高速公路桥梁常见病害与加固探析

2023-10-16刘碧珣

交通科技与管理 2023年18期

刘碧珣

（广东华路交通科技有限公司,广东广州 510420）

0 引言

随着经济快速，高速公路上的交通量快速增加，使得桥梁出现各种病害。如果不对桥梁及时加固或选择的加固方法不合理，桥梁病害在高速公路运营期间会不断扩展，降低桥梁结构的整体承载力，严重的可能导致桥梁坍塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。目前，技术人员在选择桥梁加固方法时，很多盲目照搬类似项目的图纸，对桥梁病害的成因理解不够深入，使得加固方案适用性差[1]。因此，进一步研究高速公路桥梁常见病害成因与加固方法具有重要的工程价值。

1 公路桥梁病害影响因素及危害

1.1 桥梁病害影响因素

在高速公路运营期间，桥梁结构因受到外界各种不利因素及内部因素的影响，桥梁结构的承载能力和耐久性不满足设计要求的现象均可称之为桥梁病害。大量工程实践表明，影响桥梁结构病害的外部因素有有风、雨、水流、温度和湿度变化、地震、洪水、意外撞击等，内部因素主要是设计和施工原因，总结见图1[2]。

图1 桥梁病害影响因素

1.2 桥梁病害的危害

虽然公路桥梁的混凝土表层缺陷不易导致桥梁断裂，但其危害性应引起重视。在长期荷载作用下，混凝土表面缺陷会不断扩展，最终危害桥梁的整体安全。比如混凝土表面开裂后，结构内部的钢筋可能外漏锈蚀，如果不进行处理，桥梁结构的承载能力会不断衰减，最终缩短桥梁结构的运营寿命。此外，桥梁结构内部缺陷的危害要大于表面缺陷，比如混凝土强度不足、钢筋安装方案不满足规范、混凝土振捣不及时、模板漏浆等都会使混凝土结构内部出现空洞，降低桥梁结构性能。

2 公路桥梁常见病害分析

2.1 混凝土病害成因

2.1.1 混凝土裂缝成因

公路桥梁混凝土裂缝包括荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝等。不同裂缝的成因如下：①荷载裂缝。荷载裂缝的成因会贯穿桥梁的全生命周期，比如在设计阶段桥梁结构计算模式和实际受力不相符，导致桥梁结构安全系数较低。在施工阶段，施工人员任意堆放施工机具、材料、擅自改变施工顺序等。在运营阶段，超载和重载车辆大幅度增加，使得桥梁结构实际受力远大于设计值。②温度裂缝。混凝土作为一种弹塑性材料，具有热胀冷缩的特性。当桥梁结构所处的外界温度变化较大时，会改变混凝土内部温度，使其内部应力重新分布。当应力值大于混凝土自身抗拉强度，会出现温度裂缝。③收缩裂缝。在实际工程中，混凝土干缩最常见，即混凝土在硬化期间水分不断蒸发，导致其体积减小。由于混凝土的干燥是由表面向内部扩展的，所以干缩呈“表面收缩大，内部收缩小”的趋势。

2.1.2 混凝土碳化成因

公路桥梁混凝土结构中含有碱性成分，会与空气中的二氧化碳发生化学反应，生成碳酸钙颗粒。混凝土结构经过碳化后，虽然会提高混凝土密实度，但是也会使其pH值减小，混凝土内的钢筋容易受到腐蚀。影响桥梁结构混凝土碳化的因素取决于材料性能及其所处的外部环境，如表1所示[3]。

