秦 彬彭 瓊

（1.甘肅省交通工程建設(shè)監(jiān)理公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅興隴交通工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030）

0 前言

過去的30年，我國開展了全球最大規(guī)模的橋梁建設(shè)。1980年底我國公路橋梁總數(shù)130003座，合計(jì)總長3686111延米；2011年底橋梁總數(shù)已達(dá)658126座，合計(jì)長度30483094延米。換句話說，30年間每年平均新建橋梁17604座（計(jì)893233延米）。國家高等級公路網(wǎng)絡(luò)的完善，支撐起國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，也便利了老百姓的出行。

另一方面，如此大量的新建橋梁投入使用帶來了養(yǎng)護(hù)管理的繁重任務(wù)。大規(guī)模建設(shè)中建設(shè)隊(duì)伍的技術(shù)素質(zhì)參差不齊、管理粗放、合理工期得不到保證等現(xiàn)象，導(dǎo)致了一些工程過早地出現(xiàn)“病變”。例如：混凝土劣化、鋼線材腐蝕、構(gòu)造細(xì)部與附屬設(shè)施病害等質(zhì)量通病[3]。與此同時(shí)，“大交通量、超重超限、高速行駛”的新形勢，對橋梁安全服務(wù)造成了新的威脅。

本文通過具體的工程實(shí)踐，探討橋梁裂縫的形成以及檢測、維修與預(yù)防的方法、方案，為解決新老橋梁建設(shè)和使用中的質(zhì)量病害問題；保證結(jié)構(gòu)安全，延長使用壽命，充分發(fā)揮建設(shè)橋梁的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 橋梁的基本組成

橋梁由“五大部分”和“五小部分”組成。

“五大部分”是指橋梁承受汽車或其他運(yùn)輸車輛荷載的橋跨上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)。其中包括橋跨結(jié)構(gòu)、支座系統(tǒng)、橋墩、橋臺、墩臺基礎(chǔ)，前兩個屬于橋跨上部結(jié)構(gòu)，后三個屬于橋跨下部結(jié)構(gòu)。

“五小部分”是指直接與橋梁服務(wù)功能有關(guān)的部件。其中包括橋面鋪裝、排水系統(tǒng)、防撞欄桿、伸縮縫、照明系統(tǒng)。

2 橋梁的主要病害與分析[2]

從橋梁的基本組成來看，橋梁作為一個跨越江河湖泊、山谷深溝、其它障礙物及保障道路連續(xù)性的人工構(gòu)造物，每個部分的各種病害都不同程度的影響它的功能和使用壽命。從現(xiàn)役橋梁的使用中出現(xiàn)的病害總結(jié)出以下幾種：

2.1 裂縫

裂縫是鋼筋混凝土橋梁中最普遍、最常見的病害之一，不產(chǎn)生裂縫的橋梁幾乎沒有。而且裂縫往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。

2.1.1 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型和成因

混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴(kuò)展而引起的，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因很多，大致歸納為兩類：

結(jié)構(gòu)性裂縫又稱荷載裂縫，是由外荷載引起的裂縫。由于結(jié)構(gòu)在荷載作用下，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的裂縫。橋梁工程中大量采用的受彎構(gòu)件，結(jié)構(gòu)性裂縫主要表現(xiàn)為彎曲裂縫和剪切裂縫。

彎曲裂縫是指在彎矩作用下，混凝土拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的裂縫，一般出現(xiàn)在承受彎矩較大梁段的受拉區(qū)，如簡支梁跨中梁段下緣受拉區(qū)，連續(xù)梁跨中梁段下緣和支座處上緣的受拉區(qū)。剪切裂縫是指在剪力或剪力與彎矩共同作用下，因主拉應(yīng)力過大在腹板兩側(cè)產(chǎn)生的裂縫，一般出現(xiàn)在承受剪力較大的支點(diǎn)附近截面及同時(shí)承受剪力和彎矩均較大的梁段。

非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生，多是受混凝土材料組成、澆筑方法、養(yǎng)護(hù)條件和使用環(huán)境等多種因素影響所致。

