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試論道路橋梁結(jié)構(gòu)病害與加固
一、橋梁病害成因
橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以承受作用于其上的重力和附加力；結(jié)構(gòu)各部必須具有足夠的剛度，以使其在荷載作用下不產(chǎn)生過(guò)大的撓曲和變形；結(jié)構(gòu)各部尺寸必須具有適當(dāng)大小，以使其承受軸向壓力時(shí)的構(gòu)件不發(fā)生屈曲，喪失穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)構(gòu)也要具有較高的耐久性。由于作用荷載的隨機(jī)性、材料強(qiáng)度的離散性、制造與施工質(zhì)量的分散性、計(jì)算假定的近似性，致使在長(zhǎng)期使用過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害，其具體原因如下：
1．原設(shè)計(jì)荷載偏低，交通發(fā)展后車(chē)輛荷載增大，橋梁因承載能力不足而產(chǎn)生病害。
混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱(chēng)荷載裂縫，歸納起來(lái)主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。
直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：①設(shè)計(jì)計(jì)算階段，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不計(jì)算或部分漏算；計(jì)算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。②施工階段，不加限制地堆放施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)充驗(yàn)算等。③使用階段，超出設(shè)計(jì)載荷的重型車(chē)輛過(guò)橋；受車(chē)輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。
次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：①在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的、實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。②橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開(kāi)洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長(zhǎng)跨預(yù)截?cái)噤撌?，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)常可以看到裂縫。因此，若處理不當(dāng)，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截?cái)嗵幦菀壮霈F(xiàn)裂縫。
2、溫度變化引起的裂縫
①年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對(duì)緩慢，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過(guò)橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會(huì)引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國(guó)年溫差一般以一月和七月平均溫度的作為變化幅度?？紤]到混凝土的蠕變特性，年溫差內(nèi)力計(jì)算時(shí)混凝土彈性模量應(yīng)考慮折減。②日照。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽(yáng)曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身的約束作用，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和下述驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見(jiàn)原因。③驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計(jì)算時(shí)可采用設(shè)計(jì)規(guī)范或參考實(shí)橋資料進(jìn)行，混凝土彈性量不考慮折減。
3、收縮引起的裂縫
塑性收縮。在施工過(guò)程中、混凝土筑后4-5小時(shí)左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和分急劇，因此時(shí)混凝土尚未硬化，稱(chēng)為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級(jí)很大，可達(dá)1%左右。在骨料下沉過(guò)程中若受到鋼筋阻擋，便形成洞鋼筋方向的裂縫
縮水收縮干縮?；炷两Y(jié)硬以后，隨著表層水逐步蒸發(fā)，溫度逐步降低，混凝土體積減小，稱(chēng)為縮水收。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面民縮大、內(nèi)部收縮小的不均，鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂紋。
