桥面铺装与伸缩缝病害及其防治

2012-04-10李海峰董泽强李清富

河南建材 2012年1期

关键词：装层桥面主梁

李海峰，徐珂，董泽强，李清富

1郑州大学（450001）2河南德馨高速公路有限公司（476000）

0 引言

铺装层与伸缩缝作为桥梁构造的重要组成部分，其质量好坏、破损状况不仅影响行车的舒适程度,而且会对桥梁的安全性与耐久性造成严重影响。正确认识桥梁铺装层与伸缩缝病害并加以防治，对确保桥梁结构的安全运营，延长桥梁使用寿命具有重要意义。

1 桥面铺装病害及其防治

桥面铺装层是车辆直接作用的部分，它的主要功能有以下3个方面：①防止车辆轮胎或履带车直接磨耗桥面板；②保护主梁免受雨水侵蚀，延长桥梁使用寿命；③起到分布车轮集中荷载的作用。桥面铺装的破损将直接影响到桥梁使用功能的正常发挥，降低运营服务水平和桥梁结构耐久性，甚至导致行车安全事故和桥梁结构的破坏。

1.1 桥面铺装病害原因分析

1.1.1水泥混凝土铺装层病害原因分析

水泥混凝土铺装层的病害表现形式主要有：平整度欠佳导致行车舒适度差；桥面局部范围内的网状裂缝、坑槽以及空鼓；纵、横缝角部约45°的斜裂，纵向施工缝的啃边及纵裂等。造成水泥混凝土桥面铺装病害的原因较为复杂，包括设计、施工、材料及工程管理养护等方面。

1）设计考虑不周：①在进行梁体及行车道板的设计时，多数设计人员未考虑桥面铺装层对承载能力的影响，现行规范[1]中推荐采用8 cm厚的混凝土铺装层，工程界一直在各等级的公路中运用了几十年。实际上，桥面铺装部分或全部地参与了主梁的受力，是一个极其复杂的多向受力结构，若设计中考虑不当或未加考虑，都可能导致铺装层厚度偏薄，引起桥面铺装的病害。文献[2]的计算分析表明，铺装层厚4 cm与厚8 cm相比，混凝土中应力大致相等；当厚8 cm与厚12 cm相比时，拉应力约高20%；对厚8 cm铺装与主梁（20 m空心板及T梁）结合一起的分析表明[2]，单纯考虑铺装施工后由于铺装与主梁混凝土收缩的不一致，造成铺装与梁的结合面内剪应力及法向上拔应力接近临界状态，局部已超出规范容许值，造成了铺装的病害隐患,应力大的部位在桥宽1/3处,而纵横锯缝的交角处产生严重应力集中；②设计时，有时为减轻恒载，往往通过增加钢筋用量或采用高强度钢筋来减小桥面板的厚度，致使桥面板因刚度不足而导致抗变形能力较低,在重荷载的作用下引起较大的变形,从而使桥面铺装容易出现裂缝，造成桥面铺装的破坏；③随着材料工业的发展,桥梁承重结构的改进,使桥梁主梁能以较柔的结构形式满足受力要求，桥梁的横向亦越来越宽。但在设计中，人们往往侧重于主梁纵向的计算分析，对桥梁横向结构刚度重视不够，横向构造措施不力，使桥梁横向刚度过小，造成桥面铺装分担过多的次应力而产生裂缝。

