高寒地区在役混凝土桥梁检测及养护常见问题研究

2023-03-22张小龙

工程建设与设计 2023年3期

张小龙

（内蒙古公路交通投资发展有限公司乌海分公司，内蒙古乌海 016000）

1 引言

我国地形地势复杂多变，北方地区属于高纬度、高海拔地区，冬天极其寒冷，温度最低可达-58℃。因此，我国北方地区的桥梁现场检测及养护将面临诸多问题。比如，低温超过了仪器正常工作的最低温度，无法正常工作；混凝土冬季养护困难，混凝土结构空腔内部结冰、冻融冻胀现象频发等。JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》也明确指出：荷载试验应在气温平稳时段进行，气温低于5℃或高于35℃时不宜进行荷载试验等。基于此类问题，本文就高寒地区在役混凝土桥梁日常检测和养护中易出现的病害现象及成因进行分析，并提出该类特殊地区桥梁无损检测及静载试验时应注意的事项，为类似地区桥梁的日常检测、养护提供借鉴，以保证在设计寿命期限内桥梁结构的安全性[1]。

2 重点病害检查及养护措施

高寒地区混凝土结构受温差影响，表面极易产生裂缝，还面临混凝土碳化、氯离子和硫酸盐侵蚀等诸多问题，本文就检查中发现的典型病害——剪切裂缝和“冰”效应做出分析。

2.1 剪切裂缝

目前，普通钢筋混凝土桥梁混凝土表面存在的结构裂缝病害主要有：（1）正弯矩裂缝；（2）负弯矩裂缝；（3）剪切裂缝。大多数检查对于裂缝的认识以正弯矩裂缝为主，但在北方寒冷地区不难发现，空心板梁端部常出现斜向裂缝，其形状呈“内八字”形。根据受力状态来说，在梁端附近位置，结构处于剪弯段，因此，设计时必须充分考虑力学特性，然后进行混凝土强度选择和钢筋配置。与此同时，不难发现温差变化范围较小的其他地域，出现该类病害的概率较小，这表明设计材料不是该类病害的关键因素。

从基本理论分析，若某个部位出现裂缝，必定存在应力超限，那么超载无疑是引起裂缝的直接原因之一。现如今，大量重型车通过桥梁，而在役桥梁往往因为年代久远，其荷载等级无法满足重车要求，加上桥梁管养仍存在标志标线不完善的情况，所以，桥梁在过荷情况下就会很快出现斜裂缝[2]。

假使桥梁结构设计严格依据规范，符合荷载等级要求，且保证无超载车辆通行条件下，影响斜截面抗剪承载力的因素中：剪跨比、纵向钢筋配筋率、配箍率和箍筋强度将保持一致，混凝土抗压强度则成为产生斜裂缝的可疑指标。这里不是指混凝土强度本身选择有问题，而是考虑到寒冷温度混凝土材料性能被削弱，其强度无法达到预期强度。除此之外，在役桥梁的混凝土处于反复冻融过程，混凝土表面结构变得疏松，其强度受到影响，导致剪弯段的抗剪承载能力大大降低，加快了斜向剪切裂缝的发展速度。例如，我国北方某桥梁共有5片空心板梁（占主梁总数的20.8%，全桥共24片空心板梁）梁底端部存在斜向裂缝，局部混凝土碎裂，部分裂缝伴有结晶体析出，最大裂缝宽度为0.56 mm，已远远超过JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》规定的裂缝宽度限值0.30 mm，这些裂缝是在荷载作用下产生的梁端剪切裂缝，墩台位置长期渗水，梁端混凝土长期处于潮湿环境中，导致梁端部分裂缝有白色结晶体析出，且混凝土冻胀导致进一步碎裂。

2.2 “冰”效应

高寒地区桥梁结构还面临一个突出问题就是“冰”效应。在低温环境下，水在混凝土毛细孔中结冰后致使弹性模量、抗压强度等力学性能严重下降。最具代表性的病害就是空腔内部积水未处理，冬季引起主梁冻胀开裂，严重时整个空心板梁底面会形成纵向碎裂带，直接危害桥梁运营安全。这主要是由于空腔内部大量积水未及时排出，遇冷后结冰，体积迅速膨胀，其周围产生拉应力，该拉应力超过结构容许拉应力时即会产生开裂[3]。

2.3 养护措施

针对上述病害在寒冷地域必须高度重视，在日常养护时可从以下几个方面进行[4]：（1）在两端桥头严格设置限载标志，禁止超载车辆通行，并加强动态监控；（2）如遇混凝土表面疏松，及时清理后，采用环氧砂浆并掺入外加剂进行补强；（3）冬季来临前期统一排查，有针对性地在梁端较低处钻孔放水。