自生收縮是混凝土在硬化過(guò)程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，這種收縮與外界濕度無(wú)且可以是正的（即收縮、如普通硅酸鹽水泥混凝土），也可以是負(fù)的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。
炭化收縮。大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮只有在溫度505℃左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計(jì)算。
混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分表面裂縫，寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒(méi)有任何規(guī)律。
研究表明，影響混凝土收縮裂縫的主要因素有：水泥品種、標(biāo)號(hào)及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標(biāo)號(hào)越低、單體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時(shí)間越長(zhǎng)。例如，為了提高混凝土的強(qiáng)度，施工時(shí)經(jīng)常采用強(qiáng)行增加水泥用量的做法，施工時(shí)經(jīng)常用強(qiáng)行增加水泥用量的做法，用不水量大。火灰比越高，混凝土收縮越大。養(yǎng)護(hù)方法。良好的養(yǎng)護(hù)方法可加速混凝土的水化反應(yīng)，獲得較高的混凝土強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，則混凝土收縮越小。對(duì)于溫度和收縮引起的裂縫，增配構(gòu)造鋼筋可用明顯提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)（壁厚20-60cm）。構(gòu)造上配筋宜優(yōu)先采用小直徑鋼筋小距布置，全截面構(gòu)造配筋率宜低于0.3%，一般可采用0.3%-0.5%。
4、施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
在混凝土結(jié)構(gòu)中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進(jìn)的和貫穿各種裂縫，特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異，比較典型常見(jiàn)的有：①混凝土保護(hù)層過(guò)厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件有效高度減小，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。②混凝土振搗不密實(shí)、不均勻、出一蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋誘蝕或其它荷載裂縫的起源點(diǎn)。③混凝土流動(dòng)性較低，在硬化前因混凝土沉實(shí)不足，硬化后沉實(shí)過(guò)大，容易發(fā)生裂縫，既塑性收縮性。④混凝土攪拌、運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使水分發(fā)過(guò)多，引起混凝土塌落度過(guò)低，使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。⑤混凝土分層或分段時(shí)，接頭部位處理裂縫。⑥混凝土分層或分段時(shí)，接頭部位處理不好，易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。⑦施工時(shí)拆模過(guò)程，混凝土強(qiáng)度不足，使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。
5、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在缺陷，如采用橋型結(jié)構(gòu)不當(dāng)、設(shè)計(jì)假定不盡合理。
6、橋梁施工質(zhì)量差，未按設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)程實(shí)施。
7、不重視橋梁后期養(yǎng)護(hù)工作，沒(méi)有及時(shí)消除己產(chǎn)生的病害。
8、洪水等自然災(zāi)害使橋梁產(chǎn)生損壞。
9、地質(zhì)條件差，如滑坡、軟基等導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生病害。
二、橋梁加固的一般流程
在橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生病害后，需要采取措施進(jìn)行加固維修或者更換。橋梁加固工程一般應(yīng)遵循以下工作程序：
結(jié)構(gòu)可靠性鑒定―加固方案確定―加固設(shè)計(jì)―施丁組織設(shè)計(jì)―施工―驗(yàn)收。
結(jié)構(gòu)可靠性鑒定，主要是對(duì)病害結(jié)構(gòu)的病情診斷。加固方案好比處方，加固設(shè)計(jì)是現(xiàn)行規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加固方案的深化過(guò)程。加固施工是對(duì)被加固結(jié)構(gòu)按加固設(shè)計(jì)進(jìn)行加固的施工過(guò)程，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)加固，為確保質(zhì)量和安全，施工前應(yīng)編制施工組織設(shè)計(jì)。
三、橋梁加固增強(qiáng)技術(shù)
橋梁的增強(qiáng)改造可以分為裂縫修補(bǔ)和對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的加固增強(qiáng)，下面介紹其特點(diǎn)及其適用的場(chǎng)合。
