劉碧珣

（廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420）

0 引言

隨著經(jīng)濟快速，高速公路上的交通量快速增加，使得橋梁出現(xiàn)各種病害。如果不對橋梁及時加固或選擇的加固方法不合理，橋梁病害在高速公路運營期間會不斷擴展，降低橋梁結(jié)構(gòu)的整體承載力，嚴重的可能導致橋梁坍塌，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。目前，技術人員在選擇橋梁加固方法時，很多盲目照搬類似項目的圖紙，對橋梁病害的成因理解不夠深入，使得加固方案適用性差[1]。因此，進一步研究高速公路橋梁常見病害成因與加固方法具有重要的工程價值。

1 公路橋梁病害影響因素及危害

1.1 橋梁病害影響因素

在高速公路運營期間，橋梁結(jié)構(gòu)因受到外界各種不利因素及內(nèi)部因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性不滿足設計要求的現(xiàn)象均可稱之為橋梁病害。大量工程實踐表明，影響橋梁結(jié)構(gòu)病害的外部因素有有風、雨、水流、溫度和濕度變化、地震、洪水、意外撞擊等，內(nèi)部因素主要是設計和施工原因，總結(jié)見圖1[2]。

圖1 橋梁病害影響因素

1.2 橋梁病害的危害

雖然公路橋梁的混凝土表層缺陷不易導致橋梁斷裂，但其危害性應引起重視。在長期荷載作用下，混凝土表面缺陷會不斷擴展，最終危害橋梁的整體安全。比如混凝土表面開裂后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋可能外漏銹蝕，如果不進行處理，橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力會不斷衰減，最終縮短橋梁結(jié)構(gòu)的運營壽命。此外，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的危害要大于表面缺陷，比如混凝土強度不足、鋼筋安裝方案不滿足規(guī)范、混凝土振搗不及時、模板漏漿等都會使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)空洞，降低橋梁結(jié)構(gòu)性能。

2 公路橋梁常見病害分析

2.1 混凝土病害成因

2.1.1 混凝土裂縫成因

公路橋梁混凝土裂縫包括荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫等。不同裂縫的成因如下：①荷載裂縫。荷載裂縫的成因會貫穿橋梁的全生命周期，比如在設計階段橋梁結(jié)構(gòu)計算模式和實際受力不相符，導致橋梁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低。在施工階段，施工人員任意堆放施工機具、材料、擅自改變施工順序等。在運營階段，超載和重載車輛大幅度增加，使得橋梁結(jié)構(gòu)實際受力遠大于設計值。②溫度裂縫?；炷磷鳛橐环N彈塑性材料，具有熱脹冷縮的特性。當橋梁結(jié)構(gòu)所處的外界溫度變化較大時，會改變混凝土內(nèi)部溫度，使其內(nèi)部應力重新分布。當應力值大于混凝土自身抗拉強度，會出現(xiàn)溫度裂縫。③收縮裂縫。在實際工程中，混凝土干縮最常見，即混凝土在硬化期間水分不斷蒸發(fā)，導致其體積減小。由于混凝土的干燥是由表面向內(nèi)部擴展的，所以干縮呈“表面收縮大，內(nèi)部收縮小”的趨勢。

2.1.2 混凝土碳化成因

公路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中含有堿性成分，會與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學反應，生成碳酸鈣顆粒?；炷两Y(jié)構(gòu)經(jīng)過碳化后，雖然會提高混凝土密實度，但是也會使其pH值減小，混凝土內(nèi)的鋼筋容易受到腐蝕。影響橋梁結(jié)構(gòu)混凝土碳化的因素取決于材料性能及其所處的外部環(huán)境，如表1所示[3]。

表1 混凝土碳化影響因素

評價混凝土碳化對公路橋梁結(jié)構(gòu)安全性的影響程度時，可以碳化深度Xc為評價指標，具體按式（1）計算：

式中，D——二氧化碳擴散系數(shù)；C——二氧化碳濃度；t——混凝土碳化時間；m——計算參數(shù)。

2.2 橋面系病害成因

2.2.1 橋面鋪裝層病害成因

根據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，混凝土鋪裝層的病害主要表現(xiàn)為縱、橫向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、鋪裝層剝落等。導致橋面鋪裝層病害的主要原因如下：①配筋材料選擇不合理。混凝土橋面鋪裝參與結(jié)構(gòu)受力，如果將配筋視作構(gòu)造鋼筋或鋼筋間距過大，容易導致鋪裝層的承載力不足。②混凝土質(zhì)量差?；炷临|(zhì)量直接決定了橋面鋪裝層的性能和運營壽命。當混凝土水灰比偏大時，容易出現(xiàn)收縮裂縫。尤其是夏季，混凝土水分蒸發(fā)較快，如果不及時養(yǎng)生，混凝土鋪裝層也容易開裂。③施工質(zhì)量控制不當。混凝土鋪裝層在施工前未按照設計文件要求清除橋面浮灰及雜物、未進行鑿毛處理，導致橋面鋪裝與橋面板粘接性能差，降低鋪裝層與主梁的整體承載性能。

