中國道路橋梁結(jié)構(gòu)病害與加固問題研究
2015-12-29
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的交通事業(yè)也迎來了快速發(fā)展時期，自然也增加了私人汽車的數(shù)量。交通系統(tǒng)作為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,它對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。但是由于外界環(huán)境的腐蝕、大型車輛載重超標(biāo)以及交通流量的增加等諸多原因,很多道路橋梁正面臨著日益加劇的性能損壞。橋梁結(jié)構(gòu)在施工和營運(yùn)使用過程中,常常會出現(xiàn)各種不同形式的裂縫。其中,由磚、石和混凝土構(gòu)筑而成的橋梁結(jié)構(gòu)物,由于磚石砌體及材料的抗拉能力較弱,稍微受拉就會產(chǎn)生裂縫。
在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)美國,這個問題就顯得十分突出,美國的公路系統(tǒng)中共有580,000座橋梁,其中有超過45%的道路橋梁已經(jīng)被定為性能退化或載重能力不足，這已經(jīng)成為美國道橋所面臨的一個重要的問題。而我國的橋梁損壞情況也不容樂觀,道路運(yùn)輸也在承擔(dān)著日益嚴(yán)重的“壓力”， 當(dāng)然，城市道路供給與運(yùn)輸需求也日益凸現(xiàn)出了尖銳的矛盾，具體表現(xiàn)為道路橋梁自身質(zhì)量難以滿足日益增加的運(yùn)輸需求，呈現(xiàn)出超負(fù)荷疲勞運(yùn)作傾向，再加上車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，造成了頻發(fā)的道路橋梁病害問題。路橋結(jié)構(gòu)危害不僅使其使用壽命縮短，為交通運(yùn)輸安全埋下了隱患，還給國家財產(chǎn)和人民生命安全帶來巨大損失。混凝土橋梁是我國交通基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分。并且隨著使用時間的推移，尤其是隨著各種重型車輛、工程用重型運(yùn)輸車的不斷出現(xiàn)，日益加重了道路橋梁的負(fù)荷，再加上部分老化、破損或受原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的限制，很多道橋因耐久性不足而最終造成了結(jié)構(gòu)失效。因此，必須重視橋梁病害的診治，并采取有效的修復(fù)加固措施，從而及時的減少和防治橋梁安全性所構(gòu)成的威脅。
近些年來,土木工程專業(yè)領(lǐng)域的科技人員在此方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究實(shí)踐工作,目前在道路橋梁損壞的檢測、鑒定與加固等領(lǐng)域已初步取得一定的科研成果,一些新技術(shù)、新材料已陸續(xù)的運(yùn)用到了橋梁加固建設(shè)工程中,并且在研究與實(shí)踐中不斷的完善、發(fā)展和創(chuàng)新。
一、道橋結(jié)構(gòu)危害的表現(xiàn)形式及其成因分析
?。ㄒ唬┞窐虻鼗牟痪鶆虺两狄l(fā)的病害
地基不均勻沉降會使得路橋面各部位受力不均，從而導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致橋面的塌陷和橋梁的損毀。作為引發(fā)路橋病害的最主要原因之一，地基不均勻沉降的引發(fā)主要有三方面原因：
1．施工前不科學(xué)的設(shè)計與勘探。一般來說，任何項(xiàng)目在施工前，都需要做實(shí)地的地質(zhì)勘探，從而為工程地質(zhì)報告真實(shí)反應(yīng)地段的地質(zhì)情況的提出提供依據(jù)。繼而工程設(shè)計師憑借這些基礎(chǔ)開始設(shè)計工程規(guī)劃，作出設(shè)計圖，這些工作都是一脈相承、缺一不可的，能夠?qū)ΜF(xiàn)場施工發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，因此，一旦這一系列工作沒有做好，后期施工地基不穩(wěn)所引起的不均勻沉降也就在所難免了。
2．發(fā)生于施工過程中不規(guī)范施工。作為工程建設(shè)的主體工序，工程施工的每一環(huán)節(jié)都必須獲得重視，施工環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的偷工減料，管理不善等一系列偏離工程設(shè)計初衷的操作，都會在很大程度上給工程質(zhì)量造成不利影響，地基的穩(wěn)固也就無法保證。
3．周圍環(huán)境的影響。一個地區(qū)可能有多個正在施工的工程，當(dāng)其他工程的打樁深挖不合理時，本工程地基的穩(wěn)固則很可能受到影響，因此地基也就會不均勻沉降。
?。ǘ蛎驿佈b層出現(xiàn)裂縫
通常情況下，橋面鋪裝層出現(xiàn)裂縫也是橋體結(jié)構(gòu)危害的表現(xiàn)。它的出現(xiàn)也有三方面的原因。
