浅析混凝土桥梁结构病害检测与防治

欧伟

（广西壮族自治区建筑工程质量检测中心有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

混凝土桥梁是现代建筑中的一种十分常见的基础设施，由于长期经受不同的气候条件，外力作用，其自身不可避免地会产生一定的腐蚀损伤。具体地讲，交通量尤其是重型汽车通行量在不断增加，材料性能随着时间在不断衰退，多种物理化学因素在持续发挥作用，桥梁工程混凝土构件不同程度的结构病害持续形成并不断加重[1]，导致桥梁使用功能和通行能力的降低，严重时还会导致交通的中断。本文分析桥梁工程常见结构病害，提出病害检测方法及处置措施。

1 桥梁工程常见结构病害

1.1 蜂窝

造成蜂窝现象的原因可能是施工过程中的人为因素，也可能是结构布局的不合理。在施工中出现的失误主要有：在浇筑时的分层灌注，违反了有关的操作规定，没有进行正确的振捣，或在运输过程中发生离析，在支模时，因模板的间隙密封不好，导致水泥砂浆漏失等。桥梁的结构不合理，体现在混凝土构件配筋较多，混凝土的坍落度不符合要求，混凝土粗骨料的颗粒较大等方面。

1.2 麻面

桥梁在使用过程中出现麻面通常是由于在进行结构物的施工时，使用的模板表面不光滑，或者是因为模板的润湿性不足，致使结构物表面的混凝土失去水分，从而产生孔洞导致出现麻面。

1.3 空洞

混凝土的空洞现象是因为构件所配置的钢筋密度太大，导致在施工过程中出现大量的混凝土被粘在一起，由于没有进行足够的振捣就开始继续浇筑上面的混凝土而导致空洞产生。另外，大量的混凝土渗漏也会导致孔隙的形成。

1.4 混凝土裂缝

混凝土的抗拉强度比其他材料低，容易出现裂缝，对于一般的钢筋混凝土构件来说，如果将其缝隙宽度控制在0.2～0.3mm之间，一般不会对其正常的、安全的使用及耐久性产生过大的影响。在工程实践中，由于受各种因素的影响，裂缝产生的因素可能不止一种。如果没有系统性的、透彻的剖析与处理，就很难明确其产生的原因，也就很难达到实际应用的要求。

1.5 钢筋的腐蚀

钢筋腐蚀与其自身因素和混凝土质量有很大关系，其中，不同的晶格结构、应力水平和钝化膜都会对钢筋产生腐蚀。常见的腐蚀有电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀和氢脆腐蚀等。

（1）电化学腐蚀。电化学腐蚀首先破坏混凝土的表面，导致钢筋表面的钝化膜破坏，从而导致钢筋的腐蚀破坏。氯离子作为一种“腐蚀电池”和负效应，其对混凝土结构的损伤属于化学损伤，且具有多个方面的损伤。

（2）杂散电流腐蚀。杂散电流腐蚀实质上是一种通过直流电解产生的漏电流对钢筋的腐蚀破坏，对钢筋腐蚀的影响较小。

（3）应力腐蚀。应力腐蚀是指金属材料在腐蚀性介质和应力共同作用下发生的脆性断裂现象，其破坏程度与混凝土中的应力、混凝土材质、腐蚀介质等因素有关。

（4）氢脆腐蚀。由于氢离子在水泥中与水泥石产生化学作用，在水泥石中产生较大的内应力，因而产生氢脆现象。如：钢筋承受太大的拉应力，导致裂缝的快速扩大，最后导致脆性破坏。

2 桥梁工程病害检测

2.1 静载试验

在静载荷测试中，能够获得应变应力的实际值，通过与理论分析的结果对比，从而评价桥梁的工作状态和安全性能。此外，凭借对各测试点得到的测试结果与标准允许的测试结果进行比较，从而判断该桥型是否满足服役条件[2]。

（1）当进行静载测试时，应能真实反映出桥的承载量，但实际工作中，由于测试成本及测试条件的限制，测试时通常只能选择具有典型意义的一个桥墩作为测试对象。所以测试时，应该做到以下三点：一是根据测试结果，找到桥墩上最不利的受力部分；二是选取在工程建设过程中存在的一些质量不高、缺陷多的桥梁来进行测试；三是试验桥的跨度要满足安装脚手架等设备所需的要求，并且要满足试验所需的荷载要求，以便设定试验点并进行试验。

（2）根据墩身应力的变化情况，确定具体的桥梁应力截面，并根据其变化情况，选择适当的应力截面。因此，对其进行检测是保证其正常运行的重要手段。由《公路荷载试验规程》中所规定的一般桥型的计算方法，得出了表1所示的一般桥型截面位置计算方法。

表1 静载试验计算截面位置

（3）试验荷载的计算根据桥梁的设计荷载而确定，试验荷载的起始点应根据桥梁的受力情况而确定。从理论上讲，测试负载的大小应该等于加载试验的控制负载的大小，但由于受到多种原因的限制，在实践中，测试负载的大小往往难以与所测的控制荷载达到完美的匹配，所以，在真实荷载的作用下，通常通过静载荷测试中的有效系数来判断，其计算公式如下：

式中：

ηq——静力荷载试验有效系数；

sstat——试验加载下控制截面的变形或荷载的计算值；

s——控制截面的变形或者荷载的计算值；

s—ss冲击系数。

（4）通过试验点实测资料和理论成果进行比较，评价试验成果；将其在检测断面上的测试结果与设计规定的容许数值进行对比，判断其工作状态，从而得出其能否达到当前的受力需求[3]。从检验系数和挠度的评估方面，评价试验成果。