表1 混凝土碳化影响因素

评价混凝土碳化对公路桥梁结构安全性的影响程度时，可以碳化深度Xc为评价指标，具体按式（1）计算：

式中，D——二氧化碳扩散系数；C——二氧化碳浓度；t——混凝土碳化时间；m——计算参数。

2.2 桥面系病害成因

2.2.1 桥面铺装层病害成因

根据相关统计数据，混凝土铺装层的病害主要表现为纵、横向裂缝、网状裂缝、铺装层剥落等。导致桥面铺装层病害的主要原因如下：①配筋材料选择不合理。混凝土桥面铺装参与结构受力，如果将配筋视作构造钢筋或钢筋间距过大，容易导致铺装层的承载力不足。②混凝土质量差。混凝土质量直接决定了桥面铺装层的性能和运营寿命。当混凝土水灰比偏大时，容易出现收缩裂缝。尤其是夏季，混凝土水分蒸发较快，如果不及时养生，混凝土铺装层也容易开裂。③施工质量控制不当。混凝土铺装层在施工前未按照设计文件要求清除桥面浮灰及杂物、未进行凿毛处理，导致桥面铺装与桥面板粘接性能差，降低铺装层与主梁的整体承载性能。

2.2.2 伸缩缝病害成因

伸缩缝是为了适应桥梁结构的收缩和膨胀变形而在桥梁结构物一联的梁端之间，以及梁端与桥台背墙之间设置。伸缩缝暴露在外界环境中，且直接承受车辆荷载，容易出现损毁，从而降低行车舒适性，增加行车噪音。此外，雨水也会通过伸缩缝渗入梁体，威胁桥梁结构的安全。

橡胶伸缩缝是公路桥梁结构中最常用的伸缩缝，其病害包括胶条破坏、胶条剥离、锚固螺栓松动等，具体原因如下[4]：第一，设计原因。比如伸缩缝选型不当、伸缩缝构造锚固的构件强度不足，伸缩缝宽度不合理等。第二，施工原因。伸缩缝对施工工艺要求高，如施工之前，技术人员未对工人进行技术交底，工人无法准确掌握伸缩缝具体的施工步骤和施工要点。当伸缩缝为采用专门安装工具施工、锚固件焊接质量较差、伸缩缝间距与设计不符等，都容易导致伸缩缝破坏。第三，养护原因。桥梁伸缩缝的使用环境较恶劣，但目前大部分桥梁结构在养护期间并未对伸缩缝开展定期的检查维修，伸缩缝内的杂物尘土无法及时清理，使其在荷载作用下的伸缩量无法保证，从而影响伸缩缝的耐久性和使用寿命。

2.3 桥头跳车病害成因

2.3.1 材料刚度差异

路基填料为土体，属柔性材料，而桥台是钢筋混凝土浇筑而成，属于刚性构件。由于路基填土和桥台材料刚度不同，在相同车辆荷载作用下，两者之间不可避免地会产生不均匀沉降。高速公路经过长期运营，路桥过渡段的不均匀沉降持续累积，最终导致桥头跳车病害。

2.3.2 地基土的性质变化

为了上跨公路、铁路、沟渠等，桥台路基的填土高度一般较大，路基填筑后会在地基土中产生较大的附加应力。如果桥台范围内的地基土承载力较低，地基土会产生较大的工后沉降，从而加剧桥头跳车病害。

2.3.3 施工控制不严

桥台两端的路基填土较高，且其施工一般是在桥台工程完成后，施工作业面较狭窄，使得桥台附近的土体难以压实，运营期间会因强度不足造成凹陷。

3 公路桥梁加固方法分析

高速公路桥梁加固的目标是对已经发生病害的采取一定措施，以提高桥梁结构的承载能力，恢复桥梁使用性能，延长桥梁使用年限。

3.1 桥梁加固原则

公路桥梁加固设计是一个全方位、多层次的决策问题，在选择加固方案时要层层比选、不断深入，并遵循以下几条原则[5]：第一，要明确桥梁加固目标。设计人员要结合桥梁病害的实际情况，确定要实现的加固目标，并将加固目标贯穿于桥梁加固设计的全生命周期中。第二，保证加固方案科学性。要对各个加固方案进行技术性和经济性比选，保证加固方案的科学性，不能为了提高桥梁结构的性能而盲目参考类似项目的加固经验。第三，与环境相结合。桥梁结构的加固方案要与周边环境相协调，以促进桥梁结构的可持续发展。

