简支梁桥上部结构病害成因加固对策及维护质量控制

摘要 为了保证简支梁桥运营期间的安全性，文章以王家车路随塘河桥为研究对象，从设计、施工、外界环境等方面分析了简支梁桥上部结构的病害成因，针对翼缘锈胀露筋、梁底网状裂缝等病害制定了方案一（维修加固上部结构）和方案二（更换上部结构板梁），开展了技术经济对比，确定优先选择方案一来加固桥梁。随后，阐述了桥梁上部结构加固的控制方法，研究成果可为类似桥梁加固提供理论指导。

关键词 简支梁桥；上部结构；病害成因；加固措施；质量控制

中图分类号 U445.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0126-03

0 引言

简支梁桥的受力简单、造型美观、施工难度小，在城市桥梁中取得了广泛应用。上部结构直接与车辆荷载和外界环境接触，其性能直接影响了桥梁上的行车安全性。然而，很多早期建设的简支梁桥存在设计理念落后、技术指标取值低、施工质量控制不严格等问题，出现了裂缝、钢筋锈蚀等病害，对行车安全产生不利影响。为了解决这一问题，需准确分析上部结构病害成因，采取经济合理的加固措施并严格控制维护质量。

1 工程概况

1.1 总体布置

王家车路随塘河桥建于1999年，位于浦东新区王家车路，桩号为K0+096，通行荷载为15 t，桥梁原设计荷载等级为汽-20级、挂-100级。桥梁与路线正交，是一座偏东西走向的桥梁。桥梁全长36 m，横断面总宽度为7.6 m，横向布置为0.3 m钢筋混凝土护栏+7 m车行道（沥青混凝土）+0.3 m钢筋混凝土护栏。上部结构的跨径组合为（10+16+10）m，边跨为钢筋混凝土简支空心板梁，中跨为预应力混凝土简支空心板梁，每跨横向由7片板梁组成。下部结构为桩柱式墩台，均采用板式橡胶支座，并在桥台处设置型钢伸缩缝，如图1所示。

1.2 建设条件

工程地处滨海冲积平原，地势东南高、西北低，属典型的海洋性气候，四季分明，雨量充沛，光照充足，温度适中，全年平均气温15.7 ℃，平均年降水量1 123.7 mm。经勘察，工程所在地的地层为全新世的海相及河湖相沉积层，岩性以黏土、亚黏土及粉砂为主，常年平均水位约2.8 m。

1.3 桥梁构件病害编号

为了准确地描述王家车路随塘河桥上部结构的病害位置，以路线桩号增大方向为前进方向，将桥跨分别编号为第1跨、第2跨、第3跨。同时，面向前进方向将每跨梁板自右向左依次编号为1#板、2#板、3#板……7#板。以第1跨自右向左第3块空心板为例，其编号可写作1#～3#板梁。

2 上部结构病害类型及其成因分析

2.1 上部结构病害类型

由现场踏勘及检测报告可知，王家车路随塘河桥的上部结构板梁外观质量良好，病害主要有板梁翼缘局部锈胀露筋，板梁梁底存在网状裂缝、渗水泛碱现象，病害具体位置和参数见表1。

2.2 上部结构病害成因

经过详细分析，将王家车路随塘河桥上部结构病害的成因划分为设计原因、施工原因、外界环境原因三个方面，具体阐述如下：

2.2.1 设计原因

设计水平会直接影响桥梁的施工质量和后期运营水平。王家车路随塘河桥因建设年代久远、投资金额少、设计理念较落后等原因，部分构件的技术指标较低，比如钢筋保护层厚度小、混凝土等级低、安全富余系数小、未考虑温度应力或混凝土收缩徐变应力等，导致桥梁的路用性能难以满足日益增长的车辆轴载[1]。

2.2.2 施工原因

施工對王家车路随塘河桥上部结构病害的影响体现在两个方面：一方面，原材料性能不佳。良好的原材料性能是保证桥梁结构服务水平的基础，如果混凝土（水泥、砂、骨料、拌和水等）、钢筋等原材料进场后不能按现行施工规范要求进行检测验收，可能将物理力学参数差的材料用于桥梁构件。经多年运营后，构件性能劣化严重。另一方面，施工工艺不当。桥梁的中跨为预应力混凝土板梁，当施工不规范时可能会使本应保持直线的预应力筋处于曲线波动状态，波动的预应力筋会使得空心板下方的混凝土产生向上的推力或向下的压力。当受力超过混凝土的极限强度时，会产生裂缝。同时，空心板底板厚度较薄、底板钢筋布置较密集，空心板在浇筑时振捣空间有限，难以震荡密实，使底板混凝土的浇筑质量较差。在车辆荷载反复作用下，桥梁容易出现网状开裂[2]。

