道路路桥结构病害

李智

摘要：道路路桥日益肩负着十分沉重的交通荷载及繁重的交通量，车辆承载能力增大，车速相继提高，公路货物运输量、旅客运输量速度大幅攀升，路桥结构疲劳导致危桥数量呈逐年上升，加速了道路路桥结构病害的扩展，其病害防治以及维修加固面临着形势严峻。路桥结构病害主要包括裂缝、剥蚀、混凝土碳化及钢筋锈蚀、结构局部构造破坏及人为破坏等，因此有必要对道路路桥结构裂缝病害表现形式及其原因进行详细分析的基础上，利用先进的信息检测系统以及构建道路路桥管理信息系统进行检测预防，更有必要考虑对路桥结构进行联合加固，以达到优势互补，综合效果最优的目标。

关键词：道路路桥结构病害裂缝预防加固

中图分类号：U41

1 引言

改革开放30多年来，我国的交通事业迎来了高速发展时期。2010年，我国公路总里程达400.82万公里，五年新增66.30万公里。按照交通运输部“十二五”发展规划，至2015年，我国公路网总里程将达到450万公里。随着公路里程的迅速扩展，公路路桥总量也持续增加，1990年，我国公路路桥有16.85万座，而到了2010年公路路桥达到了65.81万座，比1990年增加了48.95万座，公路交通事业的迅猛发展对于促进我国区域经济发展起到了十分显著的作用。然而，我们也要看到，在道路路桥不断增多的今天，路桥结构病害的状况令人堪忧。有关数据显示，2010年我国65.81万座在用路桥约10万座须维修加固，占在用路桥总量的16％。

在众多限制道路路桥养护管理工作开展的因素中，路桥长期受到大自然的腐蚀、温湿度的变化以及车辆载荷、车辆频率、材料以及道理路桥结构的疲劳，加之人才队伍的匮乏、道路路桥病害防治的资金投入严重不足，包括部分技术瓶颈需突破，所以不容忽视。加之大型车和重型车的数量逐年增多，导致的公路交通阻滞，交通事故增多，因而要把道路路桥结构病害防治与加固提升到重要和突出的地位，确保路桥结构安全，减少对人民生命财产所构成的威胁。

2 道路路桥结构病害防治面临的形势严峻

随着科技进步、社会工业化水平提高，道路路桥日益肩负着十分沉重的交通荷载及繁重的交通量，危桥数量呈逐年上升，道路路桥结构病害防治面临着形势严峻。

2.1 繁重的交通量对我国道路路桥结构形成了威胁

我国的经济增长引起了世界瞩目，交通基础设施承受了巨大的压力，道路路桥结构病害防治任务及其艰巨。据国家统计局2005 -2011年全国年度统计公报数据，近几年来，公路完成货物运输量、旅客运输量速度大幅攀升，加速了道路路桥结构病害的扩展。2005 -2011年我国公路运输方式增长速度如表1所示：

从上表我们看出，最近几年来我国货物以及旅客运输量保持了较高的增长速度，这只是对于道路路桥结构形成威胁的一部分。实际上，我国私人汽车也得到了迅猛增长，2005年我国私人汽车保有量2365万辆，到了2011年私人汽车保有量达到了7872万辆，增长了3.3倍，除了造成城市交通堵塞压力，更是增加了道路路桥病害发生的机率。

2.2 我国危桥数量逐年上升

据交通运输部统计资料显示，随着我国经济社会的快速发展，道路危桥数量逐年上升（图1）。1990年我国桥梁总数为16.85万座增加到2010年的65.81万座，桥梁总数增加了3.9倍；1990年我国危桥总数为0.4万座增加到2010年的10万座，危桥总数增加了25倍；1990年我国危桥占比为2.37％增加到2010年的15.12%，占比增加了637个百分点，道路路桥结构病害防治刻不容缓，否则就会对人们的生命财产造成巨大的威胁。

