钢筋混凝土桥梁病害分析及预防

2010-08-15李顺起肖子旺王子强

黑龙江交通科技 2010年12期

李顺起,孙勇,肖子旺,王子强

（1.黑龙江省公路勘察设计院设计二处；2.东北林业大学土木工程学院）

1 概述

钢筋混凝土结构在当今桥梁建设中具有举足轻重的地位,然而,各种病害问题却给其带来了诸多方面的安全隐患。因此,钢筋混凝土桥梁的病害分析及预防应予以充分重视。当代交通基础设施建设质量的高标准对建筑材料、结构形式、系统化的管理维护,提出了更严格的要求。因此,钢筋混凝土桥梁的质量必须得以保证,先从其病害的分析与预防开始。这里将不利于桥梁结构安全的一切因素统称为病害。

2 钢筋混凝土桥梁病因分类

钢筋混凝土桥梁病害种类繁多、错综复杂,已经不再是狭义而单一化的问题,应是一个广义而空间化的科学体系。这里着重分析五个方面的病害。

（1）桥梁建筑材料的病害；

（2）交通运输业的大力发展；

（3）桥梁结构设计的不合理性；

（4）施工工艺与管理的问题；

（5）运营阶段的后期维护不到位。

2.1 桥梁建筑材料的病害

桥梁建筑材料病害。如裂缝、蜂窝、碳化、麻面、表面盐析、钢筋锈蚀等,均严重影响着结构的安全性与耐久性。

（1）混凝土的裂缝。

从混凝土自身收缩、徐变的角度看,裂缝的产生在所难免。只要裂缝的宽度在一定限度内是不会影响结构正常使用的,就是所谓的非结构性裂缝。但此类裂缝对结构耐久性有一定程度的影响。裂缝出现后,接踵而至的是腐蚀、冻融侵害,从而形成恶性循环,威胁桥梁结构的安全性。对非结构性裂缝也应进行及时有效的修补。而对结构性裂缝,应侧重关注结构强度、刚度、延性不足等引起的承载能力下降问题,需要首先进行结构受力分析,再对其进行加固补强后方可对裂缝进行修补处理。

（2）混凝土的蜂窝、麻面。

蜂窝、麻面等问题多产生在施工的浇筑、振捣阶段。其关键和要害是密实度。浇筑时间控制不合理,振捣不全面,振捣时间短、力度小都会降低混凝土的密实度,致使影响结构耐久性与混凝土表面美观。当然,在施工阶段其施工工序、技术方法、检验等方面措施得当,蜂窝、麻面问题是可以避免的。

（3）混凝土表面盐析现象。

混凝土表面出现盐析现象。如混凝土配合比设计的不合理,导致拌制时出现泌水现象；骨料可溶性盐或碱含量过高,在一定条件下析出；混凝土过长时间不浇筑产生离析等。出现此类问题的对策,应是严格控制建筑材料质量、掌握好混凝土的浇筑时机、根据施工环境合理调整混凝土配合比的设计,加强振捣,提高混凝土的密实度与抗渗性,减少盐析的毛细孔道,从而减少混凝土表面花白脸的现象,提高结构的耐久性。

（4）混凝土表面的碳化。

在大气环境下,桥梁结构的破坏部分是钢筋的混凝土保护层碳化,碱性降低,混凝土出现裂缝,大气中的氧气和水侵入混凝土中到达钢筋表面,并发生化学反应,引起体积膨胀,使混凝土的裂缝加大,最终引起保护层的开裂、剥落。防治碳化主要把握改善结构材料的防水性能和提高密实度两个方面。实验证明,施加拉应力会加大混凝土的碳化速度,而施加压应力则可以明显减小混凝土的碳化速度,混凝土的碳化速度随时间延长而明显减慢。因此,采用预应力混凝土结构可以有效的遏制混凝土碳化病害。

2.2 交通运输业的大力发展

近年来,随着国民经济、生活水平的提高,汽车数量剧增,已经超出了以往桥梁、道路等的设计交通量。交通运输业的大力发展,使基础设施建设如火如荼的进行着,建筑工地此起彼伏,诸如混凝土运输车这样的超重汽车也相应的多了起来,对已有的桥梁、道路构成了不小的威胁。

例如在桥梁结构体系中的双曲拱桥曾经是我国应用最普遍的一种桥型,由于受当时规范标准、设计水平、施工技术以及材料性能的局限,特别是在最近十余年间重荷载和大交通量的运营下,多数双曲拱桥已经出现了不同程度的病害。双曲拱桥在结构上继承了圬工拱桥的优良传统,在其外观上极具浓厚的民族色彩,又具有结构新颖、便于施工、自重轻、省料等优点,吸取了现代装配式钢筋混凝土桥的优点。但是大多数双曲拱桥在其运营30～40年后出现不同程度的病害,影响到交通正常运行。研究发现,双曲拱桥具有一定的超载能力,只要找到其病害的原因,通过对旧有双曲拱桥承载能力进行正确的评价,采用合理的加固方案,充分发挥和提高其承载潜力,其大多数是可以继续运营的。因此,对旧桥病害原因分析及合理加固方案的研究对保证交通安全运行有重大意义。