收縮裂縫中干縮是指在混凝土凝固過程中，混凝土中多余水分蒸發(fā)，引起的體積縮小。凝縮是指在水泥和水發(fā)生水化作用，逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密、體積縮小。混凝土的收縮以干縮為主，約占總收縮量的80%～90%。溫度裂縫是指鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫度變化將產(chǎn)生熱脹冷縮變形，這種溫度變形收到約束時(shí)，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)其達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，混凝土就會出現(xiàn)裂縫。

2.1.2 裂縫對混凝土耐久性的影響

裂縫與鋼筋腐蝕相互作用，將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)一步退化的惡性循環(huán)。鋼筋腐蝕與混凝土的碳化、氯離子侵蝕及水分、氧氣的存在條件是分不開的，提供這種條件的通道一個是毛細(xì)孔道，而另一個是裂縫。混凝土開裂后，鋼筋的腐蝕速度增大，產(chǎn)生腐蝕物體積膨脹，繼而產(chǎn)生順筋裂縫，進(jìn)一步擴(kuò)張裂縫。最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不斷退化，如此往復(fù)，結(jié)構(gòu)終將破壞。

混凝土裂縫存在，降低表層的混凝土保護(hù)作用?；炷帘韺拥募?xì)微裂縫一旦進(jìn)水，也會由于表面張力的作用而將十分保留在其中。經(jīng)過凍融循環(huán)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，將導(dǎo)致鋼筋腐蝕，混凝土耐久性降低。

2.2 混凝土碳化

混凝土碳化是指混凝土中的氫氧化鈣與滲透進(jìn)混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，碳化的實(shí)質(zhì)是混凝土的中性化。水泥在水化過程中產(chǎn)生大量的氫氧化鈣，使混凝土內(nèi)部的孔隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其pH值為12～13。在這樣高的堿性環(huán)境中，埋置在其中的鋼鐵容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面生成一層難溶的三氧化鐵和四氧化三鐵，通常稱為鈍化膜。它能阻止混凝土中鋼筋的腐蝕。當(dāng)有二氧化碳和水汽從表面通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)，將和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土的堿性降低。當(dāng)pH值小于9時(shí)，埋置在混凝土中的鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會發(fā)生腐蝕。

一般認(rèn)為，混凝土孔隙率越小，滲透性越差；密實(shí)性越好、氫氧化鈣含量越大，則混凝土的抗碳化性能就越好。影響混凝土密實(shí)性和堿性儲備的因素十分復(fù)雜，除了受周圍環(huán)境因素和施工因素的影響外，還與混凝土的材料成分有關(guān)。

2.3 鋼筋銹蝕

大量的工程實(shí)踐表明，鋼筋腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。鋼筋腐蝕伴隨著體積膨脹，使混凝土表面出現(xiàn)順筋裂縫，造成鋼筋與混凝土之間黏著力的破壞，鋼筋截面面積減少，構(gòu)件承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果。

2.3.1 混凝土碳化引起的鋼筋腐蝕

混凝土的中性化使失去鈍化膜保護(hù)的鋼筋，在氧氣和水的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋表面的鐵不斷失去電子而溶于水，鋼筋逐漸被腐蝕，反應(yīng)生成的氫氧化鐵進(jìn)一步氧化形成鐵銹。鐵銹體積膨脹，將引起混凝土開裂。

2.3.2 氯離子侵蝕引起的鋼筋腐蝕

氯離子是極強(qiáng)的去鈍化劑，它一旦進(jìn)入混凝土內(nèi)到達(dá)鋼筋表面，并吸附于局部鈍化膜處時(shí)，可使該處的pH值迅速降低，破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋腐蝕。氯離子雖然不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在腐蝕反應(yīng)中也不消耗，但是腐蝕的中間產(chǎn)物對腐蝕反應(yīng)起催化作用。

混凝土中的鋼筋腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，混凝土保護(hù)層出現(xiàn)順筋裂縫，使鋼筋與混凝土的黏結(jié)力下降，鋼筋截面面積減少，隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)受力性能將進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.4 混凝土堿集料反應(yīng)

