浅谈梁桥病害及其预防
2015-06-15
一、前言
桥梁运营时，由于频繁承载，甚至超载，以及自然界或自然灾害的侵袭，交通事故等因素，会造成桥梁损伤和病害。随着使用年限的增长，桥梁的损伤及病害种类、部位会越来越多，其程度也会越来越严重。为了确保桥梁处于安全状态及正常使用的耐久性，有必要针对桥梁不同的病害，进行科学有效的维修加固，最大限度实现和延长桥梁的正常使用寿命。
二、病害原因分析
混凝土梁桥结构病害的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一种病害均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土梁桥病害的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种。
2.1 超过结构设计荷载引起的裂缝
1、设计计算阶段：结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；内力与配筋计算错误；结构安全系数不足。结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当等。
2、施工阶段：桥上不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式等。
3、使用阶段：超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风 、大雪、地震、爆炸等。
图1 设计不当、超载等原因导致桥梁病害
近年来随着我国工业化进程的加快，特大型工业设备运输、集装箱运输、矿山特种车辆及私自改装重型车辆的运行，都给现有桥梁的安全使用造成威胁。原来按旧标准规定的荷载等级设计建造的桥梁，由于交通量的不断增加，加之前述重型车辆的频繁出现，造成这些桥梁不断出现病害。
2.2 钢筋锈蚀对结构造成的损害
钢筋锈蚀是一个比较普遍、且严重威胁结构安全的耐久性问题。它在影响结构物耐久性因素中，占据主导地位。美国、英国、德国和日本等国每年均花费巨资用于混凝土结构的耐久性修复，其中钢筋锈蚀占有相当大的比例。我国也有相当数量的钢筋混凝土桥梁相继进入老化期，钢筋锈蚀的研究和防治显得非常重要。
钢筋锈蚀对桥梁结构的破坏分为三个时期：前期是钢筋表面局部锈蚀出现锈斑、锈片等；中期是钢筋整个表面锈蚀，并产生膨胀，与保护层脱离，发生层裂；后期表现为钢筋铁锈进一步膨胀，混凝土本身发生破坏，出现顺筋胀裂，混凝土脱离，直至钢筋不断锈蚀，有效截面不断减小，桥梁结构承载力不断下降，钢筋混凝土构件丧失基本承载能力。
锈蚀钢筋抗力的降低直接影响服役结构和构件的承载能力，严重时可造成结构提前失效甚至倒塌。沿钢筋长度发生均匀锈蚀时，钢筋的失重率近似等于钢筋的截面面积损失率，钢筋所能抵抗的极限拉力的降低与钢筋截面面积锈损率基本成正比，此时，可以简单地用锈损钢筋的实际截面面积乘以未锈钢筋的极限抗拉强度获得锈蚀钢筋的极限抗拉能力。
图2 钢筋锈蚀引起混凝土脱落
混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，并且同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比腐蚀钢筋的体积要大得多，一般可达钢筋腐蚀量的 2—4 倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层剥落，严重影响钢筋混凝土桥梁的正常使用。
钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用，通过它来传递二者之间的应力，协调变形，因此钢筋与混凝土之间粘结锚固性能是保证钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土间锈蚀层的润滑作用、钢筋表面横肋的锈损、混凝土保护层的开裂或剥落都会导致钢筋混凝土粘结锚固性能降低甚至完全丧失，最终影响钢筋混凝土桥梁结构的安全性、适用性和耐久性。