2.3 桥梁结构设计的不合理性

在桥梁的设计阶段,由于设计人员对设计理论的理解深度不够,设计时生硬的套取规范和采用标准图式,实践经验不足。用静态思维去解决不断进步发展的技术问题,桥梁在不同的环境和使用条件下会得出不同的布局和构造要求,规范更新再快也适应不了新技术、新材料、新工艺快速发展对结构设计提出的各种新要求。大量病害实例证明除了施工和材料方面的原因外,设计上的缺陷也是影响桥梁结构耐久性的决定性因素之一,长期以来,人们一直偏重于结构计算方法研究,而忽视对总体构造和细节处理方面的关注。合理可靠的结构设计除了满足规范要求外,还要求设计人员具有对结构本性的正确认识。

从桥梁的设计方面考虑,先简支后连续结构体系的设计思路很值得考究。简支梁桥是一种静定结构,是静定结构就注定它能够抵制温度、收缩、徐变、基础变位等产生的次内力,而其弱点就在于结构的跨中弯矩较大；对于连续梁桥,它的优势就在于主梁连续,行车顺畅,支点的负弯矩有效的削弱了其跨中正弯矩,从而减小梁高和自重,经济性较好。桥梁结构的设计应该取长补短,先简支后连续的结构形式正是对两种桥型优点的继承。

在预制装配阶段,由于混凝土的龄期较短,受温度、收缩、徐变的影响,构件的变形量比较大,但这时的变形结构恰好为静定结构,以上因素不会对结构产生温度次内力、支座反力、应力重分布等不良影响；在形成连续体系之后,各项应以连续桥梁进行计算分析,但是此阶段应力重分布、收缩、徐变已经基本趋于稳定,故很大程度消除了连续梁桥的弱势。所以钢筋混凝土桥梁的病因很大程度取决于结构的设计合理与否,设计者们应该善于融会贯通,使桥梁结构的设计更加合理化。

2.4 施工质量控制、管理的问题

不同的桥梁结构对应着多种施工工艺形式,需要根据不同的施工环境、施工组织设计规划、工期规定等采取最优方案。此外施工阶段的管理必须严格,施工技术方面严格按照相应规范执行,出现问题及时提出被选的解决方案。

某些有问题的小桥,出于桥面抗压、耐磨、防滑的考虑,桥面采用了水泥混凝土面层,但是在投入使用后的不长时间,桥面开始出现起灰的现象,这种病态在室内水泥地面使用阶段也较为常见。二者进行类比,可得出以下分析结论：材料配合比不合理、水灰比过大、水泥标号过低、细骨料级配较差等。因此在施工阶段,不能随便套用配合比,必须合理控制水、砂石、水泥及外加剂的用量,并对进场原材料及二次合成的材料进行严格的质量把关。

混凝土桥面的铺装看似施工方法简单,却是一件技术性很强的工作。桥面铺装材料要达到强度、刚度、耐磨、抗渗的设计指标,各阶段桥面标高、平整度要做到精益求精。若桥面平整度这一项指标未达到要求,就会产生跳车现象,降低行车的舒适度,且无形中增大了汽车的冲击力,使得结构的可靠度以及抗疲劳性能大打折扣。

因此技术人员应当将施工质量的科学控制、管理予以重视,减少此病害的发生。

2.5 运营阶段的后期维护不到位

桥梁的运营管理是颇具难度的,加上我国相应的管理制度建立相对滞后,执行力度相对较弱,超速、超载的情况有时发生,可能对结构造成无法补救的创伤。

桥梁在运营期间,常有出现裂缝、排水系统、伸缩装置被硬物塞住时,管理人员发现、维修的不及时,导致有害介质的渗透、钢筋的锈蚀、排水不畅、伸缩受限等严重病害的情况发生。

为保证运营桥梁质量,在日常运营过程中,应安排专门人员对桥梁进行养护工作并对所有运营桥梁组织安全隐患排查工作,委托专业的检测单位对运营桥梁进行检测和技术状况等级评定,建立健康档案。根据桥梁技术状况等级评定结果,对危桥及时进行改造,确保桥梁运营安全。当然,桥梁的健康安全还需要全社会的关注和群众广泛参与,关注交通、关注基础设施建设,通过群策群力,推动建立一整套有效的桥梁运营监测和管理系统来维护桥梁。