2.2.3 外界环境原因

桥梁在运营时所处的外界环境并非固定不变，这会使桥梁耐久性下降。一般情况下，桥梁混凝土构件中的钢筋存在一层致密的氧化膜，使钢筋与外界的水和空气隔绝，以防止钢筋生锈。当桥梁所处外界环境的二氧化碳（CO2）含量高，CO2会通过桥梁构件表面空隙扩散，与混凝土中的碱性成分产生“碳化反应”，降低混凝土pH值，使钢筋不再受到碱性环境的保护，从而破坏钢筋表面的钝化膜，致使钢筋表面只有局部较小区域的钝化膜破坏，加速钢筋锈蚀。

钢筋锈蚀使其中的铁元素变为铁锈脱落，减小钢筋的截面积，降低钢筋承载力。同时，钢筋锈蚀后表面会包裹一层疏松多孔的“黑锈”（Fe3O4），增大钢筋的体积，使得钢筋周围混凝土产生膨胀压力，导致混凝土保护层开裂。反过来，这又会加速钢筋锈蚀，从而形成恶性循环，直至混凝土完全破损。在上述钢筋锈蚀过程中，发生的“电化学反应”如下：

Fe2++2（OH）?→Fe（OH）2 （1）

6Fe（OH）2+O2→2Fe3O4+6H2O （2）

3 桥梁上部结构加固对策分析

3.1 加固设计原则

王家车路随塘河桥加固时可维持设计荷载标准和横断面不变。为了保证桥梁加固质量，在桥梁结构加固设计时应坚持以下原则：一是安全性原则。设计人员既要考虑各种病害导致的桥梁结构承载力降低，又要考虑加固措施及其施工对桥梁结构承载力的不利影响或损伤，不应增加桥梁恒载，确保桥梁在施工和运营期间的安全性。二是施工便利性原则。桥梁结构的维修整治方案要充分考虑现场的施工条件，要便于施工，尽可能减少对桥上、桥下正常通行的干扰，保证新老结构的可靠连接。三是经济性原则。桥梁结构加固措施选择要在满足功能要求的前提下，兼顾经济性原则，避免不必要的拆除、更换，以节约工程造价[3]。

3.2 加固方案对比

3.2.1 方案一：维修加固上部结构

王家车路随塘河桥的上部结构板梁外观质量良好，无明显的下挠变形现象。根据《王家车路随塘河桥检测报告》，其上部结构技术状况评定等级为3类，属于中等缺损，尚能维持正常使用功能。因此，该桥梁应优先加固上部结构。对于板梁锈胀露筋处，先凿除疏松混凝土，露筋部分钢筋需除锈，冲洗干净后采用环氧砂浆修补；对于板梁梁底网状裂缝、泛碱处，采用水泥基渗透结晶型防水材料或压力注浆法封闭裂缝。需注意，维修加固上部结构只能维持桥梁现状承载能力，施工完成后应加强管理，严禁控制超载或重载车辆的通行。

3.2.2 方案二：更换上部结构板梁

王家车路随塘河桥建于1999年，限载15 t，经过多年运营，上部结构板梁梁底存在大量网状裂缝、渗水泛碱现象严重，且该桥的重载和超载车辆比例占比增加。经检测，上部结构承载能力无法满足现行规范要求的公路—Ⅱ级标准，可更换桥面板，提高上部结构承载力。

3.2.3 方案对比

王家车路随塘河桥加固方案确定后，拟从技术和经济两方面对比两个方案，见表2。

综上，为尽量减少对周边交通的影响，节约工程投资，建议优先采用方案一，即对桥梁上部结构进行维修加固。

4 桥梁上部结构病害维护质量控制

4.1 板梁锈胀露筋维护

对于板梁锈胀露筋处，维护步骤为：凿除疏松混凝土—露筋部分钢筋除锈并用清水冲洗干净—环氧砂浆修补[4]。

4.1.1 疏松混凝土凿除

对于疏松混凝土，施工人员宜采用小型设备凿除，严禁采用振动和冲击力过大的机械设备，严禁野蛮施工。此外，还要按照施工缝的基本处理要求对结合面进行凿毛，并用高压水枪将凿除的碎屑、灰尘冲洗干净，使得旧混凝土的凿除界面应全部露出本体混凝土（即去除硬化的表面层），粗骨料要求露出50%，确保表面凹凸不平度不小于6 mm。

