浅议公路桥梁中病害的预防及治理方法

秦 彬彭 琼

（1.甘肃省交通工程建设监理公司，甘肃 兰州 730030；2.甘肃兴陇交通工程监理有限责任公司，甘肃兰州 730030）

0 前言

过去的30年，我国开展了全球最大规模的桥梁建设。1980年底我国公路桥梁总数130003座，合计总长3686111延米；2011年底桥梁总数已达658126座，合计长度30483094延米。换句话说，30年间每年平均新建桥梁17604座（计893233延米）。国家高等级公路网络的完善，支撑起国民经济的持续快速发展，也便利了老百姓的出行。

另一方面，如此大量的新建桥梁投入使用带来了养护管理的繁重任务。大规模建设中建设队伍的技术素质参差不齐、管理粗放、合理工期得不到保证等现象，导致了一些工程过早地出现“病变”。例如：混凝土劣化、钢线材腐蚀、构造细部与附属设施病害等质量通病[3]。与此同时，“大交通量、超重超限、高速行驶”的新形势，对桥梁安全服务造成了新的威胁。

本文通过具体的工程实践，探讨桥梁裂缝的形成以及检测、维修与预防的方法、方案，为解决新老桥梁建设和使用中的质量病害问题；保证结构安全，延长使用寿命，充分发挥建设桥梁的社会和经济效益。

1 桥梁的基本组成

桥梁由“五大部分”和“五小部分”组成。

“五大部分”是指桥梁承受汽车或其他运输车辆荷载的桥跨上部结构与下部结构。其中包括桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台、墩台基础，前两个属于桥跨上部结构，后三个属于桥跨下部结构。

“五小部分”是指直接与桥梁服务功能有关的部件。其中包括桥面铺装、排水系统、防撞栏杆、伸缩缝、照明系统。

2 桥梁的主要病害与分析[2]

从桥梁的基本组成来看，桥梁作为一个跨越江河湖泊、山谷深沟、其它障碍物及保障道路连续性的人工构造物，每个部分的各种病害都不同程度的影响它的功能和使用寿命。从现役桥梁的使用中出现的病害总结出以下几种：

2.1 裂缝

裂缝是钢筋混凝土桥梁中最普遍、最常见的病害之一，不产生裂缝的桥梁几乎没有。而且裂缝往往是多种因素联合作用的结果。

2.1.1 混凝土结构裂缝类型和成因

混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的，混凝土结构产生裂缝的原因很多，大致归纳为两类：

结构性裂缝又称荷载裂缝，是由外荷载引起的裂缝。由于结构在荷载作用下，混凝土内部产生的拉应力达到混凝土极限抗拉强度时产生的裂缝。桥梁工程中大量采用的受弯构件，结构性裂缝主要表现为弯曲裂缝和剪切裂缝。

弯曲裂缝是指在弯矩作用下，混凝土拉应力过大而产生的裂缝，一般出现在承受弯矩较大梁段的受拉区，如简支梁跨中梁段下缘受拉区，连续梁跨中梁段下缘和支座处上缘的受拉区。剪切裂缝是指在剪力或剪力与弯矩共同作用下，因主拉应力过大在腹板两侧产生的裂缝，一般出现在承受剪力较大的支点附近截面及同时承受剪力和弯矩均较大的梁段。

非结构性裂缝的产生，多是受混凝土材料组成、浇筑方法、养护条件和使用环境等多种因素影响所致。

收缩裂缝中干缩是指在混凝土凝固过程中，混凝土中多余水分蒸发，引起的体积缩小。凝缩是指在水泥和水发生水化作用，逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密、体积缩小。混凝土的收缩以干缩为主，约占总收缩量的80%～90%。温度裂缝是指钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形收到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当其达到混凝土的抗拉强度极限值时，混凝土就会出现裂缝。

2.1.2 裂缝对混凝土耐久性的影响

裂缝与钢筋腐蚀相互作用，将导致混凝土结构耐久性进一步退化的恶性循环。钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯离子侵蚀及水分、氧气的存在条件是分不开的，提供这种条件的通道一个是毛细孔道，而另一个是裂缝。混凝土开裂后，钢筋的腐蚀速度增大，产生腐蚀物体积膨胀，继而产生顺筋裂缝，进一步扩张裂缝。最终导致混凝土结构耐久性不断退化，如此往复，结构终将破坏。