资料来源：公路养护统计年报汇总表（省、自治区、直辖市），交通部公路司

2.3 道路路桥结构病害对国民经济发展的负面影响

路桥作为交通线路的枢纽，结构病害将直接影响路桥的使用功能，对国民经济产生极大的负面影响。由于我国危桥的数量不断增多以及桥梁结构病害现象比较严重，很多桥梁在预期寿命前达到使用寿命，加之设计不合理、自然侵蚀、结构疲劳以及人为破坏等等情况，都为道路路桥结构病害扩展埋下了巨大的隐患，因而我国路桥的经济与安全形势均不容乐观。在我国路桥出现结构病害趋势时需采取合理正确的技术措施进行控制，否则必将造成重大的经济损失。更为严重的是路桥结构病害在一些特定的情况下易导致桥毁人亡的安全事故，如2011年7月14日，建成不到12年、造价逾千万元的当地标志性工程武夷山公馆大桥倒塌，一辆旅游大巴车坠入桥下致1死22伤；重庆彩虹桥倒塌导致40人死亡，广东韶关特大桥坍塌导致32人死亡、59人受伤等多起严重的安全事故。

3 道路路桥结构主要病害表现形式及其原因

路桥结构的损伤会在路桥的不同部位造成不同的病害，而病害分布范围的不确定性又加大了对路桥病害预防与加固的难度，因此，对于加固措施应做到科学、合理安排。首先应对路桥结构的可靠性进行科学鉴定，然后在对加固方案进行广泛论证，认真编制加固方案设计、施工组织设计，并组织精干的施工队伍按照加固方案进行施工，验收要达到加固设计标准。路桥结构病害主要有裂缝、剥蚀、混凝土碳化及钢筋锈蚀、结构局部构造破坏及人为破坏等，我们下面主要对道路路桥结构裂缝病害表现形式及其原因进行分析。

3.1 剪切裂缝病害

混凝土梁体受剪力作用而产生剪切裂缝，也称斜裂缝或主拉应力裂缝，剪切裂缝的产生是因为梁体局部拉应力过大。剪切裂缝如果发展缓慢而只在受拉区，路桥结构是允许的；当裂缝接近受压区则不论其裂缝宽度或梁的挠度是否超过规范要求，都要加固。

剪切裂缝产生的原因有以下几个方面：

（1）设计方面的原因。设计人员在设计中比较关注正截面的强度，易忽视了主拉应力或者斜截面的强度。如果在施工中是在预应力现浇段边跨中没有设弯起钢束，就会产生由于边跨段的梁高比较大，而产生的反力也大，我们如果采取只是有竖向预应力和顺桥向来控制主拉应力，其设计达不到应有的效果，就会出现裂缝。

（2）施工方面的原因。在施工中的模板粗糙而导致浇筑时模板移位，原设计方案由于复板变薄而出现抗剪刚度降低的情况，还有工地施工中压浆时间拖延过长或者使对于竖向预应力张拉不足都容易导致力筋受到损害，另外，桥梁悬臂平衡挂篮浇筑施工中，出现了预应力筋的张拉顺序混乱以及未预压重，产生了垂直裂缝，致使构件结构零剪应力急剧上升，这些都是导致产生剪切裂缝的主要原因。

3.2 弯曲裂缝病害

弯曲裂缝又称垂直裂缝的形成，主要是因为混凝土梁体上承受弯矩的作用产生，在梁体弯矩最大截面处的受拉区易出现弯曲裂缝。它随着弯矩的增大而裂缝宽度也逐渐增大，裂缝的数量不断增多，长度不断延伸，并且该裂缝的区域会向构件的两端延伸发展。

弯曲裂缝产生主要原因有以下几个方面：一是设计因素、施工因素和后期荷载因素等。在设计时，由于对预应力筋配置不足，弯起束的摩阻损失过大，就会形成一些截面的有效预应力不足而出现弯曲裂缝；二是混凝土截面或是配筋不足而使梁体强度降低；三是施工时的施工荷载过大，没有严格执行施工工艺，澆铸时支架模以及板严重变形，加之施工程序不当、预应力施加不当等等原因，在路桥使用过程中，繁重的交通荷载大大的超过了设计荷载等级，这些都是弯曲裂缝产生的根本原因。

