道路桥梁工程结构的病害与加固技术

2024-04-03谢茂宇

城市建设理论研究（电子版） 2024年4期

关键词：桥梁工程支座工程师

谢茂宇

中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司重庆 400023

现阶段，在道路桥梁工程结构病害管控过程中，工程师需要采取有效的加固措施，对结构破损部位进行补充完善；同时通过前期细致、深入分析，进行结构损坏程度评价、结构计算，采取灵活高效的管控方法，提升整体结构的稳定性和牢固性。

1 道路桥梁工程结构的病害

1.1 裂缝

裂缝是道路桥梁工程结构中常见的病害，其通常是由荷载或应力失衡所导致的。比如当桥梁的荷载发生变化时，会导致结构内部的应力分布改变。高应力区域可能导致整体结构发生裂缝，从而影响结构的稳定。另外，大部分桥梁工程通常是以钢筋混凝土为主体结构，而相关主体结构极易受到外在温度的影响，出现膨胀或收缩现象，当相关指标超出应力结构的承载极限时便会引起裂缝[1]。具体来说，由于不同材料具备不同的热膨胀系数以及机械特性，如果工程人员未对温度问题进行把控，未进行实时高效的温度监测，则会导致结构出现裂缝。除此之外，外在环境因素也会给道路桥梁原有结构带来破坏，削弱结构的稳定性，降低强度，从而导致其裂缝现象进一步加剧。

1.2 锈蚀问题

在道路桥梁工程结构中包含大量钢结构材料，相关金属物质极易受到外在理化环境的影响。当区域氧气和水的含量过高时，便会引发相应的氧化反应，产生金属氧化物，从而给表面带来锈蚀问题。另外当金属表面与水接触，在氧气的共同作用下，会导致氧化反应加剧。一般情况下，道路桥梁工程中所产生的锈蚀现象通常包含一个完整的电化学过程，涉及阴极区域和阳极区域。而为了有效管控道路桥梁工程中的锈蚀问题，工程师通常会结合牺牲阳极的方法来减缓腐蚀。但是由于工程人员未对阳极材料进行定期更换，从而导致阴极材料遭受腐蚀影响。除此之外，在部分高浓度盐碱的地区极易生成相应的电解质，提供导电通路，从而导致整个钢结构材料的锈蚀问题加剧，一旦相关金属材料产生锈蚀现象便会引发金属膨胀，导致结构开裂。工程人员在锈蚀管控过程中需要重点对腐蚀速率进行计算，评估锈蚀的严重程度，通常以毫米每年或英寸每年作为计量单位，必要时采取有效应对措施，同时也需要根据百分比或等级来表示金属表面的锈蚀程度，分为轻微、中等、严重等不同的级别。但是由于工程师、技术人员在对锈蚀参数管控过程中未对锈蚀类型、位置、材料特性进行细致深入分析，对点蚀、普通腐蚀、孔洞腐蚀等问题未引起足够重视，从而导致结构出现变化。

1.3 混凝土剥落

混凝土剥落在道路桥梁工程结构中较为常见，其通常表现在混凝土桥梁结构表面脱落、破碎，导致整体结构的耐久性和安全性大幅度降低。引发混凝土剥落病害的原因较多，首先冻融循环是导致混凝土剥落的常见因素，一般情况下，混凝土吸水后会膨胀，以至于内部应力增加，在超出极限数值时，导致结构崩塌、破裂；另外，当相关区域的盐碱腐蚀过大时，会引发混凝土内部溶解和再结晶，会伴随热量的释放，从而出现相应的热膨胀现象。在沿海地区以及冰雪融化地区的盐腐蚀现象较为明显。

其次，混凝土如果存在碳化的现象也会出现结构剥落脱离的情况，当碳酸气体渗入到混凝土内部，会导致部分混凝土结构的碱性成分发生综合反应，导致其原有结构形状发生变化，从而在混凝土表面出现剥落现象。除此之外，化学物质的腐蚀也是引发结构剥落的核心因素，在酸雨或腐蚀性物质的影响下，会导致混凝土中的胶凝材料分解，以至于混凝土表面出现破损。工程师在对混凝土剥落情况进行管控过程中，需重点对剥落面积、深度、类型、位置进行严格细致分析，以便在后续修复过程中能够对人工、材料、设备进行合理调配和使用。