混凝土中某些活性礦物集料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生的反應(yīng)。影響混凝土堿集料反應(yīng)的主要因素是：混凝土堿的含量、集料本身有無反應(yīng)活性和孔隙中的水量。堿集料反應(yīng)一般發(fā)生在構(gòu)件受雨水或滲水侵蝕和濕度變化的部位。堿集料反應(yīng)引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的速度和破壞程度，比其他形式的破壞更快、更嚴(yán)重，可使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性變形、變位等現(xiàn)象。有時(shí)也稱是混凝土結(jié)構(gòu)的“癌癥”。

2.5 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的破壞[3]

結(jié)構(gòu)構(gòu)造的破壞主要出現(xiàn)在伸縮縫和支座兩個部位：首先，伸縮縫：破壞特征為由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料老化和施工的因素造成接縫處不平、跳車、滲漏的現(xiàn)象。其次，支座：破壞特征為由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料老化和施工的因素造成支座偏位以至支撐不穩(wěn)、墊塊壓碎、功能喪失。甚至引起其他病害。

3 橋梁病害的預(yù)防及治理

3.1 病害預(yù)防

鋼筋混凝土橋梁，在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上考慮周詳有足夠的安全系數(shù)保證，施工工藝上縝密嚴(yán)格，材料選擇和級配上達(dá)標(biāo)，嚴(yán)格按操作規(guī)程辦事，不應(yīng)有病害發(fā)生。中國20世紀(jì)50年代的重大工程——武漢長江大橋通車后，8個水中橋墩均被船碰撞過，迄今有70多次，均未發(fā)現(xiàn)有危及橋梁安全的隱患存在[1]。從現(xiàn)實(shí)來看，混凝土等級提高了，卻很難做到這一點(diǎn)。現(xiàn)在大橋建設(shè)費(fèi)用越來越高，而工程質(zhì)量卻越來越差。在過去30年中，我國開展了最大規(guī)模的橋梁建設(shè)。大規(guī)模建設(shè)中建設(shè)隊(duì)伍技術(shù)素質(zhì)參差不齊，管理粗放，再加上各地方的行政干預(yù)，工程質(zhì)量往往得不到保證。比如有些設(shè)計(jì)單位不經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)查、勘探及計(jì)算，套用圖紙；有些施工單位管理不合理，施工工藝不嚴(yán)，選材不當(dāng)，質(zhì)量監(jiān)管松弛；有些檢測單位不能以真實(shí)數(shù)據(jù)說話；還有些養(yǎng)護(hù)單位不能真正履行職責(zé)，這些都能導(dǎo)致橋梁的病害產(chǎn)生以及發(fā)生次生災(zāi)害。有統(tǒng)計(jì)，從1999年至今短短10多年間，全國發(fā)生的較大橋梁垮塌事故就有30多起。根據(jù)我國以民為本的國策，在混凝土橋梁建設(shè)過程中，提出“建養(yǎng)并重”與“建護(hù)并重”的方針，這以預(yù)防為主無疑是與時(shí)俱進(jìn)的！

如何預(yù)防？這是一個值得思考的問題。筆者有幾點(diǎn)建議：（1）加強(qiáng)管理。建立健全工程建設(shè)法律法規(guī)，完善工程管理體制與機(jī)制，建立嚴(yán)格的獎罰制度。認(rèn)真落實(shí)各管理制度，我們不能只是嘴上說說而已，也絕不能把體制機(jī)制放在責(zé)任前面。（2）及時(shí)監(jiān)測。檢測混凝土的內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量，鋼筋保護(hù)層等，及時(shí)進(jìn)行橋梁施工監(jiān)控，及時(shí)反饋。（3）責(zé)任心。筆者以為責(zé)任心才是每個橋梁人的脊柱，我們必須時(shí)刻謹(jǐn)記橋梁工程事關(guān)國計(jì)民生，從設(shè)計(jì)到施工、從施工到通車，中間每個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。

3.2 病害治理[1-2]