4.1.2 钢筋除锈处理

疏松混凝土凿除后，可立即用钢刷清除钢筋表面的浮锈，使之露出钢筋金属光泽。对经探查确定的钢筋锈蚀区域，还应清除混凝土表面的油污、油脂、蜡状物等有机污物。随后，在外漏的钢筋表面涂刷一层钢筋保护剂，用于隔绝钢筋与外界环境的接触，降低氧气、水汽及其他腐蚀性离子对钢筋的侵蚀。

钢筋保护剂材料特性应满足设计文件要求，涂刷时要薄而均匀，建议涂刷2遍，每次间隔至少6 h。由于钢筋保护剂属化学产品，施工时施工人员要做好防护。同时，钢筋保护剂的施工温度不宜过高或过低，控制在10～

30 ℃为宜，不得为了节约成本，稀释处理。需注意，在霜冻或雨水天气不得涂抹钢筋保护剂。

4.1.3 环氧砂浆修补

环氧砂浆是以环氧树脂为主要成分，添加填料、硬化剂、增塑剂等均匀拌和而成的砂浆，具有良好的黏结力、耐久性、抗腐蚀性等。对于破损面积较大的区域，可采用环氧砂浆进行处理。环氧砂浆施工前，应确保修补区域处于干燥状态。同时，环氧砂浆应连续施工，不得无故中断，施工完成后及时覆盖薄膜养护，确保其7 d抗压强度＞50 MPa，28 d抗压强度＞60 MPa。

4.2 板梁梁底網状裂缝和泛碱维护

王家车路随塘河桥的梁底网状裂缝处理前，要开展现场调查，统计裂缝数量、长度、宽度等，为裂缝编号后绘制裂缝分布图[5]。网状裂缝应结合裂缝宽度选择处理方法，宽度＜0.15 mm的梁底网状裂缝宜采用水泥基渗透结晶型防水材料封闭裂缝，对于宽度≥0.15 mm的梁底网状裂缝宜采用压力注浆法修复裂缝。

网状裂缝修补前，要将裂缝缝口处理得平顺、干燥、无油污，具体处理范围可取沿裂缝走向宽30～50 mm。竖向、斜向裂缝压浆应自下而上进行。当注入裂缝的修补胶的固化期达到7 d后，应采用取芯法来检验注浆效果，检测结果见图2。

在该桥梁上随机抽取5个点测定修补胶7 d固化强度，平均值为51.8 MPa，大小关系为：B＞E＞A＞C＞D，满足设计文件要求。

5 结束语

该文以王家车路随塘河桥为研究对象，分析了简支梁桥上部结构的病害成因、病害加固设计原则、加固方法及质量控制，研究成果表明：经过多年运营，简支梁桥的板梁容易出现翼缘锈胀露筋、梁底网状裂缝、渗水泛碱等病害，病害发育情况与设计、施工、外界环境等因素密切相关。如果桥梁外观质量较好，无明显变形，可优先选择维修加固上部结构的方案来恢复桥梁承载力。对于板梁锈胀露筋，严格控制凿除疏松混凝土、钢筋除锈清理、环氧砂浆修补等工序。对于梁底网状裂缝，需根据裂缝宽度选择结晶型防水材料或注浆法封闭裂缝。

参考文献

[1]欧阳平， 崔振山， 刘文强， 等. 山区受灾桥梁病害成因分析及加固技术研究[J]. 公路， 2022（5）： 164-170.

[2]尤正奇. 简支梁桥上部结构病害成因加固对策及维护质量控制[J]. 山东交通科技， 2021（2）： 67-70.

[3]刘洋， 胡星宇. 城市桥梁病害分析及加固对策——以桥梁支座失效为例[J]. 惠州学院学报， 2019（6）： 73-77.

[4]陈瑞敏， 杨廒葆. 高速公路桥梁常见病害成因分析及维修加固对策[J]. 内蒙古公路与运输， 2018（6）： 60-62.

[5]冯海龙. 在役预应力混凝土空心板梁桥病害处置对策及加固效果试验研究[D]. 北京：中国铁道科学研究院， 2016.

收稿日期：2023-11-28

作者简介：王学琛（1992—），男，本科，工程师，从事桥梁设计工作。