1.4 蜂窝状剥落

由于在道路桥梁工程中存在大量的混凝土结构，因此其难免会出现蜂窝状剥落的现象。具体表现在混凝土结构出现小凹坑或凹陷区域，以至于结构不平整。一般情况下，混凝土结构出现蜂窝状是由于混凝土搅拌浇筑不到位，在搅拌或浇筑环节存在振捣时间、力度不足，以至于混凝土中的气泡无法排除干净，在后续凝结过程中形成空气、空洞，最终形成对应的凹陷区域，久而久之也会导致相关结构出现蜂窝状的剥落现象；另外，在混凝土中的空气空隙过大、气泡过多也会形成蜂窝状，由于振捣不充分，或在混凝土中掺入杂质，导致气孔面积增大；并且，在部分混凝土骨料中，由于工程师未对其结构形状进行把控，以至于骨料中掺入了大量的空气，最终会导致混凝土结构不完整；再加上工程人员在初期凝结阶段未对混凝土结构进行养护，导致表面的水分快速增发，最终形成蜂窝状态，以至于整体结构受到严重损伤。因此，蜂窝状剥落也是道路桥梁工程中常见的病害，由于工程师未严格管控混凝土的浇筑、养护的细节，以至于混凝土结构遭受到破坏。

2 道路桥梁工程结构的加固技术

2.1 梁下加固

梁下加固技术在道路桥梁工程中的应用较为常见，相关加固技术主要是通过增强桥梁结构的承载能力，特别在混凝土桥梁结构中，工作人员可通过结构管控，对应力结构进行补充优化，提升整体结构的稳定性和牢固性[2]。工作人员在该环节需要对加固材料、架构、工艺以及施工技巧进行灵活选用。首先，工作人员需要评估结构的完整性，检测当前桥梁的状态，对上文所讲解到的腐蚀、损伤、裂纹等影响结构强度的因素进行分析，评估在梁下加固过程中所需要使用的加固工艺材料，以及所需要达成的加固效果。一般情况下，在对加固材料进行选用环节包含对预应力混凝土、复合材料、碳纤维增强材料的使用，须考虑桥梁的负载需求以及外在环境条件，结合工程预算，对梁下加固措施进行合理选用；紧接着，工作人员便需要对工作进行结构设置，其作为梁下加固中不可或缺的一部分，起到传递荷载的作用。支柱结构应当具备几何形状，能够均匀分散外部应力，确保整体结构稳固可靠。在具体加固过程中，工作人员可通过添加横梁的方式，在底部增加新的横梁装置来承接荷载；同时也可利用预应力混凝土来增强结构强度，如加装钢板来提供额外的应力支持。而针对部分特殊的结构，如损伤、裂纹、剥落，工程师可利用喷涂混凝土的工艺，将相关结构补充补全。在梁下加固过程中，工作人员需要进行负载测验，验证承载能力是否满足标准；之后再逐步施加荷载来监测结构形变状况，确保桥梁在后续使用过程中更加安全、可靠。

2.2 支座更换

在对桥梁结构进行加固的过程中，工作人员也需要对支座更换作业引起足够重视，其作为桥梁升级以及结构替换过程中不可或缺的一项举措，工作人员需要采取顶层设计，完成对整个结构的优化改善。一般情况下，当桥梁工程出现老化、腐蚀现象，其结构承载性能会大幅度降低，并且在地震、交通事故以及意外事件的影响下，可能会导致支座损坏，因此对支座进行不断升级、优化是必不可少的。同时，随着技术不断更新、升级，支座技术取得不断发展进步，此时可进行新旧技术的替换，通过更换支座来提高桥梁结构的综合承载性能。

首先，在支座更换环节，工作人员需要进行全方位的技术评估、细节评估，确定支座是否需要更换，参照前期的工程调研，分析病害机理和影响程度，制定出全新的新支座施工计划和更换方案；紧接着，工程师便需要对支座进行设计，通常情况下可结合橡胶支座、钢支座，根据桥梁设计要求来完成对不同支座的选用。在正式施工前，施工人员需要将旧支座拆除掉，但是也需要完成对支护结构的施工，保障拆除工作安全进行；紧接着，便需要对新支座进行安装调整，保证其在正确位置上发挥出应有的性能。在完成支座的更换之后，工程师便需要测验新支座的性能，在测试通过之后，再将桥梁工程投入使用。

2.3 混凝土修复和加固技术

在道路桥梁工程结构加固作业中，工程师也需要合理应用混凝土修复和加固技术，提升工程结构的稳定性。首先，工作人员需要对混凝土表面进行修复清理，比如将其表面的污垢、油脂以及松散的混凝土清理干净，并选取合适的修复材料，如修复砂浆、聚合物，将其灌注到对应的裂缝区域，对孔洞损坏进行修复。为了提高修复效率，工作人员可适当选用粘接剂，保证修复材料与混凝土材料粘接良好。而在后续对混凝土进行加固的过程中，工作人员可采取钢筋加固措施，可在混凝土结构中增加对应的钢结构，在其中设置钢筋材料，并且重新进行浇筑，以此来增强其抗张强度。针对部分特种混凝土，工作人员可采取碳纤维增强材料，对其进行修复改善，通过将其贴附在混凝土表面，可使其结构强度得到提升。