混凝土裂缝存在，降低表层的混凝土保护作用。混凝土表层的细微裂缝一旦进水，也会由于表面张力的作用而将十分保留在其中。经过冻融循环，裂缝进一步扩展，将导致钢筋腐蚀，混凝土耐久性降低。

2.2 混凝土碳化

混凝土碳化是指混凝土中的氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳或其它酸性气体发生化学反应，碳化的实质是混凝土的中性化。水泥在水化过程中产生大量的氢氧化钙，使混凝土内部的孔隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其pH值为12～13。在这样高的碱性环境中，埋置在其中的钢铁容易发生钝化作用，使钢筋表面生成一层难溶的三氧化铁和四氧化三铁，通常称为钝化膜。它能阻止混凝土中钢筋的腐蚀。当有二氧化碳和水汽从表面通过孔隙进入混凝土内部时，将和混凝土中的碱性物质发生中和反应，导致混凝土的碱性降低。当pH值小于9时，埋置在混凝土中的钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生腐蚀。

一般认为，混凝土孔隙率越小，渗透性越差；密实性越好、氢氧化钙含量越大，则混凝土的抗碳化性能就越好。影响混凝土密实性和碱性储备的因素十分复杂，除了受周围环境因素和施工因素的影响外，还与混凝土的材料成分有关。

2.3 钢筋锈蚀

大量的工程实践表明，钢筋腐蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。钢筋腐蚀伴随着体积膨胀，使混凝土表面出现顺筋裂缝，造成钢筋与混凝土之间黏着力的破坏，钢筋截面面积减少，构件承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果。

2.3.1 混凝土碳化引起的钢筋腐蚀

混凝土的中性化使失去钝化膜保护的钢筋，在氧气和水的作用下发生电化学反应，使钢筋表面的铁不断失去电子而溶于水，钢筋逐渐被腐蚀，反应生成的氢氧化铁进一步氧化形成铁锈。铁锈体积膨胀，将引起混凝土开裂。

2.3.2 氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀

氯离子是极强的去钝化剂，它一旦进入混凝土内到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH值迅速降低，破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋腐蚀。氯离子虽然不构成腐蚀产物，在腐蚀反应中也不消耗，但是腐蚀的中间产物对腐蚀反应起催化作用。

混凝土中的钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀，混凝土保护层出现顺筋裂缝，使钢筋与混凝土的黏结力下降，钢筋截面面积减少，随着时间的推移，结构受力性能将进一步恶化，严重影响结构的耐久性。

2.4 混凝土碱集料反应

混凝土中某些活性矿物集料与混凝土孔隙中的碱性溶液之间发生的反应。影响混凝土碱集料反应的主要因素是：混凝土碱的含量、集料本身有无反应活性和孔隙中的水量。碱集料反应一般发生在构件受雨水或渗水侵蚀和湿度变化的部位。碱集料反应引起混凝土结构破坏的速度和破坏程度，比其他形式的破坏更快、更严重，可使混凝土结构发生整体性变形、变位等现象。有时也称是混凝土结构的“癌症”。

2.5 结构构造的破坏[3]

结构构造的破坏主要出现在伸缩缝和支座两个部位：首先，伸缩缝：破坏特征为由于设计不当、材料老化和施工的因素造成接缝处不平、跳车、渗漏的现象。其次，支座：破坏特征为由于设计不当、材料老化和施工的因素造成支座偏位以至支撑不稳、垫块压碎、功能丧失。甚至引起其他病害。