1）校验系数是指在测试过程中所测量到的应力或变形与理论计算得到的数值之比，常用的桥梁校验系数如表2所示。

表2 一般桥梁类型的校验系数

式中：

sc——荷载作用下检测的变形或应变值；

ss——在实际荷载作用下，桥梁校验系数取值。

2）挠度的评估：在进行桥面静载荷测试时，以该评估指数为基础，用以评估桥面工作特性和承载力，该评估指数为：

f′——除去支座沉降等因素影响的桥梁跨中截面的最大挠度值；

l——梁的跨长。

2.2 动力荷载试验

通过对桥梁进行动力荷载试验，能够从整体上精确判断桥梁整体刚度和运营状况，进而判断桥梁的使用年限，是桥梁设计中不可或缺的工作。桥梁动荷载试验是用某种激发的方法，引起结构的振动，并测定其振型、冲击系数、固有频率、阻尼比和动力响应等。但是，为了避免出现共振现象，在进行动载试验时，必须将其初振频率设定为不同于其本身构造的自振频率[4]。并对其动力性能、自振性能和受迫振动性能进行研究。桩基的动态荷载测试应包含下列四项内容：

（1）跳车试验。通过对外加车辆荷载作用下的阻尼试验，得到桥面碰撞因子，并对其进行振动特征分析。

（2）脉动试验。在不受外部影响的条件下，由风力、地表微振等环境因子诱发，并对其进行自振试验，从而获得其自振频率。

（3）跑车试验。在车辆运行时，对车辆受到的强迫震动响应进行试验研究。

（4）刹车试验。当汽车在桥梁上行驶时，由于汽车在桥梁上发生了一次应急刹车，由此引发一次激振源，并对其进行测试。该方法对桥梁在横向活荷载作用下的表现进行评估。

采用动态荷载实验方法，得到桩身应力、位移和加速度等动态荷载实验结果。在测试结束之后，一般需要对测试得到的振动数据进行分析和处理，并在此基础上进一步分析和研究其动力学特性。桥梁结构的阻尼特性根据有关力学知识确定，通常采用对数衰减率和阻尼比来确定，见图1所示。

图1 自由衰减曲线

根据振动理论可得，结构的对数衰减率如下式：

δ=ln(Ai/Ai+1)

式中：

Ai，Ai+1——两个相邻的振幅，其大小可以通过它们的衰变曲线来衡量。

在实际的分析中，通常只选择一个波，求出其平均衰减率如下：

式中：

Ai，Ai+n——第i和i+n个波的振幅值。

冲击系数是指在车辆穿越大桥时，对大桥所造成的垂直动态影响的增加因子。由动、静荷载作用下的动态变形与静态变形之比，可求出碰撞因子。图2为冲击系数的计算模型。

图2 冲击系数的计算模型

通过分析结构的模态、碰撞系数、固有频率、阻尼比和动态反应等，可以从宏观角度对结构的刚度和安全运营能力等进行综合分析，得到的有关数据可以作为对结构进行评定的基础。

（1）将计算出的桥体频率数与实测数据进行比较，判断桥体的刚性；

（2）将实测数据和理论模型数据进行比对，如果实测数据较理论数据太大，则说明桥面平整程度极低，反之，则说明桥面平整程度极高；

（3）阻尼系数愈大，所需能量也愈多。而当阻尼性能相差太大时，就会出现裂纹、支座损坏等情况。

3 桥梁工程结构病害防治措施

3.1 完善养护管理模式

做好公路桥梁养护工作，收集完善的养护资料，将智能化养护管理的理念付诸实施，建立智能的高速公路养护管理体系，并对养护过程中出现的问题进行分析。根据桥梁项目的具体状况，制定出一套严谨、有力的管理方法，以保证公路桥梁建设的品质，促进公路桥梁建设的顺利进行。通过建立健全公路桥梁建设的管理体制，建立健全公路桥梁建设和维护的质量奖励和惩罚制度，充分发挥公路桥梁建设和维护的作用。

3.2 提高道路桥梁监测能力

要想更好地预防与治理桥梁施工中出现的各种问题，需要在施工过程中不断地进行监控，提升监控的能力，以便能够在最短的时间内找到问题并加以解决。利用物联网技术、云计算、卫星遥感技术等，利用位移动态监测等多种监测设备，将各种方法进行整合，以全面感知、深度融合等方式，对数据进行收集、分析、整理，为质量管理、病害监测等工作提供支撑和保障，从而可以全面提升桥梁的管理水平，创造出更大的效益和价值。

3.3 优化养护施工技术

针对公路桥梁中出现的各种问题，进行深入的调查和分析，并根据实测资料，制定完整的维修计划。在桥墩部位进行病害治理时，应遵循适宜的原则，做好基本的养护工作。在深度小于5cm的情况下，应该在维修箱的基础上加强。对出现裂纹的桥梁，及时进行养护，并通过修理、补强等方法来排除安全隐患[5]。对现行的维修方法，与其使用效果相结合，进行优化和改进，从而使公路桥梁的维修水平得到全方位的提高，并将其排除在外。应加强对公路和桥梁养护技术的探索，开发出更多具有较高层次的养护技术，以提升养护和管理水平。

4 结束语

混凝土桥梁由于长期经受着风雨、日晒和冻融等作用，不可避免地会产生一定的腐蚀损伤，其整体性能难以得到保障。通常，对于桥梁工程建设中常见的质量问题，可采取动、静荷载两种试验方法进行检测。实践证明，对于当前的混凝土桥梁工程病害的防治，不仅要结合先进技术，不断完善养护管理模式，提高道路桥梁监测能力，还要优化养护施工技术。