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浅谈高速公路桥梁病害与维修加固


作者:裴旺

(天津市市政工程研究院)


摘要:文章结合实例探讨了高速公路桥梁常见的病害形式、成因,同时提出了一些常用的维修加固方法。

关键词:高速公路 桥梁病害 成因分析 维修加固



1 前言


        近年来,我国公路基础设施建设力度加大,高速公路通车里程逐年增长,公路桥梁数量也飞速增加。但我国交通运输事业也迅猛发展,交通运输量大幅度增长,行车 密度及车辆载重越来越大,加剧了桥梁病害的发生,每年用于桥梁维修养护的经费也随之逐年递增,我国正在由公路桥梁建设阶段向公路桥梁养护阶段发展,做好高 速公路桥梁维修养护工作,不仅关系到人民的人身财产安全,更关系到国家利益,本文就高速公路桥梁常见的病害形式及其成因作了分析,并提出了一些常用的维修加固方法。



2 病害形式及成因分析


        高速公路桥梁病害多种多样,病害原因也分门别类。本人通过几年来从事津沧、丹拉、津蓟、京津塘等几条高速公路的检测工作发现,造成高速公路桥梁病害有设计原因,有施工原因,当然也有超载原因。下面本人就按桥梁构件介绍一下常见的病害形式及其成因。


2.1 桥面铺装病害

        桥面铺装指的是为保护桥面板和分布车轮的集中荷载,用沥青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料铺筑在桥面板上的保护层,其作用是保护桥面板防止车轮或履带直接磨耗而,保护主梁免受雨水侵蚀,并借以分散车轮的集中荷载。我国高速公路桥梁多采用“水泥混凝土铺装层+防水层+沥青混凝上铺装层”的三层结构形式。常见的桥面铺装病害有沥青混凝土铺装层开裂、推移、坑槽唧浆、车辙、拥包等。

        桥面铺装层直接承受车辆的冲击与磨耗,并直接受天气环境及气温变化的作用,同时又受上部结构的约束,因此其受力状况十分复杂,病害原因也就错综复杂。

        (1)设计方面原因:①桥面设计理论还是空白,在设计过程中,桥面铺装层只视为桥梁的附属结构,不认为其参与工作,设计者通常按照常规做法进行设计。尤其是较早的桥面水泥混凝土铺天盖地层厚度很小,配筋较少,无法承受现在的交通荷载,通常造成桥面开裂、坑槽等早期病害;②桥面防水层。高速公路桥梁不同于声调道路桥梁,其承受高速行车的冲击、剪切力都较城市道路桥梁要大很多,用于城市道路桥梁防水层的卷材并不适用于高速公路桥梁,这也是较早采用防水卷材的高速公路桥梁多出现桥面沥青混凝土推移病害的原因。

        (2)施工方面原因:①原材料控制不严。水泥混凝土水灰比不佳,强度不足,很容易造成水泥铺装层局部破坏。以及沥青混凝上级配控制不严,沥青油不符合规范要求,容易造成沥青混凝土铺装层车辙、开裂;②施工中主梁顶面标高与设计值相差较大,导致铺装层厚度不足或厚薄不均匀,混凝土铺装层内钢筋网保护层厚薄,不均,使荷载作用下厚度不足部分首先陂碎:③施工工艺欠佳,水泥混凝土振捣不到位,钢筋网错位,这些缺陷破坏了水泥混凝土铺装层的整体性,降低了水泥混凝土铺装层抗裂、抗沖击、抗弯能力,使铺装层建成后经短期荷载作用容易发生混凝上的破坏。另外沥青混凝土摊铺、碾压工艺不符合设计及规范耍求,也会导致沥青混凝土局部成为薄弱环节,通车后,容易出现坑槽等早期病害;④防水层施作不细致,结合面清洁不到位,凿毛的密度或深度不够,导致沥青混凝土铺装层与水泥混凝土铺装层之间的粘结能力不足,在行车的冲击荷载作用下容易出现坑槽、推移拥抱等病害;⑤伸缩缝、施工缝等局部细节处理不当,会先造成桥面铺装局部破损,在荷载作用下逐步发展成大面积破坏。