2）施工控制不严：①桥面铺装层内钢筋网未按设计要求布设：施工过程中,进行钢筋网绑扎和浇注混凝土时,受施工人员、运输机具碾踏和混凝土拌合物自重压力的影响,均可引起钢筋位置发生变化,钢筋网往往紧贴桥面板,致使桥面混凝土变成了素混凝土，削弱了钢筋网的分布筋作用和承受荷载的能力,从而使桥面容易出现裂缝；②铺装层混凝土浇筑厚度偏小：由于桥梁上部结构在施工中支架的沉降及预应力反拱无法十分准确地预测，或由于施工工艺控制欠佳，施工中主梁顶面标高与设计值存在偏差，均可导致桥面铺装层厚度偏小，造成桥面铺装裂缝；③梁顶面清洗不干净,未全部凿毛：桥面铺装参与结构共同受力，要求铺装层与桥面之间必须有效地结合，若在施工过程中,由于主梁顶面被用作堆料场或临时通车而造成的严重污染没有彻底清理,梁体表面未凿毛或凿毛的密度和深度不够，都能降低铺装层与梁体之间的粘结力,使铺装层与梁体之间未形成整体，当混凝土收缩或温度变化时,铺装层与梁体间就产生了剪切破坏，加之雨水沿桥面裂缝下渗侵蚀,致使铺装层与梁体剥离而成为悬浮体,荷载不能有效传递至梁体，在没有足够的钢筋共同受力时,铺装层因不堪重负而产生网状甚至大面积破坏；④原材料及施工质量控制不严：原材料质量低劣、砂率过大、砂石级配差、水灰比控制不当、混凝土拌合物和易性差、施工时漏振、模板漏浆等,会使混凝土出现蜂窝、麻面、强度降低等现象,从而破坏铺装层的整体性,降低铺装层的抗裂、抗冲击、抗弯曲、抗耐磨能力。

3）管理、养护不善：混凝土结构良好的运营服务性能来自良好的养生，它需要优良的施工组织与计划来实现，而桥面铺装作为最后一个分部工程，其实际的施工计划常被某一目标工期所改变，施工单位忽视对混凝土的养护，在桥面铺装完成不久立即开放交通，致使桥面在强度不高、形变未稳定的情况下过早地承受外来重荷载的作用，从而造成桥面过早的损坏。另外,在使用过程中缺乏桥面铺装合理的养护规划，隐患发现不及时或对小的病害处理不及时，均可导致桥面铺装的严重病害。

1.1.2沥青混凝土铺装层病害原因分析

沥青混凝土铺装层的病害表现形式主要有：裂缝、推移、拥包、松散、坑槽和车辙等。导致沥青混凝土铺装层病害的原因可归纳为：1）铺装层内部产生较大的剪应力,引起破坏面不确定的剪切变形[3],或者由于铺装层与桥面板间粘结力差或者桥面存在软弱层(如水泥浮浆层)，导致抗水平剪力减弱，在水平方向上产生相对位移发生剪切破坏,导致推移、拥包等病害。2）因主梁跨度较大,在行车荷载作用下,梁板结构发生较大的振动,桥面铺装受桥梁结构的约束，边界条件与一般路面相差甚大,加之梁体的挠度、扭曲等变形的耦合作用而使铺装层产生裂缝，在雨水渗入后导致沥青混凝土面层的松散、坑槽等病害。3）桥面防水层的影响：由于柔性防水层的强度与主板和铺装层的强度有差异，它的存在使上部结构按模量形成刚—柔—刚的板体受力体系，中间柔性夹层会增大桥面板中部的板底拉应力[4]，处于防水层上的铺装层一经开裂，在车轮的动力荷载作用下，彼此间的缝隙越来越大，直到松散脱落。另外，防水层的使用使铺装层发生剪切破坏的机率大大提高。4）由于施工质量控制不严，沥青混凝土材料不合格，如沥青用量少或沥青加工温度高而失效所致沥青铺装表面石子极易脱落；集料级配不好,或碾压不充分，造成空隙率大，很容易出现坑洼；各层施工时清扫不完全,梁板上有泥土,混凝土上有浮土,造成各层之间不能联接为整体，沥青层底面存在拉应力,出现薄弱部位而产生桥面铺装层的过早开裂、剥落等早期病害。5）在使用中养护监管不到位,如桥面有积水不能及时排除，因渗漏和冻胀作用破坏铺装层和桥面板等受力结构,从而加剧形成破坏；车辆行驶超限问题大量存在,个别车辆超载严重,轴载远远大于设计,造成桥体超负荷，以及车速过快或在桥面上紧急制动,也会加速桥面铺装层破坏,在沥青铺装上产生拥包、推移和车辙等问题。