3 桥梁病害的预防及治理

3.1 病害预防

钢筋混凝土桥梁，在设计细节上考虑周详有足够的安全系数保证，施工工艺上缜密严格，材料选择和级配上达标，严格按操作规程办事，不应有病害发生。中国20世纪50年代的重大工程——武汉长江大桥通车后，8个水中桥墩均被船碰撞过，迄今有70多次，均未发现有危及桥梁安全的隐患存在[1]。从现实来看，混凝土等级提高了，却很难做到这一点。现在大桥建设费用越来越高，而工程质量却越来越差。在过去30年中，我国开展了最大规模的桥梁建设。大规模建设中建设队伍技术素质参差不齐，管理粗放，再加上各地方的行政干预，工程质量往往得不到保证。比如有些设计单位不经过详细的调查、勘探及计算，套用图纸；有些施工单位管理不合理，施工工艺不严，选材不当，质量监管松弛；有些检测单位不能以真实数据说话；还有些养护单位不能真正履行职责，这些都能导致桥梁的病害产生以及发生次生灾害。有统计，从1999年至今短短10多年间，全国发生的较大桥梁垮塌事故就有30多起。根据我国以民为本的国策，在混凝土桥梁建设过程中，提出“建养并重”与“建护并重”的方针，这以预防为主无疑是与时俱进的！

如何预防？这是一个值得思考的问题。笔者有几点建议：（1）加强管理。建立健全工程建设法律法规，完善工程管理体制与机制，建立严格的奖罚制度。认真落实各管理制度，我们不能只是嘴上说说而已，也绝不能把体制机制放在责任前面。（2）及时监测。检测混凝土的内在质量、外观质量，钢筋保护层等，及时进行桥梁施工监控，及时反馈。（3）责任心。笔者以为责任心才是每个桥梁人的脊柱，我们必须时刻谨记桥梁工程事关国计民生，从设计到施工、从施工到通车，中间每个环节都至关重要。

3.2 病害治理[1-2]

对桥梁结构进行病害检测分析和鉴定评估的基础上，根据技术经济条件和使用要求，科学的选择加固方法。从我国桥梁加固的现状来看，粘贴钢板、粘贴碳纤维布和增大截面面积是采用最多的方法[1]。粘贴钢板、碳纤维这些都属于被动加固，现在有很多研究表明，粘贴钢板对裂缝的进一步发展有一定的限制作用，而对提高结构的耐久性作用一般，因为后加的补强材料的应力发挥取决于原梁的变形，变形越大则应力发挥越大。所以造成补强材料的高抗拉强度很难发挥出来，势必也是一种浪费。现如今预应力主动加固法指对布置在被加固构件受拉区的后加补强材料施加预应力，提高了原梁的承载力和抗裂性能，同时也解决了应力和应变滞后的问题。体外预应力加固是目前桥梁加固采用较多的方法之一。采用体外预应力加固能较大幅度提高原梁正截面抗弯承载力，也能使原梁的裂缝部分闭合，还会限制新的裂缝出现和发展，对提高结构的耐久性是有利的。

采用预应力和粘贴钢板等加固维修手段以外，桥梁结构混凝土的裂缝有的还是处于开裂的状态，雨水等有害物质依然会流入裂缝腐蚀钢筋。对于缝宽大于0.1mm裂缝采用壁可法灌缝注胶的措施进行处理，灌浆前应对混凝土表面进行处理，清除松散的灰浆、沙粒、油污等，使混凝土表面保持干净。裂缝全部注满后要及时进行养护，待浆体固化后对表面进行修整。如果有不密实的和开裂的应重新补灌，以保证裂缝闭合。

4 庆西路太乐大桥的病害及加固

4.1 概述

庆西公路是连接庆城县至庆阳市的重要干道，交通流量饱和，太乐刚架拱桥位于其咽喉部位。是一座跨越黄土高原冲沟的大型桥梁，交通位置重要，沟深73.9m，桥梁净跨径为125.0m，净失跨比为1/6，桥梁全长188.0m。该路设计时速100km/h，2002年建成通车。

4.2 检测结果

2012年对全桥进行了全面检测，评定结果显示：（1）基于中华人民共和国交通运输部颁布的 《公路桥梁技术状况评定标准》JTG/TH21-2011，太乐大桥技术评定为4类桥梁，其中上部结构评定为4类，下部结构评定为4类，桥面系评定为5类。上弦杆底板裂缝出现横向贯通裂缝，腹板出现大面积贯通裂缝，在弦杆两侧斜裂缝连续从底板延伸至顶板，大面积竖向裂缝并与底板的裂缝形成完整的回路。在碳化深度的影响下，混凝土超声回弹强度未达到混凝土设计强度等级。由于裂缝宽度和裂缝密度、及桥面泄水侵蚀的影响，钢筋锈蚀面积较大。严重影响了桥梁的正常使用状态，消弱了桥梁的整体承载能力。（2）由持久状况承载能力极限状态计算结果可见，依据JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》进行承载能力折减后，上弦杆承载能力不满足规范要求，结构抗力值仅有承载能力极限状态组合下作用值得78.2%和79.3%。