        (3)外界方面原因:①超载车辆的反复作用加速了铺装层的破坏;②水损害。高速公路沥青混凝土受雨雪侵蚀,受冻融作用影响,再加上动荷载作用,容易产生病害;③维修养护不及时等因素导致的桥面铺装层病害。

        桥面铺装的质量与结构性能对行车舒适性、安全性以及桥梁功能的发挥至关重要。桥面铺装层病害会导致使行车速度减慢、交通量减少,甚至诱发交通事故,所以桥面铺装病害应及时处治。


2.2 伸缩缝病害

        桥梁伸缩缝是桥梁伸缩装置的一种,是为保证桥跨结构在气温变化、活载作用、混凝土收缩与徐变等影响下按静力图式自由地变形,而在结构的两端设置的桥梁伸缩装置。它的作用是小但保证梁能自由变形,而且要使车辆在设缝处能平顺地通过和防止雨水、垃圾泥土等渗入阻塞。高速公路桥梁常用的伸缩缝主要是仿毛勒伸缩缝,它由两个多个异形钢梁和橡胶止水胶条组成,形成可伸缩的密封结构。

        桥梁伸缩缝直接承受汽车荷载的反复冲击作用,再加上各种自然条件等不利因素的影响,容易产生病害。常见的伸缩缝病害有靠背混凝土破坏、抵拢、离骨、型钢断裂等。病害原因有以下几点:

        (1)设计方面原因:①伸缩缝设计通常以常规做法设计,配筋不足,结构本身刚度不够,伸缩缝靠背混凝上容易出现横向裂缝、破损;②对伸缩缝的伸缩量计算不准确,没有考虑到伸缩缝安装时的实际温度对伸缩缝的影响。

       (2)施工方面原因:①伸缩缝锚固件焊接只注重表面,不注重内部质量。锚固件的焊接数量不足、焊接强度不够,在荷载冲击下,容易开焊,出现靠背混凝土离骨观象,进一步容易引起混凝上破碎及型钢断裂;②施工时,未严格按工艺标准安装,造成伸缩缝破坏。如伸缩未充分按照当时气温来确定初始缝宽,造

成通车后伸缩缝抵拢;③施工工艺控制不严,水泥混凝土二次浇注不密实,震捣不到位,达不到设计要求的强度,出现蜂窝、空洞等现象,使混凝土难以承受汽车荷载的强烈冲击,引起混凝土的破坏;④伸缩缝靠背混凝土和沥青混凝土铺装层结合不良,引起水泥混凝土开裂、脱落,最终导致伸缩缝的破坏,同吋也容易导致浙資铺装层的损坏。

        (3)外界方面原因:①材料本身问题。如型钢钢材含碳量过高、止水带橡胶本身质最不合格等引起的病害;②自然环境因素。如台后土基沉降,引起桥台侧靠背混凝土的开裂;③桥梁超载情况不能得到有效控制;④桥梁维修养护不及时。如多数桥梁伸缩缝中杂物不能及时认真淸除,引起伸缩缝止水带橡胶条破坏等病害。

        伸缩缝是桥梁结构的一个重要组成部分,其质量的好坏直接影响到行车舒适性和安全性,甚至是桥梁结构安全,所以桥梁伸缩缝的养护和防治应引起高度的重视。


2.3 梁体混凝土裂缝

        我国高速公路桥梁多采用混凝土结构,而裂缝是混凝土结构最常见的病害。裂缝宽度到达一定程度后会加速该位置的钢筋锈蚀,锈胀作用可能致使混凝土脱落,使更多钢筋外露。同时会降低梁体的刚度,严重的会危及桥梁的使用。

        常见的裂缝病有普通混凝土裂缝和预应用混凝土裂缝。病害原因如下:

        (1) 设计方面原因:①预应力失效长度过长,截断面过于集中,造成预应力混凝土梁横向开裂;②缺少定位钢筋,致使板梁预制时气囊上浮,造成保护过薄,振捣不到位造成混凝上不密实,出现干缩裂缝。

