桥梁病害分析

赵柏冬, 张杨柳(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

桥梁病害分析

赵柏冬, 张杨柳
(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

结合工程实例阐述了桥梁上部结构、下部结构以及桥面易出现的各种典型病害,分析了各种病害出现的原因,提出了有效的防治措施.

混凝土裂缝; 钢筋锈蚀; 载荷; 原因分析; 防治措施

桥梁是交通运输的枢纽.随着当代中国经济的不断发展,交通流量的急剧增长,对桥梁结构的承载性能提出越来越高的要求.而部分桥梁设计载荷标准偏低,并且运营年限较长;再加上车辆超载、重载情况不断增多,以及恶劣环境的影响,大多桥梁都出现了不可避免的病害,危及桥梁的正常运营.

1 上部结构病害

桥梁上部结构在桥梁中是主要承重构件,其在桥梁各构件中所占安全权重非常大,其病害势必影响桥梁的耐久性及安全性.因此,需要及时发现上部结构病害性质、病害大小,对病害成因进行有效分析,并对桥梁在施工过程中加以有效管理预防,从而避免病害在运营过程中呈现.桥梁上部结构易出现的主要病害包含混凝土碳化及钢筋锈蚀、梁体混凝土裂缝.

1.1 混凝土碳化及钢筋锈蚀

在混凝土桥梁中,混凝土的碳化及钢筋锈蚀的现象较为常见,如图1所示.混凝土与钢筋在一起共同工作主要原因是:①粘结力是两种材料共同工作的基础;②钢筋与混凝土具有相近的线膨胀系数;③混凝土提供的碱性环境可以保护钢筋免遭锈蚀.而碳化使混凝土的碱度降低,促使钢筋钝化膜破坏,氯离子渗入混凝土,致使混凝土内部氯离子浓度过高,导致钢筋锈蚀.长时间的锈蚀会严重降低结构的承载力.

对于混凝土的碳化,从根本上是避免不了的,最有效的防治措施是降低混凝土的碳化速度,增强混凝土的抗渗性.其方法有:①降低混凝土的水灰比,减少用水量或增加水泥的用量,从而提高混凝土的密实度;②掺入外加剂,如减水剂、抗渗剂、膨胀剂,提高混凝土的密实度;③选择合适的材料,使用颗粒较细、水化热低的水泥;④加强日常养护,避免混凝土开裂.

对于钢筋锈蚀的防治,最有效的措施是提高混凝土的抗渗性,避免外界氯离子的侵蚀,从而有效降低钢筋的锈蚀速度.其方法有:①配置混凝土时不使用含氯离子的材料或外加剂;②增加钢筋保护层厚度;③采用自防水混凝土阻止水分渗透;④在混凝土内加入阻锈剂,阻止钢筋生锈.

图1 钢筋锈蚀Fig.1 Corrosion of reinforcement

1.2 梁体混凝土裂缝

裂缝是桥梁的主要病害,主要发生在梁的支座两侧、跨中、梁底等位置(见图2).不同位置的裂缝产生的原因也是不同的.正确的认识桥梁裂缝产生的原因,以便提出防护措施,提高桥梁的承载能力.一般混凝土裂缝出现的原因可分为两类:一类是由于载荷引起,如受弯构件、受拉构件等在载荷作用下的混凝土受拉区开裂;另一类是由变形引起的非载荷裂缝,如基础的不均匀沉降、温度变化、混凝土的收缩等.但究其根本原因是混凝土的抗拉强度太低.以下简单介绍部分梁体开裂的原因.

图2 混凝土开裂Fig.2 Concrete cracking

(1) 载荷裂缝.混凝土桥梁在常规动、静载荷与次应力下所出现的裂缝称为载荷裂缝.包括直接应力裂缝以及次应力裂缝[1].直接应力裂缝主要由于结构受力假设与实际受力不符;载荷少算或者漏算,结构安全系数不够;在使用阶段超出设计载荷的重型车辆过桥造成的裂缝.次应力裂缝一般是由于桥梁结构中经常需要凿槽、开洞等施工,产生巨大的应力集中,造成桥梁裂缝的出现.

(2) 温度变化引起的裂缝[2].由于混凝土具有明显的热胀冷缩性质,其内外温度发生变化时可能会出现裂缝.而在混凝土浇筑初期,水泥在水化过程中产生水化热,致使混凝土温度快速上升,而混凝土表面具有良好的散热性,使得表面温度上升较少;但其内部散热条件差,热量不易散失,导致温度上升.最终受到温度的作用,混凝土产生裂缝.

(3) 其他原因引起的裂缝.施工及前期混凝土养护不当引起梁体收缩裂缝的出现.此外,使用材料不当,如水泥水灰比的配合不当,混凝土外加剂的选择不当等原因,也会引起裂缝的产生.