4.3 原因分析

长期大量的超重车辆作用在桥面上，大桥处于超负荷运营状态，弦杆处于极限工作状态，底板混凝土开裂，逐渐扩张延伸至腹板，随着时间的推移，裂缝贯通底板及腹板。在桥面有坑槽及破损的情况下，超重车辆冲击桥面，致使弦杆在动荷载作用下混凝土裂缝继续扩张。桥面排水系统不完善，大量雨水及有除冰盐的雪水流至箱体内，渗透裂缝中，致使腹板及底板混凝土大面积析碱、泛白、泽水，造成裂缝处钢筋锈蚀。据分析弦杆超限开裂及下挠的原因还有混凝土强度设计值低，又因超载现象严重导致弦杆超限开裂。

4.4 桥梁加固

4.4.1 破损结构及设施的修补或更换

将原有破损沥青及桥面铺装层凿除、清洗作为卸载，在加固工作完成后再恢复8cm钢筋混凝土调平层加上沥青混凝土铺装层。对裂缝宽度≥0.15mm的裂缝采用高渗透改性环氧灌浆材料压浆法进行修补（图1），裂缝宽度＜0.15mm的裂缝采用高渗透改性环氧灌浆材料封闭法进行修补。对空洞、掉块、露筋、蜂窝麻面部位进行修补，将钢筋或钢板锈迹清除，并把松动的保护层凿除，如损坏面积不大，可用环氧砂浆修补，如破坏面积较大，喷注高标号水泥砂浆（图2）。

4.4.2 桥台防护及防排水措施

修补破损桥台防护，对已冲刷地基做恢复及浆砌片石罩面防护，结合桥位地质情况布置截排水设施将雨水引致桥台防护范围以外，避免雨水的侵蚀和冲刷（图3）。

4.4.3 弦杆加固

在拆除原桥面铺装作为卸载之后，张拉体外预应力束改善弦杆受拉侧应力状态以满足正常使用功能，确保裂缝不超限。张拉完体外预应力束后再底板正弯矩区粘贴钢板（图4）提高弦杆正弯矩能力，以满足结构承载能力极限状态抗力要求，底板粘贴完钢板后在弦杆原腹板加厚段及变化段剪力较大区外侧加厚15cm钢筋混凝土（图5）以满足该区段斜截面抗剪构造要求。

4.4.4 主拱加固

经计算拱顶区域承载能力满足要求但储备不足，在下缘粘贴钢板以提高拱顶截面抵抗下拉大偏心受压的承载能力 （图6），在距拱脚18m范围内负弯矩区拱背上套15cm钢筋混凝土，增强该区抵抗上拉大偏压能力并作为压重减小拱顶正弯矩。

4.4.5 加固后检测

经上述加固维修以后，对全桥进行检测：荷载试验表面桥梁的承载力大幅提高。裂缝最大宽度为0.12mm，小于规范0.2mm限度的要求。达到了加固设计要求。

5 结语

应该指出，桥梁的病害种类很多，笔者认为重要的且常见的一些病害列举本文，并作了浅显的分析。对病害预防提了几点个人愚见。桥梁的加固设计应在更为详细的检测和病害分析的基础上，分清加固性质，明确加固目的，有针对性的选择加固方法，经过认真的设计计算，才能给出一个合理的加固方案。本文提供的桥梁病害的加固的实例，不作为设计及施工的方案，仅供参考阅读。

［1］中华人民共和国行业标准.JTG/TJ22-2008公路桥梁加固设计规范[S].人民交通出版社,2008,11.

［2］张树仁.桥梁病害诊断与加固设计[M].人民交通出版社,2013,9.

［3］黄兴安.道路桥梁工程质量通病防治手册[M].中国建筑工业出版社,2005,9.

［4］朱海涛.对武汉长江大桥被船撞76次事故的反思[C]//第二十界全国桥梁学术会议论文集.