        (2)施工方面原因:①拉应力过大。后张法预应力结构,在预应力张拉过早、预应力筋过多、底板混凝土厚薄不均等情况下,张拉过程中的劈裂作用使板梁底板混凝土在横向出现拉应力,当拉应力超过混凝上抗拉强度便出现纵向开裂;②混凝土施工配合比调制不当,混凝土标号较高,使用的水泥量大,后期的收缩徐变量偏大,引起裂缝;③浇筑顺序及施工缝设置不合理,拆模时间(特别是箱梁内模、空心板芯模)过早,养护不及时或养护方式不合适等,引起的温度裂缝、收缩裂缝。

        (3)外界方面原因:①桥墩不均匀沉降产生的梁板裂缝;②大体体混凝土本身的收编裂缝;③梁体表面受水侵蚀或梁体内部进水,引起钢筋锈胀,致使沿钢筋方向产生规则性裂缝。


2.4 上部结构横向联系病害

        装配式梁桥由于重量轻、施工简便快捷的特点,在高速公路建设中得到广泛的应用。装配式梁桥是几片梁体横向布置,通过横向联系结构(铰链、横隔板)连接成整体。铰缝、横隔板主要传递剪力和弯矩,使各片梁体共同受力。

        常见的上部结构横向联系病害有板梁铰缝渗水、单梁受力,T梁横隔板开裂破坏。引起病害的原因有:

        (1)设计方面原因:旧的设计方法有局限性。如较早板梁铰缝采用小铰缝设计,铰缝截面较小,配筋较少,本身刚度较小。还如丁梁横隔板,较早采用干接头,相邻横隔板仅靠钢板连接,无法承受荷载产生的剪力和弯矩,导致开裂。

        (2)施工方面原因:①没有按照施工工艺施作。如板梁铰缝穿手筋没有“穿

手”,T梁连接钢筋不进行焊接等;②施工质量控制不严。如T梁横隔板连接钢板焊接长度及质量不符合要求,横隔板本身错位无法焊接,后补砂浆与横隔板间粘结强度不足。另外板梁铰缝振捣不到位,影响到铰缝混凝土的强度,造成破坏。

        (3)外界方面原因:目前汽车超载严重,横向联系受力随荷载的增加而增大,,当剪力和弯矩超过设计值时,就会破坏。


2.5 构件混凝土局部破损

        高速公路桥梁构件多采用混凝土结构,混凝土局部破损就比较普遍,在各个桥梁中均有出现.只是严重程度不同而已。多表现为钢筋锈蚀,混凝土局部开裂破损。

        病害原因较为明确,混凝土局部受损是因雨水和空气中的多种有害化学物质由混凝土缺陷部位渗入到构件内部或直接侵蚀表面,致使钢筋锈蚀,从而导致混凝土结构的破坏;或由于气温变化产生的温度应力破坏混凝土结构。



3 常用的维修加固方法


        前面对病害的介绍和成因的分析是发现问题和分析问题的过程,之后我们要解决问题。对桥梁现有病害有了详尽了解之后,就要对病害归类,进行分析,为

维修加固提供依据,所谓对症下药,就是这个道理。针对上述主要病害,结合本人维修加固工作经验,总结归纳如下常用的维修加固措施。


3.1 桥面铺装病害

        (1)局部挖补:对于桥面铺装层局部的坑槽唧浆,可以采用局部挖补的维修措施。局部挖补的基本原则就是“圆洞方补”,将损坏部位切成规则的矩形,剔除破损的水泥混凝土铺装层至坚实边缘,重新布设钢筋网片,保证钢筋网片与原桥面钢筋的焊接长度以及钢筋保护层厚度,利用水泥混凝土灌浆料等高强、快硬的修朴材料进行修补。之后喷洒粘层油,铺筑与原桥而标高一致的沥青混合料。