3.4 扭曲裂缝病害

扭曲裂缝的产生是由于混凝土同时受到了弯曲与扭转的共同的作用力而产生的裂缝。在扭曲的作用下，钢筋混凝土构件会产生多条裂缝，严重的时候会导致混凝土保护层的脱落。一般情况下，混凝土构件受到纯扭力的现象不是很多，主要是同时为扭曲、弯曲和剪切力的共同作用所致；扭曲裂缝的力学机理根据构件的扭曲、弯曲和剪切力组合所形成的裂缝形式分为扭型、扭剪型和剪型等三种类型裂缝。

4．拉壓裂缝病害

混凝土构件产生压曲裂缝是受到了强大的压力作用，而产生拉裂缝是构件承受的拉力超过了截面抗拉强度。压曲裂缝一般在桁架拱桥上发生得比较多，其部位出现了拱桥的压杆上和拱交处。压曲裂缝病害机理是由于杆件受到了压力，所产生的裂缝沿构件方向平行，裂缝的中间宽度最大并向外产生横向变形，随着荷载逐渐增大，最后使独立短柱形成分离而造成短柱的损害。在桁架拱桥的拉杆、双曲拱桥肋拱间的横向联系、简支梁桥的连续桥面包括一些杆件构件的接缝处很容易产生拉裂缝，其裂缝的表现形式为裂缝呈环状并贯穿整个构件；拉裂缝深度以及宽度均比较大。

拉压裂缝病害产生的主要原因是由于设计不当引起，在设计时，对局部构件的拉压应力设计过小，而使构件结构截面的强度满足不了应力的要求。拉压裂裂缝的危害比较大，它都会造成局部构件强度降低而造成短板效应，是构件结构整体强度降低。因此，我们在设计中，应重点注意和尽量避免拉压裂缝的发生。

3.5 局部应力裂缝病害

局部应力裂缝是由于构件结构受到了局部的拉 、压或者应力过于集中而形成，表现在路桥构件的梁体支座处、构件角隅处，由于受到了较大的局部压力、突然的局部冲击力而引起的裂缝，局部应力接缝会随着局部应力的形式不同而各异。局部应力裂缝出现的注意原因是设计时，对局部应力考虑不足而使局部的配筋过小，因此，我们设计时应该加强构造措施，比如，对局部应力进行详细分析的基础上增加配筋，也可以在截面突变部位设计承托等。另外，在施工中工艺不正确，如模板变形、施工操作不当也容易造成截面的突变而形成局部应力裂缝，此裂缝的形成对构件结构的刚度及强的影响不容忽视。

3.6 预应力裂缝病害

预应力结构力学性能较普通钢筋混凝土结构复杂。其结构能在无裂缝状态下工作，而工程实践中，预应力结构可产生形式多样的裂缝，其原因是预应力结构设计中不合理而导致局部应力或局部配筋不满足要求、二次应力过大等，以及施工操作的原因使预应力筋布局的改变，而产生的预应力结构性裂缝。

4 加大结构病害信息技术以及联合加固法技术措施的应用

对于路桥结构病害而言，有必要利用先进的信息检测系统以及构建道路路桥管理信息系统进行检测预防，更有必要考虑对路桥结构进行联合加固，以达到优势互补，综合效果最优的目标。

4.1道路路桥结构病害预防应积极推广应用检测系统

该检测系统主要运用混凝土强度试验锤、混凝土孔隙及裂缝探测器、钢筋探测器、钢筋锈蚀探测仪等桥梁检测仪器，通过检测系统的应用，可以达到以下目标。首先，可以尽早发现路桥总体结构或部位的缺陷，及时清除隐患，防止病状漫延，从而节省维护保养所需费用。其次，可以预防路桥坍塌，确保路桥安全使用。

当然，对于道路路桥结构病害的预防措施关键的还是要发挥工程技术人员的作用，建立制度化的、以预防为主的检测法规。在这其中，对于路桥缺损状况，主要采用以目估检查为主、借助仪器量测的监测方法。对于一般缺损能比较明显，能用目测鉴别的就不必借助仪器量测。