1.2 桥面铺装病害防治对策

1）设计时,应根据桥梁的结构形式、受力特点、公路等级、轻重型车辆的分布情况、气候等因素,确定桥面铺装应采用水泥混凝土还是采用沥青混凝土。对于那些受力结构刚度较小、震动较大、面层拉应力较大的桥梁，建议采用沥青混凝土铺装层或采用纤维混凝土铺装层。

2）配筋设计时,应适当考虑桥面铺装的实际受力状况，不仅要在整个面积上设置一定数量的钢筋网,还应重点考虑受拉区钢筋的布置,受拉区部分的桥面铺装应将钢筋加密，应保证足够的配筋量以抵抗混凝土本身收缩所产生的应力，另外，防止混凝土结构表面因温度变化引起开裂的构造钢筋间距应满足要求。

3）特殊位置应特殊处理,如伸缩缝、斜弯桥角部、预切缝两侧等处，都应采取相应的措施予以加强,以保证铺装层在这些部位不会首先遭到破坏。

4）混凝土桥面铺装层的强度应不低于主梁(板)的混凝土强度；应严格控制原材料的质量,各类原材料必须分批检验,确保各项指标合格后方可使用。

5）在进行桥梁上下部结构施工时,要严格控制施工标高，若标高有问题,按原设计不能保证铺装层的厚度时,可适当调坡或提高路线标高,以确保铺装层的厚度。

6）施工时应严格对原梁顶面进行清凿，行车道板顶面应凿毛至露出骨料3～5 mm，浇注铺装层混凝土前应用高压气泵或水枪彻底清理干净,凿除松动砂石、浮浆及各种油渍,以确保新旧混凝土粘结牢固。

7）桥面横向尽量采用整幅浇筑混凝土，不留施工缝；横向分幅施工时将施工缝设置在分车道标线处,必须确保钢筋在铺装层中的位置并使所有的横向钢筋穿过施工缝；纵向梁端增加桥面连续钢筋,伸缩缝之间不留工缝。

8）加强混凝土的养护,尤其是在夏季施工时，由于混凝土的水分蒸发较快,因而混凝土的养护显得更为重要；桥面混凝土尚未达到设计强度时不能开放交通；重视使用期间的养护管理，建立科学合理的养护管理制度。

2 伸缩缝病害及其防治

2.1 伸缩缝病害形式及危害

1）伸缩缝病害形式：伸缩缝的种类不同，病害形式也不一样[5]：①对接式伸缩装置：填缝材料老化、脱落、锚固件破坏、两侧混凝土破损;②钢制支承式伸缩装置：角钢与钢筋混凝土锚固不牢固，使钢板松动；缝内落进石块等杂物后，伸缩缝不能自由伸缩；梳型钢板伸缩缝在梳齿与承托板的焊接处出现裂缝,严重者出现剪断;③板式橡胶伸缩装置：橡胶板剥离、破损，预埋钢板外露、脱落、断裂、锚固螺栓剪断脱孔飞出，两侧混凝土开裂破损、出现坑槽;④支承式伸缩装置：密封橡胶带老化、脱落；在橡胶嵌条连接部位漏水；固定伸缩缝的混凝土出现裂缝、坑槽；伸缩缝按照标高与两侧路面有差异，引起伸缩缝处跳车;伸缩缝本身变形及螺栓脱落等造成早期损坏；⑤无缝式伸缩装置：桥面开裂、材料老化、漏水。

2）伸缩缝损坏的危害：①伸缩缝损坏反映到桥面上,使桥面出现坑槽,降低道路通行能力,甚至给车辆安全运行造成危害；②如出现伸缩缝挤死,轻则顶坏台背耳墙,重则挤坏梁头,使大梁报废；③由于伸缩缝橡胶条损坏,路面杂物掉落进伸缩缝,卡在缝内遇温度变化就会将梁头或台背挤坏；橡胶条损坏后如遇雨雪,大量雨水顺缝灌入桥头护坡,使护坡出现水毁现象。