2.2.2 伸縮縫病害成因

伸縮縫是為了適應橋梁結(jié)構(gòu)的收縮和膨脹變形而在橋梁結(jié)構(gòu)物一聯(lián)的梁端之間，以及梁端與橋臺背墻之間設置。伸縮縫暴露在外界環(huán)境中，且直接承受車輛荷載，容易出現(xiàn)損毀，從而降低行車舒適性，增加行車噪音。此外，雨水也會通過伸縮縫滲入梁體，威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

橡膠伸縮縫是公路橋梁結(jié)構(gòu)中最常用的伸縮縫，其病害包括膠條破壞、膠條剝離、錨固螺栓松動等，具體原因如下[4]：第一，設計原因。比如伸縮縫選型不當、伸縮縫構(gòu)造錨固的構(gòu)件強度不足，伸縮縫寬度不合理等。第二，施工原因。伸縮縫對施工工藝要求高，如施工之前，技術人員未對工人進行技術交底，工人無法準確掌握伸縮縫具體的施工步驟和施工要點。當伸縮縫為采用專門安裝工具施工、錨固件焊接質(zhì)量較差、伸縮縫間距與設計不符等，都容易導致伸縮縫破壞。第三，養(yǎng)護原因。橋梁伸縮縫的使用環(huán)境較惡劣，但目前大部分橋梁結(jié)構(gòu)在養(yǎng)護期間并未對伸縮縫開展定期的檢查維修，伸縮縫內(nèi)的雜物塵土無法及時清理，使其在荷載作用下的伸縮量無法保證，從而影響伸縮縫的耐久性和使用壽命。

2.3 橋頭跳車病害成因

2.3.1 材料剛度差異

路基填料為土體，屬柔性材料，而橋臺是鋼筋混凝土澆筑而成，屬于剛性構(gòu)件。由于路基填土和橋臺材料剛度不同，在相同車輛荷載作用下，兩者之間不可避免地會產(chǎn)生不均勻沉降。高速公路經(jīng)過長期運營，路橋過渡段的不均勻沉降持續(xù)累積，最終導致橋頭跳車病害。

2.3.2 地基土的性質(zhì)變化

為了上跨公路、鐵路、溝渠等，橋臺路基的填土高度一般較大，路基填筑后會在地基土中產(chǎn)生較大的附加應力。如果橋臺范圍內(nèi)的地基土承載力較低，地基土會產(chǎn)生較大的工后沉降，從而加劇橋頭跳車病害。

2.3.3 施工控制不嚴

橋臺兩端的路基填土較高，且其施工一般是在橋臺工程完成后，施工作業(yè)面較狹窄，使得橋臺附近的土體難以壓實，運營期間會因強度不足造成凹陷。

3 公路橋梁加固方法分析

高速公路橋梁加固的目標是對已經(jīng)發(fā)生病害的采取一定措施，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，恢復橋梁使用性能，延長橋梁使用年限。

3.1 橋梁加固原則

公路橋梁加固設計是一個全方位、多層次的決策問題，在選擇加固方案時要層層比選、不斷深入，并遵循以下幾條原則[5]：第一，要明確橋梁加固目標。設計人員要結(jié)合橋梁病害的實際情況，確定要實現(xiàn)的加固目標，并將加固目標貫穿于橋梁加固設計的全生命周期中。第二，保證加固方案科學性。要對各個加固方案進行技術性和經(jīng)濟性比選，保證加固方案的科學性，不能為了提高橋梁結(jié)構(gòu)的性能而盲目參考類似項目的加固經(jīng)驗。第三，與環(huán)境相結(jié)合。橋梁結(jié)構(gòu)的加固方案要與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，以促進橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)加固

3.2.1 增大截面加固法

公路橋梁結(jié)構(gòu)采用增大截面法加固就是在混凝土外側(cè)新澆筑一定厚度的混凝土，加大原有構(gòu)件尺寸，并在混凝土中加入補強鋼筋。增大截面加固法計算簡單，施工便利，能顯著提高原結(jié)構(gòu)強度，且加固后對既有橋梁外觀和周邊環(huán)境，但可能導致橋下凈空減小。