（一）裂縫修補(bǔ)技術(shù)
裂縫修補(bǔ)的目的在于恢復(fù)結(jié)構(gòu)物的防水性和耐久性，主要技術(shù)有：
1．表面處理法，在微裂縫的表面涂抹填料及防水材料，以提高其防水性和耐久性。對(duì)于寬度發(fā)生變化的裂縫，要設(shè)法使用有伸縮性的材料。
2．注漿法，在裂縫中注入樹(shù)脂或水泥類(lèi)材料，以提高其防水性及耐久性。主要注漿材料是環(huán)氧樹(shù)脂，多采用低壓低速注入法。環(huán)氧樹(shù)脂注入法與鋼釘并用，可以增強(qiáng)裂縫部位的整體性，是一種防止裂縫繼續(xù)發(fā)展的好辦法。
3．充填法，這是一種適合于修補(bǔ)較寬裂縫的方法，具體做法是沿裂縫鑿一條深槽，然后在槽內(nèi)嵌補(bǔ)各種粘結(jié)材料，如水泥砂漿、環(huán)氧砂漿、膨脹水泥砂漿、環(huán)氧樹(shù)脂硅、瀝青及各種化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)劑等。
4．表面噴涂法，噴漿修補(bǔ)是一種在經(jīng)鑿毛處理的裂縫表面，噴射一層密實(shí)而且粘度高的水泥砂漿保護(hù)層，來(lái)封閉裂縫的修補(bǔ)方法。噴漿前，需要把結(jié)構(gòu)表面的剝離部分除去，再用水沖洗清潔，并在開(kāi)始噴漿之前把基層濕潤(rùn)，然后再開(kāi)始噴漿。
5．粘結(jié)鋼板封閉法,當(dāng)鋼筋?構(gòu)件產(chǎn)生主拉應(yīng)力裂縫時(shí)，可對(duì)裂縫先進(jìn)行處理之后，再在裂縫處粘結(jié)鋼板，并用膨脹螺栓對(duì)鋼板加壓。鋼板粘結(jié)方向應(yīng)和裂縫方向垂直。
（二）橋梁加固增強(qiáng)技術(shù)
本文以最常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式的上部結(jié)構(gòu)及其常見(jiàn)的加固方法進(jìn)行說(shuō)明。
梁式橋上部結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)技術(shù)主要有加大截面加固法、外部粘貼加固法、外部預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法、增設(shè)縱梁加固法。
加大截面加固法采用增大構(gòu)件的截面面積，根據(jù)荷載大小和凈空條件不同，可分為以加大截面面積為主和加配鋼筋為主兩種加固方案。
外部粘貼加固法系用型鋼、玻璃鋼等材料通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂等粘合劑粘貼在結(jié)構(gòu)外部，以提高結(jié)構(gòu)承載能力的一種方法。適用于構(gòu)件尺寸受限制但又必須大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力的場(chǎng)合，必須保證粘和劑的質(zhì)量
外部預(yù)應(yīng)力加固法指運(yùn)用預(yù)應(yīng)力原理，在增設(shè)的構(gòu)件或原有構(gòu)件上施加一定初始應(yīng)力的一種加固方法。采用對(duì)受拉區(qū)施加預(yù)加壓力，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載、減小跨中撓度、減小裂縫寬度或閉合裂縫的作用。
改變結(jié)構(gòu)體系加固法通過(guò)增設(shè)支撐或橋墩，把簡(jiǎn)支變?yōu)檫B續(xù)、在梁下增設(shè)如鋼架等加勁梁或疊合梁，以減小梁內(nèi)控制截面峰值彎矩，提高承載能力的一種加固方法。
增設(shè)縱梁加固法在橋梁墩、臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定，并具有足夠承載能力的情況下，可采用增設(shè)承載能力高和剛度大的新縱梁，這些新梁與舊梁連接在一起共同受力。由于應(yīng)運(yùn)中的車(chē)輛荷載在新增主梁后的橋梁結(jié)構(gòu)中重新分布，使原梁中所受荷載得以減少，加固后的橋梁承載能力和剛度得以提高。當(dāng)增設(shè)的縱梁位于主梁的一側(cè)或兩側(cè)時(shí)，兼有拓寬的作用。此法適用于梁體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)完好，而承載能力不能滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合。
（三）橋梁結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)――錨噴
隨著施噴機(jī)具的發(fā)展以及速凝劑的采用，人們把噴射?與錨桿、鋼筋網(wǎng)等配合起來(lái)使用，促進(jìn)了錨噴技術(shù)的完善。實(shí)踐證明，錨噴技術(shù)完全可以應(yīng)用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的加固增強(qiáng)。
噴射硅的性能?chē)娚涔柙诠に嚥牧霞敖Y(jié)構(gòu)等方面與普通現(xiàn)澆硅相比有許多優(yōu)點(diǎn)。施工中需加入速凝劑，因而又具有快凝、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)；錨噴技術(shù)不用或只用側(cè)向模板，其運(yùn)輸、澆注、搗固合并為一道工序、設(shè)備簡(jiǎn)單、占地面積小、施工機(jī)械化程度高、速度快、效率高、節(jié)省勞動(dòng)力；可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，即按照加固整治的實(shí)際需要可在拱腹下施噴形成各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型；不中斷交通。