2.2 伸缩缝破坏原因分析

伸缩缝损坏的原因可归纳为以下三方面：

1）设计方面：①选型不当是造成伸缩装置破坏的主要原因：在设计过程中只注重计算桥梁的伸缩量，并以此进行选型，往往对产品的性能了解不全面，忽视了产品的相应技术要求，导致设计不周，选型不当;②伸缩缝质量的好坏、寿命的长短,关键是锚固系统,而锚固的基础是过渡段的混凝土。在设计时，若将伸缩装置的锚固件置于桥面铺装层中,与主梁(板)的连接部分较少,这样的锚固方法在荷载作用下容易开焊、脱落,而且力的分布不容易传递,微小的变形可能发生大的位移,最终导致混凝土的黏结力失效。另外，过渡段混凝土的长度、厚度、强度,预埋件的位置及深度等技术要求都将直接影响伸缩缝的质量;③桥梁结构的刚度不足,当桥面板受到汽车荷载作用时,因翼板较薄,横向联系较弱,导致桥面板变形过大，也会影响伸缩缝的正常使用;④设计未对伸缩装置的后浇混凝土和铺装层材料提出严格要求或规定。

2）施工方面：①施工人员疏忽大意,对伸缩装置施工工艺重视不够,未能严格按照施工工艺标准和安装工序进行施工；②过渡段混凝土的施工过程不规范，加之养护不足,导致混凝土强度达不到设计要求,出现蜂窝、空洞等病害,受车辆荷载冲击作用时容易产生早期裂缝,影响混凝土的使用寿命；③桥梁施工与伸缩缝装置施工不能密切配合，桥梁施工单位往往不能按设计要求准确预埋预留件,为伸缩装置安装带来诸多不便，导致伸缩缝装置安装不平整或锚固体系连接不稳。例如，由于台背和梁端预留钢筋缺损，或是施工时运料车辆将预留锚固筋压坏，造成伸缩缝的钢筋与伸缩装置预留的锚固筋连接不够,浇混凝土后伸缩缝整体刚度不足。

3）养护管理方面：近年来,随着交通量及重型车辆的日益增加,桥梁结构受冲击的影响增大，加速了伸缩缝的破坏。同时,养护不到位,也加速了伸缩缝的破坏。如对伸缩缝内的杂物清理不及时,从而伸缩缝的正常伸缩受到影响；伸缩装置各部件由于老化而产生局部损坏,但又没能及时更换老化部件和维修局部损坏；桥梁超载行驶不能得到有效控制等。

2.3 伸缩缝病害的防治

1）合理选型：比较多年来伸缩缝的使用效果,从价格合理、施工安装方便、使用效果较好等多方面综合考虑,选用适合本工程的伸缩缝。

2）完善设计：建立健全设计监理制度，严把设计审批关。按照产品的技术要求，结合桥梁实际，对过渡段混凝土进行补强设计，提出详细施工安装注意事项和施工安装顺序。

3）合理施工：规范化施工，保证安装质量。重视施工工艺，严格按施工工艺标准和安装工序进行施工：伸缩缝安装人员要认真阅读、熟悉伸缩缝安装图。伸缩缝要定位准确,注意控制平整度,并且选择合适的温度条件进行安装。安装前要确保桥端缝隙中的杂物彻底清理干净,槽口清理尺寸要足够。施工中密切注意与伸缩缝安装有关的预埋、预留是否正确与准确,伸缩缝有关构件与预埋锚筋的焊接要符合规范规定。施工单位和监理单位严把质量关，保证伸缩缝的安装质量。加强养生工作,尽量避免出现早期裂缝。

4）加强管理,及时养护：工程竣工通车后，对伸缩缝的管理及养护就成为保证伸缩缝使用寿命的关键。有效控制桥梁超载行驶；及时清理散落在伸缩缝内的杂物；定期检查伸缩缝的工作情况，及时更换老化构件和维修局部损坏。