       (2)铺装层改造:①剔除原桥而铺装层至梁顶,并清理干净;②加厚水泥混凝土铺装层,用以增大桥面板的计算厚度和实际的横向联系作用。一般采用15cm厚C40防水水泥混凝土;③布设双层桥面钢筋网。顶层钢筋起到抗裂作用,底层钢筋起到抗弯作用。一般采用Φ10二级钢筋成品网片,网格尺寸10cm*10cm;④植筋。在梁顶植筋,与钢筋网焊接,这样不仅起到定位钢筋网片的作用,而且可以进一步保证桥面水泥混凝土参与受力工作;⑤增设桥面防水层。现在多采用热喷SBS改性沥青+热拌碎石混凝土防水层。在喷洒改性沥青前对水泥铺装进凿毛处理,要保证凿毛质量,以水泥混凝土露出粗骨料为准,之后淸理干净;⑥摊铺4〜5cm厚AC-13改性沥青混凝土(这样基本保证原铺装层19〜20cm的厚度)。改性沥青一般采用SBS (I-C), 甚至更髙级别,石料采用玄武岩。


3.2 伸缩缝病害

        伸缩缝病害日常养护通常进行局部修补,待有条件情况下进行大修更换。

        伸缩缝更换与新建桥梁伸缩缝安装方法基本相同,这里我主要介绍一下不同点:①剔除原有混凝土要彻底,不能有松散的混凝土,锯缝时应注意要把沥青混凝土路面切透,以免开槽时缝处的沥青混凝土有松动;②锚固钢筋的处理。尽量保留原梁体的预埋钢筋,但是维修更换中,能够利用的钢筋较少,这就要通过植筋补齐,这是维修更换伸缩缝最关键的一环。植筋一般采用Φ16二级钢筋,要保证植筋深度和强度,植筋型式可以采用L型或门字型,以保证与伸缩缝锚固环的焊接长度:③增设钢筋网。在混凝土增设钢筋网片,起到抗裂作用。—般采用Φ10二级钢筋成品网片,网格尺寸10cm*10c;④桥面钢筋网伸入到伸缩缝混凝土中,并与伸缩缝锚固环焊接,这样不仅增加了伸缩缝混凝土的整体刚度,而且保证了伸缩缝与上部结构的共同受力。

        另外在伸缩缝型钢类型的选择上,根据高速公路重载交通的特点,建议采用E型(Z型)型钢的伸缩缝。


3.3 混凝土梁体裂缝

        混凝土裂缝无论是否超限都要进行封闭处理,否则会引起钢筋进一步锈蚀,最后威胁结构安全。

        (1)裂缝封闭:在裂缝不影响结构承载能力情况下通常采取裂缝封闭的措施。在实际维修中,我们通常给出一个范围(取决于所用灌缝胶粘度)。如以0.15mm为界,裂缝宽度小于0.15mm进行封缝处理,裂缝宽度大于0.15mm的进行裂缝灌胶。

        ①封缝处理:通常采用水泥基腻子、环养砂浆或聚合物砂浆等在裂缝周围一定宽度内刮凃,对裂缝进行封闭处理。做法是先用钢丝刷子等将混凝土表面打磨干净,清除表面附着物,用高压气流吹干净,然后用修补材料涂刷裂缝进行裂缝封闭。

        ②裂缝灌胶(化学灌浆法):采用灌浆装置将灌缝胶注入到裂缝能起到封闭裂缝的作用,通常做法流程是清理基底→清理裂缝→封闭裂缝→粘贴注浆嘴→注射灌缝胶→拆除注浆嘴、封闭注浆孔→检查、修整。裂缝灌胶较封缝处理更能彻底封闭裂缝,恢复结构完整性。

        (2)结构补强:当裂縫宽度超限,且结构承载力明显下降时,需要对结构进行补强。对于裂缝病害的补强,通常采用粘贴加固法。

        ①粘贴钢板法:采用环氧树脂或建筑结构胶,将钢板直接粘贴在被加固的钢筋混凝土结构物的受拉区或抗剪薄弱部位,使之与被加固结构物形成整体共同受力,以提高结构的刚度,改善其受力状态,限制裂缝的开展,提高结构的承载力。