在施工之前，要先將混凝土結(jié)構(gòu)表面的浮漿、油污等雜質(zhì)清理干凈，并將表面凸起部位磨平。對于外漏的已生銹鋼筋，也要打磨干凈。新澆筑的混凝土不應太薄，不應小于現(xiàn)行規(guī)范對最小鋼筋保護層厚度的要求。同時，要嚴格控制新澆筑混凝土的振搗質(zhì)量，避免混凝土表明產(chǎn)生蜂窩、麻面等病害。

3.2.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是利用粘結(jié)劑將鋼板粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面（出現(xiàn)病害或受力薄弱的位置），以增大其強度和承載能力。加固所用的鋼板宜采用Q235鋼，且粘結(jié)劑要能提供足夠的粘結(jié)強度，以保證鋼板與混凝土不脫落。根據(jù)相關研究成果，粘結(jié)強度與混凝土等級密切相關，見表2。

表2 不同混凝土強度下粘結(jié)強度

粘結(jié)鋼板加固期間，需要再混凝土結(jié)構(gòu)上鉆孔植入螺栓，從而損傷原混凝土結(jié)構(gòu)。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，施工人員要嚴格按照設計圖紙給出的孔位鉆孔。如有異常，及時與現(xiàn)場設計代表溝通。

3.2.3 粘貼碳纖維加固法

碳纖維簡稱CFRP，有碳纖維板、碳纖維織物兩種。作為一種新型材料，碳纖維在公路橋梁加固中的應用日益廣泛。當橋梁配筋率不足或鋼筋外漏銹蝕時，利用碳纖維加固能顯著改善橋梁構(gòu)件的抗彎和抗剪能力；當橋梁配筋率較高且鋼筋無銹蝕，僅粘貼碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)效果不明顯，此時可與其他加固措施聯(lián)合使用，以降低構(gòu)件延性。大量工程實踐表明，橋梁結(jié)構(gòu)采用粘貼碳纖維法施工周期墩，耗費的人力和設備少，且對橋梁外觀基本無影響。

3.2.4 體外預應力加固法

體外預應力筋加固法屬于種主動加固法，是將預應力筋作用在梁的下緣受拉區(qū)，通過張拉對梁體產(chǎn)生預壓力，使梁上拱抵消外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，從而提高既有橋梁的承載能力。體外預應力筋加固法的具體施工流程見圖2。

圖2 體外預應力加固流程

由圖2可知：體外預應力筋加固法施工工藝復雜，施工難度大，對施工人員的技術水平要求高，且體外預應力筋的防腐難度大，導致后期養(yǎng)護費用大。如果橋梁所在地區(qū)無專業(yè)加固團隊，不建立采用該方法。

3.3 橋頭跳車加固

高速公路的路橋過渡段出現(xiàn)橋頭跳車病害后，宜采用高壓噴射注漿法來加固，即利用高壓設備將水泥漿液以較快的速度、較大的能量通過噴嘴噴射到土體中，土顆粒與噴射漿液均勻地混合在一起，形成新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，以提高土體強度和剛度。需要注意，隨著水泥漿液噴射距離的增大，噴射流能量會減小，無法切削土體，使土體與漿液混合。因此，高壓噴射注漿法加固橋臺路基的關鍵是確定噴射流的速度v，見式（2）：

式中，φ——噴嘴流速系數(shù)，無量綱；g——重力加速度，取9.81 m/s2；p——噴嘴壓力（kPa）；γ——水的重度，取1 000 kN/m3。

同時，為了提高橋頭跳車加固效率，利用上述公式計算了不同噴嘴壓力下的噴射流速度.見表3。設計人員可根據(jù)此表直接選擇設計參數(shù)。

表3 噴射流速度計算結(jié)果

4 結(jié)語

該文研究了公路橋梁病害影響因素、常見病害的成因及加固措施，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）影響高速公路橋梁病害的成因有設計因素、施工因素及各種外在因素，病害一旦發(fā)現(xiàn)要及時處理。

（2）高速公路橋梁病害可劃分成混凝土病害、橋面系病害、橋頭跳車病害等。在選擇橋梁加固措施之前，應先分析病害機理。

（3）高速公路橋梁結(jié)構(gòu)加固可采用增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維加固法、體外預應力加固法等。

（4）橋頭跳車加固宜采用高壓噴射注漿法，其關鍵是確定噴射流的速度。