對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害檢測分析和鑒定評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件和使用要求，科學(xué)的選擇加固方法。從我國橋梁加固的現(xiàn)狀來看，粘貼鋼板、粘貼碳纖維布和增大截面面積是采用最多的方法[1]。粘貼鋼板、碳纖維這些都屬于被動加固，現(xiàn)在有很多研究表明，粘貼鋼板對裂縫的進(jìn)一步發(fā)展有一定的限制作用，而對提高結(jié)構(gòu)的耐久性作用一般，因?yàn)楹蠹拥难a(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力發(fā)揮取決于原梁的變形，變形越大則應(yīng)力發(fā)揮越大。所以造成補(bǔ)強(qiáng)材料的高抗拉強(qiáng)度很難發(fā)揮出來，勢必也是一種浪費(fèi)?，F(xiàn)如今預(yù)應(yīng)力主動加固法指對布置在被加固構(gòu)件受拉區(qū)的后加補(bǔ)強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力，提高了原梁的承載力和抗裂性能，同時(shí)也解決了應(yīng)力和應(yīng)變滯后的問題。體外預(yù)應(yīng)力加固是目前橋梁加固采用較多的方法之一。采用體外預(yù)應(yīng)力加固能較大幅度提高原梁正截面抗彎承載力，也能使原梁的裂縫部分閉合，還會限制新的裂縫出現(xiàn)和發(fā)展，對提高結(jié)構(gòu)的耐久性是有利的。

采用預(yù)應(yīng)力和粘貼鋼板等加固維修手段以外，橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫有的還是處于開裂的狀態(tài)，雨水等有害物質(zhì)依然會流入裂縫腐蝕鋼筋。對于縫寬大于0.1mm裂縫采用壁可法灌縫注膠的措施進(jìn)行處理，灌漿前應(yīng)對混凝土表面進(jìn)行處理，清除松散的灰漿、沙粒、油污等，使混凝土表面保持干凈。裂縫全部注滿后要及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待漿體固化后對表面進(jìn)行修整。如果有不密實(shí)的和開裂的應(yīng)重新補(bǔ)灌，以保證裂縫閉合。

4 慶西路太樂大橋的病害及加固

4.1 概述

慶西公路是連接慶城縣至慶陽市的重要干道，交通流量飽和，太樂剛架拱橋位于其咽喉部位。是一座跨越黃土高原沖溝的大型橋梁，交通位置重要，溝深73.9m，橋梁凈跨徑為125.0m，凈失跨比為1/6，橋梁全長188.0m。該路設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h，2002年建成通車。

4.2 檢測結(jié)果

2012年對全橋進(jìn)行了全面檢測，評定結(jié)果顯示：（1）基于中華人民共和國交通運(yùn)輸部頒布的 《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》JTG/TH21-2011，太樂大橋技術(shù)評定為4類橋梁，其中上部結(jié)構(gòu)評定為4類，下部結(jié)構(gòu)評定為4類，橋面系評定為5類。上弦桿底板裂縫出現(xiàn)橫向貫通裂縫，腹板出現(xiàn)大面積貫通裂縫，在弦桿兩側(cè)斜裂縫連續(xù)從底板延伸至頂板，大面積豎向裂縫并與底板的裂縫形成完整的回路。在碳化深度的影響下，混凝土超聲回彈強(qiáng)度未達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級。由于裂縫寬度和裂縫密度、及橋面泄水侵蝕的影響，鋼筋銹蝕面積較大。嚴(yán)重影響了橋梁的正常使用狀態(tài)，消弱了橋梁的整體承載能力。（2）由持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果可見，依據(jù)JTG/T J21-2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》進(jìn)行承載能力折減后，上弦桿承載能力不滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)抗力值僅有承載能力極限狀態(tài)組合下作用值得78.2%和79.3%。

4.3 原因分析

長期大量的超重車輛作用在橋面上，大橋處于超負(fù)荷運(yùn)營狀態(tài)，弦桿處于極限工作狀態(tài)，底板混凝土開裂，逐漸擴(kuò)張延伸至腹板，隨著時(shí)間的推移，裂縫貫通底板及腹板。在橋面有坑槽及破損的情況下，超重車輛沖擊橋面，致使弦桿在動荷載作用下混凝土裂縫繼續(xù)擴(kuò)張。橋面排水系統(tǒng)不完善，大量雨水及有除冰鹽的雪水流至箱體內(nèi)，滲透裂縫中，致使腹板及底板混凝土大面積析堿、泛白、澤水，造成裂縫處鋼筋銹蝕。據(jù)分析弦桿超限開裂及下?lián)系脑蜻€有混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值低，又因超載現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致弦桿超限開裂。