        粘贴钢板工艺流程如下:钢板制作→基底处理→卸荷→配胶→粘贴→固定及加压→固化→检验→防腐处理.。其中基底处理十分关键,它关系到钢板与被加固混凝土梁体之间的粘结是否牢靠,两者是否能共同工作。

        ②粘贴纤维法:粘贴钢板法能有效的提高结构承载力,但是它增加了原结构的自重,不适用于表面不平的构件,且防腐很难处理。近年来粘贴纤维法被广

泛的应用于桥梁维修加固当中。它是利用树脂类粘结材料将纤维布(片材)粘贴于混凝土表面,利用其良好的抗拉性能达到修补加强的目的。

        其工法类似于粘贴钢板,但本人认为粘贴纤维未能发挥材料的全部性能,对纤维施加一定的预应力,然后粘贴锚固在梁体上,既能有效地利用纤维的高强度性能,又能抑制构件的变形和裂缝的发展,从而避免纤维布(片材)强度与弹性模量比值过高的矛盾。此技术己经在国外研究实践多年,相信这将是粘贴纤维法将来的发展趋势。


3.4 上部结构横向联系病害

        横向联系对于装配式梁桥来说至关重要,如果横向联系结构破坏,就会形成单梁受力,加速结构的破坏。

        (1)板梁铰缝:对于板梁铰缝损坏、单梁受力的情况,我们的维修加固原则就是合理设计铰缝,适当增大铺装层厚度。①合理设计铰缝。较早铰缝设计只涉及穿手钢筋,维修过程中,我们在铰缝中适当增加纵向钢筋以及箍筋,视铰缝作一片“梁”,增加其刚度。②增大铺装层厚度。这在前面的铺装层维修中已介绍过了,在这不赘述。另外在维修过程中还应补齐原穿手筋。

        (2)丁梁横隔板:T梁横隔板病害多山现在干接头形式中。①干接头改造。我们通常的做法是将干接头改造成湿接头。做法是首先凿除干接头一定范围内的

混凝土(视横隔板尺寸而定),然后利用与原横隔板钢筋同规格的钢筋将开焊、断裂的钢筋进行焊接,同时在横隔板下缘再适当增加受力钢筋,然后吊模浇筑水泥混凝上灌浆料(其有免振、快硬、高强的特点)。②横向预应力。顾名思义,就是在横隔板处,沿横桥向方向施加一定的预应力,以抵抗过大的弯矩。首先在横隔板处的T梁腹板下缘打孔,穿过螺纹钢筋或钢绞线,设置钢垫板,利用千斤顶等施加设计的预应力,使用锚具进行固定,最后利用环氧砂浆或聚合物砂浆对外露的钢材进行防腐保护,完成对T梁横隔板的加固。


3.5 构件混凝土局部破损

        同混凝土裂缝一样,构件混凝上的局部破损无是由于水等化学物质对混凝土的侵蚀作用,还是由于受到意外撞击导致的损害,如果不及时处治,都可能加速内部钢筋的腐蚀,严重时会影响结构安全。

        (1)局部修补:常用的维修方法就是局部修朴,即将破损的水泥混凝土凿除至坚实层,对钢筋进行除锈处理,然后在钢筋上涂刷阻锈剂,利用环氧砂浆或聚合物砂浆恢复原结构。

        (2)局部补强:如果局部钢筋锈蚀严重,可以采取局部补强的措施,可以在破损部位外挂高强不锈钢绞线网,然后喷射聚合物砂浆进行修朴。



4 结语


        桥梁的维修养护是一项综合性、专业性很强的工作。不同类型的病害,繁复的病害原因,我们作为一名桥梁建设工作量,要将病害的原因分析透彻,然重提出相应的维修加固措施,保证桥梁的结构安全,延长桥梁的使用寿命。以上我只是简单介绍了高速公路桥梁常见的病害,以及在我市经常采用维修加固措施。现在是科技迅猛发展的时代,对病害成因的分折会更加深入和系统,维修加固也将有更多的新材料、新技术涌现出来,桥梁维修加固将迎来崭新的时代。


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