiàn)較大偏差。加上模板剛性不足，經(jīng)坼裝倒用變形嚴重，施工中螺栓固結(jié)不好，支模不牢、跑模變形，或測量放樣不準，模板加工尺寸不符要求等因素致使板梁企口及其上下寬度相差不大甚至等寬，不能形成鉸，以致不能橫向傳力，而形成單梁受力。再者如果板梁底部的承托厚度小于10厘米，往往也會因抗剪不足將砼剪壞而形成單梁受力。在澆筑板梁砼過程中，也常常未嚴格按施工工藝和操作規(guī)程辦事，級配不到位、粗骨料含泥量過多、水灰比過大、震搗不實、尤其在安裝空心氣模時，位置不準或充氣后發(fā)生位移，致使頂、底板或腹板厚度誤差過大，將使梁體受力不均勻。而在施工吊裝板梁前，常常出現(xiàn)梁體側(cè)面鑿毛不徹底，于是在澆筑鉸縫砼時，由于新、老砼齡期不同，因收縮而產(chǎn)生裂縫，就會降低鉸縫現(xiàn)澆砼與空心板梁側(cè)面的粘結(jié)力。特別要指出的是澆筑鉸縫砼時，雖然數(shù)量少，但質(zhì)量要求高，必須要按工序進行，應(yīng)先用水泥砂漿填好底縫，不能直接澆筑鉸縫砼，以免造成砼漏漿，形成蜂窩，導(dǎo)致砼強度降低。另外，鉸縫內(nèi)的構(gòu)造鋼筋因規(guī)格或數(shù)量不足，導(dǎo)致砼出現(xiàn)早期裂縫不僅降低了砼整體受力能力，而且會受到水和大氣中的污染氣體如：CO2、SO2、SO3等的侵入，鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞而銹蝕，隨著銹蝕厚度的增加，就會產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，砼裂縫嚴重擴大時，會使砼呈碎塊崩裂。如果防水工程不到位，問題就會更嚴重，詳見參考文獻[1]。
3.3 為避免單梁受力的弊端、梁體病害和做好防水、防腐、防裂工程的對策如下：
3.3.1單片梁的設(shè)計寬度應(yīng)小于車輛輪距間1.3米的寬度，這樣就可促使車輛的荷載祗少承壓在兩片梁上；
3.3.2為使多片梁聯(lián)成整體共同承受荷載，必須加強鉸縫內(nèi)的構(gòu)造鋼筋和梁頂穿手鋼筋的連接強度，為此，在梁的側(cè)面澆筑企口砼前應(yīng)拉毛并沖洗干凈，先在鉸縫底部用摻有水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的水泥砂漿填實，然后用小粒徑骨料的防水砼澆筑震實，再在梁頂面涂一層XYPEX濃縮劑﹙詳見參考文獻[2]﹚，防止鉸縫與梁頂之間的滲水能取得最佳效果。
3.3.3 加強橋面砼舖裝層的厚度與強度。橋面鋪裝層過早破壞的問題屢見不鮮，這是由于鋪裝層的厚度與強度過于薄弱，同時其與板梁砼存在齡期的差異，橋面砼鋪裝必然因收縮形成與梁頂之間的界面，且鉸縫與板梁間的縫隙處最薄弱，當橋面鋪裝層厚度和鋼筋網(wǎng)強度不足時，在此處沿著鉸縫方向產(chǎn)生縱向裂縫，必然就會降低其承受汽車活載的能力，同時引起滲水腐蝕鉸縫砼，導(dǎo)致鉸縫破壞。對其防治措施有三種辦法：一是采用高性能的SDS 鋼纖維砼，其厚度不小于10厘米；二是其中間按置鋼筋網(wǎng)片的鋼筋直徑不小于12毫米，間距不大于10厘米；三是在澆筑鋪裝層砼前，應(yīng)在梁頂面用水沖洗干凈并保持濕潤，最好鋪設(shè)一層厚度為20毫米的XYPEX水泥砂漿，使?jié)仓匿佈b層砼與梁頂砼牢固連接，避免出現(xiàn)縫隙，這樣既保證了強度又起到了最佳的防水效果。