2.3 温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形受到约束，在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。
2.4 养护措施不当引起的裂缝
养护维修及加固措施不当。
有些桥梁的技术缺陷则是由于养护维修不恰当引起的。如桥面维修增加过大的恒载，致使桥梁本身自重过大，承载力相对提高较小或未提高；桥面排水处理不当，桥面渗水；支座维修不当，改变了整个结构的受力状态等。
三、梁桥病害的预防措施
桥梁病害预防思想应贯穿整个桥梁寿命期间，包括设计及方案阶段，设计阶段应详细调查交通量并充分估计将来增加的交通量，提高结构安全系数。桥型应选择较为成熟且应用广泛的方案；施工阶段应精心组织施工，加强观测；运营阶段严防超载，定期检查，
依据相关资料并吸收实际工程经验，提出以下几方面预防措施，以期达到防范于未然的目的。
3.1 提高设计水平
提高设计阶段的设计者水平。主要通过选用合理的计算模型；提高结构安全系数；考虑合理的施工方案；提高结构耐久性设计等措施，严把设计关，减少梁桥产生病害的先天不足。
3.2 定期检查及检测
桥梁结构的检查，是保证桥梁正常使用、进行维修加固的重要依据。没有正规的检查就不可能有合理的维修。病害发现得越早，维修工作量就越小；发现得越晚，维修工作量就越大。检查不及时或不充分就有可能使桥梁病害得不到发现而潜藏着隐患。因此，检查桥梁结构的目的在于随时掌握结构的技术状况和安全状态，总结设计、施工、使用和维修的经验和教训。
通过对现有桥梁的检查，对于一些重要的大桥或特大桥梁，在建成之后，可评定其设计及施工质量，确定工程的可靠度；对采用新型结构的桥梁，可验证理论的实践性和可靠性，进一步发现问题，总结经验，以便对结构设计理论及结构形式加以改进，使其更加完善；对经过维修加固的桥梁，可检验维修加固质量，并验证加固方案的合理性与可靠性。
通过检查，还可了解桥梁实际受力状态，判断结构的安全承载能力和使用条件。
3.3 提高施工质量预防钢筋锈蚀及温差应力裂缝的产生
大量调查研究表明，钢筋锈蚀的原因正是由于混凝土保护层的碳化和氯离子的侵入而造成的。为了防止钢筋锈蚀，必须防止混凝土的碳化或减慢碳化速度和防止氯离子的侵入。而混凝土碳化又是由于混凝土抗渗性能不足引起的，所以为防止碳化，必须提高混凝土的抗渗性。预防措施主要有：
1、降低水灰比。混凝土是由水泥、粗、细骨料和水拌制而成，根据水泥完全水化的理论，需水量只有水泥重量的25％左右，但在拌制混凝土时，为了获的必要的流动性，满足施工要求，常用较多的水，即较大的水灰比W/C。当混凝土硬化后，多余的水就会蒸发掉，形成毛细孔。用水量越大，水泥水化后留下的毛细孔越多，渗透系数也越大。所以在拌制混凝土时，在满足设计要求和施工要求的情况下，尽量降低水灰比，减少用水量，增加密实度，提高混凝土的抗渗性。
2、掺外加剂。一是掺引气型的减水剂，一方面使混凝土内部产生均匀、稳定、互不连通的微小气泡，阻止液体的渗透，另一方面也大大减少混凝土的用水量，增加混凝土的密实度，提高抗渗性；二是掺抗渗剂，掺抗渗剂在混凝土内形成胶体洛合物，填充、堵塞了混凝土内部的毛细孔缝，从而增加混凝土的密实度，提高抗渗性；三是掺膨胀剂，通过掺膨胀剂发生化学反应，使混凝土产生膨胀，在外力约束下，增加混凝土的密实度，也可提高抗渗性。
3、选择合适的材料。应选用颗粒细、水化热低的水泥。因为越细，凝结越快，泌水越少，抗渗性能越好。水泥标号一般不低于425号；并掺用适量优质掺合料；细骨料要求砂的颗粒均匀、圆滑、质地坚硬、平均粒径为0.4mm左右的河砂，含泥量＜3％，并含适量的粉砂；选用粗骨料，除大体积外，一般情况下粒径5～30mm为宜，最大粒径不超过40mm.含泥量＜1％，要求组织细密、颗粒整齐、质地坚硬，另外级配要优良，以改善混凝土的和易性，增加密实度，提高抗渗性。
四、结束语
梁桥病害是不可能消除的，但是可以减少病害造成的损失，只要设计方案合理、施工质量有保证及养护措施得当，梁桥是可以在预期寿命的时间里完成其预定功能的。
