秦 彬彭 瓊

（1.甘肅省交通工程建設監(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。1980年底我國公路橋梁總數(shù)130003座，合計總長3686111延米；2011年底橋梁總數(shù)已達658126座，合計長度30483094延米。換句話說，30年間每年平均新建橋梁17604座（計893233延米）。國家高等級公路網(wǎng)絡的完善，支撐起國民經(jīng)濟的持續(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)護管理的繁重任務。大規(guī)模建設中建設隊伍的技術(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)造細部與附屬設施病害等質(zhì)量通病[3]。與此同時，“大交通量、超重超限、高速行駛”的新形勢，對橋梁安全服務造成了新的威脅。

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

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，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功能有關的部件。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)生的拉應力達到混凝土極限抗拉強度時產(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附近截面及同時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，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應力，當其達到混凝土的抗拉強度極限值時，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，將導致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進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孔道，而另一個是裂縫?；炷灵_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，進一步擴張裂縫。最終導致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不斷退化，如此往復，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作用。混凝土表層的細微裂縫一旦進水，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)，裂縫進一步擴展，將導致鋼筋腐蝕，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混凝土中的二氧化碳或其它酸性氣體發(fā)生化學反應，碳化的實質(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。當有二氧化碳和水汽從表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時，將和混凝土中的堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應，導致混凝土的堿性降低。當pH值小于9時，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。

一般認為，混凝土孔隙率越小，滲透性越差；密實性越好、氫氧化鈣含量越大，則混凝土的抗碳化性能就越好。影響混凝土密實性和堿性儲備的因素十分復雜，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。

2.3 鋼筋銹蝕

大量的工程實踐表明，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的鋼筋，在氧氣和水的作用下發(fā)生電化學反應，使鋼筋表面的鐵不斷失去電子而溶于水，鋼筋逐漸被腐蝕，反應生成的氫氧化鐵進一步氧化形成鐵銹。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

氯離子是極強的去鈍化劑，它一旦進入混凝土內(nèi)到達鋼筋表面，并吸附于局部鈍化膜處時，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，在腐蝕反應中也不消耗，但是腐蝕的中間產(chǎn)物對腐蝕反應起催化作用。

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，隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)受力性能將進一步惡化，嚴重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.4 混凝土堿集料反應

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。影響混凝土堿集料反應的主要因素是：混凝土堿的含量、集料本身有無反應活性和孔隙中的水量。堿集料反應一般發(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：破壞特征為由于設計不當、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：破壞特征為由于設計不當、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 橋梁病害的預防及治理

3.1 病害預防

鋼筋混凝土橋梁，在設計細節(jié)上考慮周詳有足夠的安全系數(shù)保證，施工工藝上縝密嚴格，材料選擇和級配上達標，嚴格按操作規(guī)程辦事，不應有病害發(fā)生。中國20世紀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)實來看，混凝土等級提高了，卻很難做到這一點?，F(xiàn)在大橋建設費用越來越高，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。大規(guī)模建設中建設隊伍技術(shù)素質(zhì)參差不齊，管理粗放，再加上各地方的行政干預，工程質(zhì)量往往得不到保證。比如有些設計單位不經(jīng)過詳細的調(diào)查、勘探及計算，套用圖紙；有些施工單位管理不合理，施工工藝不嚴，選材不當，質(zhì)量監(jiān)管松弛；有些檢測單位不能以真實數(shù)據(jù)說話；還有些養(yǎng)護單位不能真正履行職責，這些都能導致橋梁的病害產(chǎn)生以及發(fā)生次生災害。有統(tǒng)計，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，在混凝土橋梁建設過程中，提出“建養(yǎng)并重”與“建護并重”的方針，這以預防為主無疑是與時俱進的！

如何預防？這是一個值得思考的問題。筆者有幾點建議：（1）加強管理。建立健全工程建設法律法規(guī)，完善工程管理體制與機制，建立嚴格的獎罰制度。認真落實各管理制度，我們不能只是嘴上說說而已，也絕不能把體制機制放在責任前面。（2）及時監(jiān)測。檢測混凝土的內(nèi)在質(zhì)量、外觀質(zhì)量，鋼筋保護層等，及時進行橋梁施工監(jiān)控，及時反饋。（3）責任心。筆者以為責任心才是每個橋梁人的脊柱，我們必須時刻謹記橋梁工程事關國計民生，從設計到施工、從施工到通車，中間每個環(huán)節(jié)都至關重要。

3.2 病害治理[1-2]

對橋梁結(jié)構(gòu)進行病害檢測分析和鑒定評估的基礎上，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟條件和使用要求，科學的選擇加固方法。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，因為后加的補強材料的應力發(fā)揮取決于原梁的變形，變形越大則應力發(fā)揮越大。所以造成補強材料的高抗拉強度很難發(fā)揮出來，勢必也是一種浪費?，F(xiàn)如今預應力主動加固法指對布置在被加固構(gòu)件受拉區(qū)的后加補強材料施加預應力，提高了原梁的承載力和抗裂性能，同時也解決了應力和應變滯后的問題。體外預應力加固是目前橋梁加固采用較多的方法之一。采用體外預應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。

采用預應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行處理，灌漿前應對混凝土表面進行處理，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進行養(yǎng)護，待漿體固化后對表面進行修整。如果有不密實的和開裂的應重新補灌，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。該路設計時速100km/h，2002年建成通車。

4.2 檢測結(jié)果

2012年對全橋進行了全面檢測，評定結(jié)果顯示：（1）基于中華人民共和國交通運輸部頒布的 《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》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，混凝土超聲回彈強度未達到混凝土設計強度等級。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，大橋處于超負荷運營狀態(tài)，弦桿處于極限工作狀態(tài)，底板混凝土開裂，逐漸擴張延伸至腹板，隨著時間的推移，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€有混凝土強度設計值低，又因超載現(xiàn)象嚴重導致弦桿超限開裂。

4.4 橋梁加固

4.4.1 破損結(jié)構(gòu)及設施的修補或更換

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行修補（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行修補。對空洞、掉塊、露筋、蜂窩麻面部位進行修補，將鋼筋或鋼板銹跡清除，并把松動的保護層鑿除，如損壞面積不大，可用環(huán)氧砂漿修補，如破壞面積較大，噴注高標號水泥砂漿（圖2）。

4.4.2 橋臺防護及防排水措施

修補破損橋臺防護，對已沖刷地基做恢復及漿砌片石罩面防護，結(jié)合橋位地質(zhì)情況布置截排水設施將雨水引致橋臺防護范圍以外，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，張拉體外預應力束改善弦桿受拉側(cè)應力狀態(tài)以滿足正常使用功能，確保裂縫不超限。張拉完體外預應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)負彎矩區(qū)拱背上套15cm鋼筋混凝土，增強該區(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，對全橋進行檢測：荷載試驗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。達到了加固設計要求。

5 結(jié)語

應該指出，橋梁的病害種類很多，筆者認為重要的且常見的一些病害列舉本文，并作了淺顯的分析。對病害預防提了幾點個人愚見。橋梁的加固設計應在更為詳細的檢測和病害分析的基礎上，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)過認真的設計計算，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例，不作為設計及施工的方案，僅供參考閱讀。

［1］中華人民共和國行業(yè)標準.JTG/TJ22-2008公路橋梁加固設計規(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計[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術(shù)會議論文集.