钢筋混凝土规范明确规定,结构在不同条件下允许存在一定宽度的裂缝.但在施工中,应尽可能采取有效措施控制裂缝产生,使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度,尤其要尽量避免有害裂缝的出现,从而确保工程质量.正常的工作裂缝是指在计算控制之内的裂缝,而非正常裂缝则是超出裂缝宽度限制范围的裂缝.为了保证桥梁混凝土必要的抗裂安全度,《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对裂缝宽度限值做了具体的规定,详见表1.

表1 钢筋混凝土裂缝宽度限值Table1 Limit value of crack width of reinforced concrete

本工程桥梁裂缝为竖向裂缝,经现场实地勘测,裂缝宽值约为0.2 mm.在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]所容许的最大裂缝宽度限值之内,为正常的工作裂缝.

桥梁裂缝的防治措施:①载荷裂缝对桥梁损害较大,可以从以下两个方面去解决.一是合理布置桥梁受力钢筋,使钢筋均匀受力,避免局部受力,引起桥梁裂缝;二是确定设计载荷,严禁超载重型车辆通过,确保桥梁在不超过设计载荷的条件下正常运营,最大限度地保护桥梁不出现载荷裂缝;②对于温度裂缝,在一定的尺寸范围之内,混凝土构件面积越大,其温度应力越大.为防止混凝土温度裂缝的产生,应严格控制混凝土内外温度差.具体方法有:①合理选择混凝土材料,降低水化热.如选择中低水化热混凝土材料,以控制混凝土温度的升高;选择粒径较大,级配良好的粗骨料,减少水泥和水的用量,增强混凝土的和易性,从而降低混凝土的温度[4];②控制混凝土的出机和浇筑温度;③采取内降外保法降低混凝土内外温度差.

2 下部结构病害

桥梁下部结构主要支撑上部结构载荷,并将其传来的恒载荷和车辆等活载荷再传递至基础.下部结构出现的病害主要有基础沉降、桥墩开裂、钢筋锈蚀、混凝土剥落等.究其原因在于人为的(勘察、设计、施工、使用等)以及自然的(地质、风雨、冰冻等)因素影响.

基础沉降.施工过后,桥梁在运营状态下受到上部活载荷的影响,导致地基土压缩,土中水分流失,引发基础沉降.一般桥梁在建成通行之后,都会出现基础沉降现象,但沉降值在一定的范围内可以不做处理.

桥墩开裂.桥墩开裂的裂缝可分为竖向裂缝、水平裂缝和网状裂缝(见图3).若施工时处理不当,会导致墩身水平或竖向裂缝的产生.墩身竖向裂缝主要是地基软弱或者基础发生不均匀沉降引起.除此之外,由于施工后混凝土水化热和内外温度差,以及混凝土收缩徐变的影响,使得墩身出现网状裂缝.

图3 桥墩裂缝Fig.3 Bridge pier cracks

本工程中,根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[5](见表2)中容许最大缝宽,经过现场检测,桥墩最大裂缝宽度为0.2 mm,在其正常裂缝范围之内,不影响桥梁的正常运营.

表2 墩台裂缝宽度容许最大值Table 2 The maximum allowable crack width of piers

钢筋锈蚀、混凝土剥落.桥墩以及基础由混凝土浇筑而成,但由于混凝土裂缝的存在,使得自然界中的水能够沿着裂缝侵入到钢筋保护层内部,导致钢筋在水环境下生锈,进而引发体积膨胀,混凝土剥落现象(见图4).

图4 混凝土剥落Fig.4 Spalling of concrete

对于桥梁基础沉降现象,主要防治措施有:①基底夯实、换填,加强基底承载能力,降低软土及弱地基对承载力的影响.②做好基坑排水工作,防止基础长时间侵水.③严格施工,基桩开挖时避免超挖、少挖,在开挖后的最短时间内进行砌筑基础.④避免上部活载荷超出设计载荷,保证基础不受外部载荷的影响而导致基础沉降.

针对桥墩开裂现象,主要防治措施:①一般情况下,混凝土从塑性状态转变到弹性状态时,浇筑温度越低,其开裂倾向越小,因此降低混凝土的入模温度可减少墩身温度裂缝的产生.②施工时选择足够强渡、刚度及稳定性的模板,以承载新浇筑混凝土的重力、侧压力,及其他原因产生的载荷.③混凝土振捣密实、均匀,可有效防止收缩裂缝的产生.④在桥梁运营阶段,对潜在裂缝进行有效控制,对已有裂缝进行修补控制,并加强对桥墩的养护,最大限度地减少桥墩裂缝的发展.⑤对于墩身的环向和纵向裂缝,可采用壁可法进行裂缝修补,避免裂缝的进一步增大[6].

3 桥面系病害

根据实地调研发现,桥面病害主要有桥面裂缝、凹凸不平、伸缩缝渗水松动以及辅助设施破损等.有些桥面过早的出现损伤,如不能进行有效的处理,长期下去会严重影响桥梁的使用寿命.