3.2 桥梁结构加固

3.2.1 增大截面加固法

公路桥梁结构采用增大截面法加固就是在混凝土外侧新浇筑一定厚度的混凝土，加大原有构件尺寸，并在混凝土中加入补强钢筋。增大截面加固法计算简单，施工便利，能显著提高原结构强度，且加固后对既有桥梁外观和周边环境，但可能导致桥下净空减小。

在施工之前，要先将混凝土结构表面的浮浆、油污等杂质清理干净，并将表面凸起部位磨平。对于外漏的已生锈钢筋，也要打磨干净。新浇筑的混凝土不应太薄，不应小于现行规范对最小钢筋保护层厚度的要求。同时，要严格控制新浇筑混凝土的振捣质量，避免混凝土表明产生蜂窝、麻面等病害。

3.2.2 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法是利用粘结剂将钢板粘贴在混凝土结构的表面（出现病害或受力薄弱的位置），以增大其强度和承载能力。加固所用的钢板宜采用Q235钢，且粘结剂要能提供足够的粘结强度，以保证钢板与混凝土不脱落。根据相关研究成果，粘结强度与混凝土等级密切相关，见表2。

表2 不同混凝土强度下粘结强度

粘结钢板加固期间，需要再混凝土结构上钻孔植入螺栓，从而损伤原混凝土结构。为了保证桥梁结构的安全性，施工人员要严格按照设计图纸给出的孔位钻孔。如有异常，及时与现场设计代表沟通。

3.2.3 粘贴碳纤维加固法

碳纤维简称CFRP，有碳纤维板、碳纤维织物两种。作为一种新型材料，碳纤维在公路桥梁加固中的应用日益广泛。当桥梁配筋率不足或钢筋外漏锈蚀时，利用碳纤维加固能显著改善桥梁构件的抗弯和抗剪能力；当桥梁配筋率较高且钢筋无锈蚀，仅粘贴碳纤维加固桥梁结构效果不明显，此时可与其他加固措施联合使用，以降低构件延性。大量工程实践表明，桥梁结构采用粘贴碳纤维法施工周期墩，耗费的人力和设备少，且对桥梁外观基本无影响。

3.2.4 体外预应力加固法

体外预应力筋加固法属于种主动加固法，是将预应力筋作用在梁的下缘受拉区，通过张拉对梁体产生预压力，使梁上拱抵消外荷载产生的内力，从而提高既有桥梁的承载能力。体外预应力筋加固法的具体施工流程见图2。

图2 体外预应力加固流程

由图2可知：体外预应力筋加固法施工工艺复杂，施工难度大，对施工人员的技术水平要求高，且体外预应力筋的防腐难度大，导致后期养护费用大。如果桥梁所在地区无专业加固团队，不建立采用该方法。

3.3 桥头跳车加固

高速公路的路桥过渡段出现桥头跳车病害后，宜采用高压喷射注浆法来加固，即利用高压设备将水泥浆液以较快的速度、较大的能量通过喷嘴喷射到土体中，土颗粒与喷射浆液均匀地混合在一起，形成新型网格结构，以提高土体强度和刚度。需要注意，随着水泥浆液喷射距离的增大，喷射流能量会减小，无法切削土体，使土体与浆液混合。因此，高压喷射注浆法加固桥台路基的关键是确定喷射流的速度v，见式（2）：

式中，φ——喷嘴流速系数，无量纲；g——重力加速度，取9.81 m/s2；p——喷嘴压力（kPa）；γ——水的重度，取1 000 kN/m3。

同时，为了提高桥头跳车加固效率，利用上述公式计算了不同喷嘴压力下的喷射流速度.见表3。设计人员可根据此表直接选择设计参数。