4.4 橋梁加固

4.4.1 破損結(jié)構(gòu)及設(shè)施的修補(bǔ)或更換

將原有破損瀝青及橋面鋪裝層鑿除、清洗作為卸載，在加固工作完成后再恢復(fù)8cm鋼筋混凝土調(diào)平層加上瀝青混凝土鋪裝層。對裂縫寬度≥0.15mm的裂縫采用高滲透改性環(huán)氧灌漿材料壓漿法進(jìn)行修補(bǔ)（圖1），裂縫寬度＜0.15mm的裂縫采用高滲透改性環(huán)氧灌漿材料封閉法進(jìn)行修補(bǔ)。對空洞、掉塊、露筋、蜂窩麻面部位進(jìn)行修補(bǔ)，將鋼筋或鋼板銹跡清除，并把松動的保護(hù)層鑿除，如損壞面積不大，可用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，如破壞面積較大，噴注高標(biāo)號水泥砂漿（圖2）。

4.4.2 橋臺防護(hù)及防排水措施

修補(bǔ)破損橋臺防護(hù)，對已沖刷地基做恢復(fù)及漿砌片石罩面防護(hù)，結(jié)合橋位地質(zhì)情況布置截排水設(shè)施將雨水引致橋臺防護(hù)范圍以外，避免雨水的侵蝕和沖刷（圖3）。

4.4.3 弦桿加固

在拆除原橋面鋪裝作為卸載之后，張拉體外預(yù)應(yīng)力束改善弦桿受拉側(cè)應(yīng)力狀態(tài)以滿足正常使用功能，確保裂縫不超限。張拉完體外預(yù)應(yīng)力束后再底板正彎矩區(qū)粘貼鋼板（圖4）提高弦桿正彎矩能力，以滿足結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)抗力要求，底板粘貼完鋼板后在弦桿原腹板加厚段及變化段剪力較大區(qū)外側(cè)加厚15cm鋼筋混凝土（圖5）以滿足該區(qū)段斜截面抗剪構(gòu)造要求。

4.4.4 主拱加固

經(jīng)計(jì)算拱頂區(qū)域承載能力滿足要求但儲備不足，在下緣粘貼鋼板以提高拱頂截面抵抗下拉大偏心受壓的承載能力 （圖6），在距拱腳18m范圍內(nèi)負(fù)彎矩區(qū)拱背上套15cm鋼筋混凝土，增強(qiáng)該區(qū)抵抗上拉大偏壓能力并作為壓重減小拱頂正彎矩。

4.4.5 加固后檢測

經(jīng)上述加固維修以后，對全橋進(jìn)行檢測：荷載試驗(yàn)表面橋梁的承載力大幅提高。裂縫最大寬度為0.12mm，小于規(guī)范0.2mm限度的要求。達(dá)到了加固設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

應(yīng)該指出，橋梁的病害種類很多，筆者認(rèn)為重要的且常見的一些病害列舉本文，并作了淺顯的分析。對病害預(yù)防提了幾點(diǎn)個人愚見。橋梁的加固設(shè)計(jì)應(yīng)在更為詳細(xì)的檢測和病害分析的基礎(chǔ)上，分清加固性質(zhì)，明確加固目的，有針對性的選擇加固方法，經(jīng)過認(rèn)真的設(shè)計(jì)計(jì)算，才能給出一個合理的加固方案。本文提供的橋梁病害的加固的實(shí)例，不作為設(shè)計(jì)及施工的方案，僅供參考閱讀。

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG/TJ22-2008公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].人民交通出版社,2008,11.

［2］張樹仁.橋梁病害診斷與加固設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社,2013,9.

［3］黃興安.道路橋梁工程質(zhì)量通病防治手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社,2005,9.

［4］朱海濤.對武漢長江大橋被船撞76次事故的反思[C]//第二十界全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集.