4.2 构建道路路桥管理信息系统

道路路桥管理是一门综合管理技术，它基于路桥结构工程、病害机理、检测技术和数据集成技术，通过运用计算机系统，对其数据处理、评价决策方法、管理学理论，并对现有路桥进行状况登记、评价分析、投资决策和状态预测，建立BMS系统，该系统集数据资源的收集、储存和处理等为一体，通过系统提供的各个模型和功能运行，使用户可以直观地了解现有路桥的过去、现在和未来若干年内的营运状况，从而做到合理安排有限的养护资金，能够及时、有效地和经济对路桥实施维修和养护，达到延长路桥使用寿命，充分发挥路桥的运营效能，确保交通运输安全和畅通。

道路路桥管理信息系统数据库，提供了路桥使用功能评定、人工智能处理子系统及加固对策。路桥使用功能评定是路桥的结构缺损状况、桥面交通适应性、荷载承重足够性和等三方面，同时考虑交通量、绕行距离、道路类别等条件来综合评价。通过对路桥现状评定，以确定路桥对路网的适应程度，从而为路桥的防治计划制定提供依据。

4.3 积极采用联合加固法技术措施

目前我国在旧桥加固改造技术的试验和研究方面进行了大量的工作，开展了旧桥的测试、路桥加固方法以及研究承载能力评估，提出了很多切实可行的加固技术方法。

（1）采用增加主筋、外包混凝土、现浇混凝土、喷射混凝土、加大主梁的截面尺寸，以及加厚桥面增加辅助构件等增大主梁截面面积的加固方法。

（2）通过增设支撑点来减少结构计算跨度，从而达到减少结构内力和提高承载能的增设支点加固法。

（3）通过钢板与被加固结构的共同作用来增强构件的强度，限制裂缝扩展，提高其刚度，改善钢筋及混凝土的应力状态，以达到提高承载能力的粘贴钢板加固法。

（4）使FRP与被加固结构形成整体、提高被加固结构的强度，限制裂缝的开展，达到提高承载力的粘贴FRP加固法。

（5）使体外预应力所产生的弯矩与原结构中的不利弯矩方向相反，改变原结构内力分布并降低原结构的应力水平，致使加固结构中所特有的应力滞后现象得以大部分或全部消除，并能减少或避免裂缝的出现，提高结构耐久性的体外预应力加固法。

（6）利用外包型钢对原构件混凝土的约束机理，来达到增强原构件强度和延性的目的，提高结构承载能力的外包钢加固法。

对路桥加固实行单纯采用一种方法，加固效果目标很难达到，有时甚至会失败。目前，许多工程采用粘钢-体外预应力联合加固的方法，取得了良好的效果。

粘钢-体外预应力联合加固法综合了两者加固的诸多优点，并将在道路路桥加固工程得到广泛应用，该项加固技术方法具有非常广阔的发展前景。其原因有以下两个方面：一是该项技术方法是将比较成熟的粘钢加固和体外预应力加固很好的进行了整合，加之施工工艺也比较简单，扩大了粘贴钢板或体外预应力单独加固旧桥的适用范围和应用条件，两种技术方法的结合使加固体系就比较完整、实用。二是随着车辆的不断增多和载荷等级的不断提高，道路桥梁、高架桥梁以及其它工程建设的混凝土结构都需要加固补裂和补裂。三是道路桥梁结构加固的设计原则是获得最高的性价比，所以路桥工程结构的加固费用不仅是看一次性的投入，而应从整体的角度来看，还要重点考虑今后路桥使用期间的维护费用。粘钢-体外预应力联合加固法的许多优势，为将来路桥病害防治中广泛应用联合加固技术提供了一个非常好的平台。

在将来的的道路路桥加固工作中，现有的路桥加固技术要受到许多受到限制，而粘钢-体外预应力联合加固法由于其自身的优点，在路桥结构和结构补强补裂的加固中，具有极大的竞争力。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。