3 无损检测时注意事项

桥梁主体结构的检测，简而言之主要是混凝土和钢筋两种材料参数的检测，钢筋在混凝土内部受到保护，裸露在外部的混凝土是检测时的主要内容。负温环境条件下桥梁结构混凝土主要面临的耐久性问题可大致归纳为：（1）反复冻融条件下构件抗压强度降低；（2）混凝土材料碳化程度加重；（3）外界氯盐、硫酸盐等侵蚀。因此，现场桥梁检测中也应重点关注该类指标，保证材料在正常性能条件下工作。

3.1 回弹法测强度

依据JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》相关规定：回弹仪使用时的环境温度为-4~40℃；测区表面不应有疏松层、浮浆、油垢、涂层以及蜂窝麻面；潮湿或浸水混凝土不得直接采用“统一测强曲线”。寒冷地域在进行混凝土强度测定时，仪器工作温度及常态化的数据采集方式将受到限制，这时可考虑采用如下办法解决：（1）结合地区测强曲线或者专用测强曲线进行修正；（2）必要时采用超声回弹综合法、取芯法等。

3.2 混凝土碳化

碳化也是评判混凝土强度的重要指标。主要是二氧化碳与混凝土中碱性物质发生反应的一个漫长过程，碳化将使混凝土脆性变大，降低了混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，致使钢筋失去混凝土的保护作用，大大加快了钢筋锈蚀速率。在北方冬季桥梁结构受雨雪影响，表面混凝土内部水分子集聚，在表面形成冰晶体，引起碳化测试结果偏差。因此，建议现场测试时避开梁体底面渗水泛白区域，并清理干净表面浮尘后方可进行碳化深度测试；分析数据时尝试以二氧化碳的浓度换算混凝土碳化深度和碳化时间，通常混凝土碳化速率会随着深度和时间的增加逐渐减缓。

3.3 氯离子侵蚀

当冬季桥梁桥面系存在积雪时，常见的方式是直接撒盐除冰，除冰盐与消融的雪水易渗入桥梁结构，使得混凝土构件遭受氯离子腐蚀。而氯离子正是引起和加速钢筋锈蚀的重要因素，同时若钠离子等碱性物质侵入，在集料具有活性时还可能发生碱集料反应。在平时的检测工作中应重视氯离子含量测定，并判定其原因是混凝土固有存在的，还是结构使用过程中外界浸入造成。长时间暴露在酸性环境地区的桥梁，检测和养护时应在混凝土表面涂刷防水层阻碍雨雪侵蚀，减缓氯离子对钢筋的锈蚀程度。

4 静载试验测试分析

静载试验是最直观评判桥梁结构承载力的方法，其试验结果受多种因素制约。根据JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》，荷载试验应在气温平稳的时段进行，气温低于5℃时，不宜进行试验。为保证特殊温度条件下荷载试验结果数据的有效性和准确性，必须明确不同温度下参数的影响因子及变化特性，以克服寒冷或高温带来的影响[5]。

4.1 温度对桥梁应变测试结果的影响分析

由于桥梁现场测试气候环境多变，梁体随着温度变化而发生一定规律的伸缩变形，那么对结构应变测试结果也会带来相应的误差。其主要是两个方面：（1）对应变测试仪器、应变计（应变片、应变传感器）的影响，使应变测试结果产生误差；（2）温度变化使结构产生温度效应，混淆了对荷载产生的结构应变的测试。

针对前者可考虑采用性能等级高的仪器以减小温度变化的影响，同时若为电阻式应变测试时，通过温度补偿技术予以消除；若为振弦式应变传感器，需要在不同温度下对传感器标定，得到相应的频率与应变间的标定曲线来减小或者消除温度影响[6]。为克服后者带来的温度应变，首先应选择温差小或温度稳定时段进行应变数据采集；若试验时间受限且温度条件不可控制时，则需要前期在桥梁结构上提前测试温度与应变变化关系曲线，在结构正式试验应变测试数据中将温度应变剔除即可。

4.2 温度对桥梁竖向位移测试结果影响分析

温度对桥梁竖向位移测试结果的影响主要通过影响对超静定结构体现。长期现场数据资料表明，竖向位移误差值与环境温差值成正相关性，且不同截面误差值受温差变化影响幅值差异较大，以连续梁边跨最大正弯矩处误差最为显著，中跨正弯矩断面次之。目前，现场试验阶段温度对竖向位移的影响研究尚未形成可靠的理论体系，本文建议通过在保证温度稳定时段进行测试的同时，结合多种有限元软件建立计算模型考虑温度对竖向位移的影响普遍规律，对现场实测竖向位移增加修正系数做出调整[7]。