3.3.4做好橋面排水工作，做設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)當?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最大雨量，合理地設(shè)置橋面的縱橫向坡度，保證雨水不匯聚在橋面上能隨時排出。邊梁與地袱交會處的形成的縫隙，可用XYPEX水泥砂漿勾縫，做成流水槽，通過橋墩旁的排水管道排向地下雨水管道。
3.3.5空心板梁兩端下表面封堵的砼板縫隙，可用XYPEX濃縮劑涂刷兩遍，就可確保雨水不會浸入梁體內(nèi)。
3.3.6 對于橋面連續(xù)縫和伸縮縫處的防水措施，建議可采用柔性延展性較好的聚脲防水材料來處理較為可靠，不在這里贅述。
3.3.7 為了改善全橋梁體的受力狀態(tài)及防水效果，一般有兩種對策：一是變簡支梁為連續(xù)梁，在橋墩上的板梁端部接縫處填充防水砼、并在相應(yīng)位置的鋪裝中增加承受負彎矩的粗鋼筋形成連續(xù)結(jié)構(gòu)；二是將橋面鋪裝層加強改為連續(xù)結(jié)構(gòu)。
3.3.8對于小于0.25毫米的裂縫，以前一般均采用水泥砂漿或環(huán)氧砂漿表面涂刷，可以達到表面封閉的效果，但縫隙內(nèi)的水分，特別是貫穿底板的縫隙來自空心部分滲人的水分無法排除，近年來上海郊區(qū)公路和中國第一條高速公路的橋梁主要應(yīng)用CCCW材料—XYPEX﹙賽柏斯﹚濃縮劑防水材料涂刷都取得了非常良好的效果﹙詳見參考文獻[3]﹚。
3.3.9對于超過縫寬限制的裂縫，必須查明裂縫原因。在消除病害原因后，對小于0.4毫米的裂縫，仍可采用上述材料和方法進行封縫。對大于0.4毫米的裂縫，需將裂縫鑿成25～30寬、35～70毫米深的U形槽，在縫槽沖洗干凈后，采用水料比為1：6的料團塞緊填平，
并在2～3天內(nèi)，用水霧濕潤養(yǎng)護。
3.3.10 對震動壓路機引起的和偶然超載引起的裂縫，如今后不再超載，可采用上述方法維修。否則就應(yīng)黏貼碳纖維布或鋼板進行加固。
3.3.11 對鋪裝層加厚，梁體強度低的原因產(chǎn)生的裂縫，經(jīng)驗算采用上述材料、方法維修后承載力仍達不到設(shè)計要求時，還要進行黏貼碳纖維布加固。
3.3.12 對由于鉸縫分離增大單梁受力的原因產(chǎn)生的裂縫，必須翻修鉸縫并增強橫向連接功能后，用上述材料、方法維修加固。有條件時，宜全橋面改建，如上述3.3.3的辦法，這樣，可不挖清鉸縫內(nèi)砼，只需要保留外露箍筋和適當增加植筋，達到增強橫向連接，使各片梁受力更為均勻，這是徹底解決鉸縫分離的最好方法。上海外環(huán)線溫藻浜橋中，就有一片梁由于鉸縫分離，出現(xiàn)荷載作用后，該梁下?lián)?，而相鄰梁片均不下?lián)系默F(xiàn)象。采用上述措施后，相鄰梁片共同受力，下?lián)虾苄?，完全在可控的彈性范圍?nèi)。
3.3.13對芯模上浮，經(jīng)檢測板梁頂板的實際厚度，須驗算是否需要換梁或加固，具體辦法：鑿去該處的橋面鋪裝砼，在梁上植筋或焊鋼筋增強板梁與新澆橋面鋪裝砼的結(jié)合能力，使其成為組合結(jié)構(gòu)，提高抗彎能力，并采用吊模法將上浮部分損失的砼截面自上而下重新澆筑。