桥面裂缝[7].桥面裂缝一般包括表面龟裂、横向裂缝以及纵向裂缝.其原因主要包括:①混凝土、沥青等材料在施工过程中由于配料质量比的模糊不清和含水量增多的原因,致使桥梁内部规范和结构的破坏,导致铺装裂缝的出现;②桥梁作为公路的一部分,长时间受到外部活载荷的压力,以及部分时段出现承受车辆超载、重载所带来的额外压力,引发桥面裂缝的出现;③在桥面施工浇筑过程中,应尽可能的减少施工缝,并且严格按照规范进行凿毛处理,否则将会影响混凝土的连续性以及整体性,引发桥梁裂缝.

桥面凹凸不平.桥面凹凸不平会引起车辆对桥跨结构的冲击,由此产生大于静载荷作用下的内力,影响桥梁的正常寿命.其原因主要包括:①车辆行驶的情况下,长期对部分不平桥面的冲击容易导致桥面的沉陷.②桥面施工过程中,因部分桥面混凝土振捣不充分以及后期混凝土养护不合格,施工人员缺乏对质量控制的意识,导致桥面凹凸不平.

伸缩缝渗水松动.伸缩缝是用以保证上部结构在温度变化,混凝土收缩和徐变,以及载荷作用下,在该处的变位能够实现,不产生额外的附加内力,并能保证行车平顺.

辅助设施破损.桥面辅助设施的破坏一般是由于人为破坏、车辆撞击、恶劣天气以及设施本身质量问题等原因引起.

桥面系病害的防治措施:①保证设计载荷下桥梁的正常运营,避免桥面承受超载、重载.②控制材料的质量.选择合适的水泥,严格控制骨料的级别以及水泥的用量.为防止开裂,可适当添加外加剂,如防水剂、减水剂、膨胀剂等.③加强混凝土的早期养护,避免温度裂缝的产生.④加强桥面薄弱位置的连接,避免桥梁局部受力引发裂缝的产生.⑤增强桥梁管理控制,最大限度地避免人为破坏.

4 结 论

桥梁病害的出现,是由于各种不同因素相互作用、相互影响的结果.本文讨论了桥梁易出现的主要病害,并且分析了桥梁病害的原因,给出了有效的防治措施.结合这些病害原因,为桥梁加固修复提供了保证,确保桥梁能够正常运营.

[1] 黄贻凤. 桥梁混凝土开裂理论及数值分析[D]. 武汉:武汉理工大学, 2005. (HUANG Y F. Crack theory and numerical analysis of bridge concrete[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2005.)

[2] 刘郑. 公路桥梁混凝土裂缝原因及防治措施[J]. 交通世界, 2015(12):32-33. (LIU Z. Highway bridge concrete crack causes and prevention measures[J]. Transpo World, 2015(12):32-33.)

[3] 中交公路规划设计院. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG D62-2012[S]. 北京:人民交通出版社, 2012. (Highway Planning and Design Institute. Code for desigh of highway reinforced concrete and prestressed concrete bridges and culverts: JTG D62-2012[S]. Beijing: China Communications Press, 2012.)

[4] 李长存,周永昌,兰士伟. 施工中混凝土质量控制研究[J]. 沈阳大学学报, 2005,17(6):32-35. (LI C C,ZHOU Y C,LAN S W. Analysis on concrete quality control in construction[J]. Journal of Shenyang University, 2005,17(6):32-35.)

[5] 中华人民共和国交通运输部. 公路桥梁承载能力检测评定规程: JTG/T J21-2011[S]. 北京:人民交通出版社, 2011. (Ministry of Transport, People's Republic of China. Specification for inspection and evaluation of load-bearing capacity of highway bridges:JTG/T J21-2011[S]. Beijing: China Communications Press, 2011.)

[6] 张延年,李玉兵,柳成林,等. 混凝土梁式桥梁裂缝调查与防治[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2015,27(2):143-150. (ZHANG Y N,LI Y B,LIU C L,et al. Analysis and prevention of cracks in concrete beam bridge based on field investigation[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2015,27(2):143-150.)

[7] 张燮林,张树根. 桥面病害产生的原因分析及预防措施[J]. 中外公路, 2007,27(5):186-187. (ZHANG X L,ZHANG S G. Cause analysis and preventive measures of bridge disease[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2007,27(5):186-187.)

【责任编辑: 赵 炬】

Analysis of Bridge Disease

ZhaoBaidong,ZhangYangliu

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Combining with engineering projects, this paper various kinds of typical diseases of the superstructure and substructure of bridge and bridge floor system are elaborated. The causes of various diseases are analyzed and an effective prevention and control measure is put forward.

distress in concrete; steel corrosion; load; cause analysis; prevention and control measures

2016-10-25

赵柏冬(1962-),男,河北交河人,沈阳大学教授,博士.

2095-5456(2017)01-0062-04

U 445

A