而为了进一步提高加固水平，工程师也可采取预应力加固策略，例如在混凝土中施加压力，并且稳步施加对应的平衡控制操作，调整张力钢筋，然后在混凝土凝固之后释放压力，使得应力得以形成。但是在使用预应力加固技术的过程中，工作人员还需要分析道路桥梁工程的荷载状况，保证外部荷载与预应力能够做到抵消、平衡，从而减少结构损坏的风险。除此之外，在部分混凝土修复和加固技术体系中，工作人员也可采取喷涂修复的方法，针对部分道路桥梁工程大面积混凝土脱落、剥落的情况，可采取喷涂材料，借助聚合物修复较大的损坏区域。在该过程中可能会涉及浇筑修复策略，包含准备模具，浇筑新混凝土来取代损坏部分，但是也需要优先将相关区域的杂质清理干净。在完成修复之后，工程师需要根据道路桥梁的使用需求对其中的结构参数进行实时高效监管分析，制定更加完善的监测计划和方案，保障整体结构更加牢固可靠。

2.4 增加支撑结构

支撑结构是一类常见的加固单元，其作为桥梁工程结构加固技术中不可或缺的一部分，可提升整个桥梁工程结构的存在性能。在对支撑结构进行选用的过程中，工作人员需要进行结构评估，比如分析桥梁的应力状态，基于评估结果来完善支撑结构的设计方案，如支撑柱的参数、数量。但是，工程师需要对其位置进行严格把控。在对支撑柱进行选用的过程中，工作人员需要考虑在相关区域新增加对应的支撑结构，涉及对地基工程的把控，须考虑地基的承载性能，结合桥梁负荷状况，对支撑柱的直径大小、结构强度进行合理设置。一般情况下，新增加的支撑柱通常为钢筋混凝土结构，而相关支撑结构通常放置在桥梁的下部区域，提升整个结构的稳定性和牢固性。而具体的材料须根据施工设计得到确定，但是在此之前，工作人员也需要进行静力和动力分析，确保新增加的支撑结构不仅能够承受静态负载，也能够应对动态负荷，比如对交通荷载和地震进行管控。在整个支撑结构中难免会涉及施工连接部分，施工连接是否稳定可靠，影响着整个支撑结构是否能够发挥出应有的作用。工程师须根据前期的设计规范标准，对结构部件进行连接安装，选取合适的连接件以及固定方法，保证支撑结构与原有桥梁结构紧密牢固地粘接在一起。最后，工作人员需要进行实时高效的应力测试分析，对支撑结构所发挥出的实际作用进行评判，以此来评估支撑结构的实际使用效果。

2.5 使用预应力技术

预应力技术主要是改变桥梁的受力状态，根据外在荷载大小，向道路桥梁系统施加对应的预应力，保证外部荷载与内部应力平衡。因此，在整个预应力加固技术体系中，工程师需要对结构中预应力大小部位进行分析评估，确定其中的关键指标。在该环节，工程师需要选取合适的预应力材料，包含钢丝绳以及各类钢缆，保证预应力材料具备足够强度和弹性[3]。在此过程中，工作人员还需要完成对锚固系统的设计，用于固定预应力材料，保证整体结构能够发挥出应有的性能，其通常包含对锚固装置、锚固板、钢套钉的配套使用。整个锚固系统的设置须满足对应的安全承载需求，需要将相关预应力传递到混凝土结构中，从而才能够发挥出应有的作用。在该环节便涉及预应力的施加作业，通过在预应力材料上施加张力，调整其大小和方向，从而改变道路桥梁结构原有的应力状态。在完成对预应力的施加之后，工作人员便需要固定结构，包含混凝土浇筑以及预应力传递，提升整个结构的稳定性和耐久性。但是，工作人员在后续也需要进行持续高效地监测和调整，对预应力状态进行深入、细致分析，评估整个预应力加固是否达成对应的效果，提高加固管理水平。

2.6 防腐蚀保护

通过上文的病害分析不难看出，由于道路桥梁结构的钢筋混凝土遭受到外在环境的腐蚀影响，其结构性能大幅度降低，为了有效管控由腐蚀而导致的结构破损问题，工程师需要在加固作业中采取有效的防腐保护，提升整个结构的抗腐蚀性能。首先，工作人员需要对混凝土以及金属材料表面脏污、锈蚀、污垢进行清除整理，包含磨砂、刷洗、喷砂以及高压水清洗等操作；紧接着，便需要涂抹对应的防腐涂层，工程师须根据不同类型的涂料，在不同结构采取差异化的防腐方式，可利用环氧涂料、聚氨酯涂料，在金属表面形成一个致密的氧化层，防止水分和氧气进入金属内部。另外，工作人员也可采取阴极保护措施，结合牺牲阳极法，定期对建筑材料中的阳极结构进行补充、完善，从而达到抑制腐蚀的效果。需要引起注意的是，工程师需要定期进行维护检测，对防腐涂层进行更换、补充，并且修复、更换损伤的部件。但是在对腐蚀问题进行预防管理期间，工作人员也需要严格参照环境监控数据，包含对当地盐分、湿度、化学物质的监管，以此来确定是否需要采取额外的措施来提升整个结构的安全性能。