3.3.14對于火災(zāi)引起梁體砼及鋼筋強度降低，經(jīng)評估高溫對梁體承載能力的影響后，如確定不需換梁，則可采用如下步驟的加固維修方法：
﹙1﹚鑿除已損傷的砼直至結(jié)實的砼表面，在清除粉灰塵后，加焊適量補強鋼筋，再涂刷滲透型鋼筋阻銹劑如： Clonie754銹蝕轉(zhuǎn)化劑涂刷鋼筋，該材料可在除去鋼筋表面銹蝕的同時使鋼筋表面生成一層黑色防銹層。
﹙2﹚用高壓水將表面殘留物沖洗干凈，并保持砼表面濕潤，然后在鋼筋表面及周圍涂刷XYPEX濃縮劑，利用該材料對鋼筋周圍砼滲透結(jié)晶作用，使鋼筋周圍砼致密持續(xù)保持堿性環(huán)境，防止水、鹽及其他有害化學(xué)物質(zhì)接近鋼筋，形成對鋼筋的第二道防蝕線。
﹙3﹚采用噴射比梁體砼標號高一級的砼補強施工方法或聚合物砼噴射到梁底板，并建議用XYPEX配套的‘盈賽得’抗?jié)B多功能干混砂漿﹙N2000型號﹚，使用時只需在現(xiàn)場加入15％的水，攪拌均勻就抹平使用。其濕界面粘結(jié)力達到2.3Mpa,28天抗壓強度達到25Mpa.具有良好的抗?jié)B性、抗裂性，對鋼筋形成第三道防線。
砼結(jié)構(gòu)是多空性物體，其密實度一般在75％～90％之間，而砼體內(nèi)的水泥顆粒完全水化、半水化、未水化大約各占三分之一左右，所以當今對提高砼的密實度、防各種病害如：砼的碳化、堿骨料﹙AAR﹚反應(yīng)、凍融循環(huán)、…等造成的裂縫以及溫度、收縮、應(yīng)力…等因素產(chǎn)生的裂縫，都將會對鋼筋發(fā)生銹蝕危害，嚴重時勢必導(dǎo)致梁體破壞甚至斷裂。看來，裂縫是病因，鋼筋銹蝕是惡果。我們再不能認為對出現(xiàn)的裂縫只要不大于一定的寬度和深度是無害的了，由于這種錯誤觀點，業(yè)已導(dǎo)致不少小隱患潛移默化變成了大病害橋梁的惡果。
4. 結(jié)語
中、小橋梁采用砼空心板梁，在全國不同等級的公路橋上數(shù)量特多，發(fā)生病害的概率也較高，如果對此不引起高度的重視，及時采取有效的搶救措施，則跨橋的惡性事故將會繼續(xù)出現(xiàn)。各省、市、縣橋梁管理養(yǎng)護部門應(yīng)確保不發(fā)生橋梁垮塌事故作為工作最重要的職責(zé)和底線，是義不容辭的。所以除設(shè)計部門也應(yīng)重視外，養(yǎng)護單位應(yīng)及時有的放矢、“對癥下藥”有效做好維修、加固工作，確保交通運輸安全暢通。本文僅供拋磚引玉之用，希望同仁們共同探討，創(chuàng)造出更多、更新、更好的橋梁檢測、養(yǎng)護、維修、加固、改造的辦法和對策，造福于社會。
《橋梁風(fēng)險評估與安全管理暨檢測維修加固創(chuàng)新技術(shù)研討會論文集》2013年
參考文獻
[1]朱海濤：〝鋼筋混凝土橋梁病害的主要成因及修補加固范例〞2008年5月《第十八屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集﹙下冊）》人民交通出版社
[2]朱海濤：〝一種高性能、高性價比、標本兼治的 CCCW材料—XYPEX〞2012年5月《第二十屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集﹙下冊）》人民交通出版社
[3]馬廣德：〝上海公路橋梁常見病害及維修對策〞。《上海藍德公路工程設(shè)計咨詢計有限公司》