1．車輛行駛的原因。急剎車現(xiàn)象是車輛行駛中很容易出現(xiàn)的，部分汽車還存在著超載問題，兩種情況的雙重的持續(xù)影響下，路橋面的裂縫就會在長期的磨損和擠壓中出現(xiàn)。
2．施工中周圍溫度變化不均導(dǎo)致的裂縫。我國當(dāng)前的道路橋梁的鋪裝層多采用半剛性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然能夠提升鋪裝層的密實(shí)度、強(qiáng)度以及壓實(shí)度，但也使得面對溫度變化時鋪裝層承重過于敏感，尤其是北方，早晚溫差較大，路橋面由于溫度不均所引發(fā)的裂縫是很常見的。
3．施工中不合理的混凝土配料。施工人員在施工過程中沒有真實(shí)掌握初凝期鋸縫時間，混凝土配比失誤時就很容易在竣工通車后產(chǎn)生裂縫。這是因?yàn)楫?dāng)前路橋面主要以水泥混凝土為原材料，混凝土的配比必須根據(jù)實(shí)際施工需要進(jìn)行配置。以上裂縫在長期作用下會逐步加寬加深，并最終導(dǎo)致路橋面出現(xiàn)凹陷和坑槽。
?。ㄈ┝憾祟^局部破損
梁端頭破局部損是路橋結(jié)構(gòu)中極易出現(xiàn)的危害，修復(fù)難度也比較大，主要表現(xiàn)為梁端頭伸縮縫變形和損壞。通常情況下，導(dǎo)致梁端頭局部破損有三個原因：
1．在設(shè)計初始階段的計算失誤。工程設(shè)計師由于缺乏嚴(yán)謹(jǐn)，在對路橋進(jìn)行設(shè)計時對梁端的伸縮量存在著計算失誤，因此造成了梁端經(jīng)過車輛反復(fù)碾壓而造成了破損，從而造成了伸縮裝置失靈實(shí)效。
2．施工人員現(xiàn)場施工失誤。施工現(xiàn)場過程中，施工人員的施工重點(diǎn)就是梁端伸縮縫，任何程度的閃失造成的誤差都很容易造成日后極大的問題。
3．養(yǎng)護(hù)工作不足。在養(yǎng)護(hù)缺失的條件下，伸縮裝置損壞是很容易造成的，尤其是“伸縮縫跳車”現(xiàn)象是很容易形成的。不僅行車人員行車過程中的舒適度會降低，對橋梁的沖擊力也隨之增加了，橋梁整體結(jié)構(gòu)遭到了破壞，橋梁的使用壽命也縮短了。
（四）混凝土的碳化
混凝土碳化主要是自然因素造成的，因?yàn)榭諝庵卸趸紩c混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成碳酸鈣，導(dǎo)致混凝土碳化，碳化的混凝土PH值會不斷下降，而包裹在混凝土中的鋼筋一般不做表面防腐處理，PH值過低的混凝土不僅起不到保護(hù)鋼筋的作用，還會對鋼筋造成腐蝕，這不僅大大縮短了橋梁的使用壽命，還可能引發(fā)安全事故。
?。ㄎ澹﹦兾g
剝蝕是自然力和人為因素共同作用的結(jié)果，通常表現(xiàn)為公路橋梁表面出現(xiàn)蜂窩面、起皮甚至整體性剝落。剝蝕不僅影響公路橋梁結(jié)構(gòu)的外觀形態(tài)和整體美觀，還會導(dǎo)致鋼筋裸露，加速道路橋梁鋼筋的銹蝕速率。
二、路橋結(jié)構(gòu)加固的一般流程和技術(shù)
?。ㄒ唬┮话懔鞒?br />
當(dāng)?shù)缆窐蛄航Y(jié)構(gòu)發(fā)生了上述病害之后，采取措施從而進(jìn)行加固、維修甚至更換是必要的。而路橋加固施工過程一般來說要遵循以下幾個工作流程：結(jié)構(gòu)可靠性鑒定――加固方案確定一―加固設(shè)計―一施丁組織設(shè)計―一施工一―驗(yàn)收。加固方案好比處方，加固設(shè)計是現(xiàn)行規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對加固方案的深化過程。加固施工是對被加固結(jié)構(gòu)按加固設(shè)計進(jìn)行加固的施工過程，對于大型結(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。
（二）幾種常見有效的加固技術(shù)
道橋結(jié)構(gòu)加固法主要包括外部粘貼加固法、加大截面加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法、外部預(yù)應(yīng)力加固法、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、玻璃鋼等材料通過環(huán)氧樹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。采用對受拉區(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。這種方法適用于構(gòu)件尺寸受限制但又必須大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力的場合，必須保證粘和劑的質(zhì)量。
改變結(jié)構(gòu)體系加固法通過增設(shè)支撐或橋墩，把簡支變?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。同樣，增設(shè)縱梁加固法主要應(yīng)用于橋梁墩、臺基礎(chǔ)穩(wěn)定的情況下，并且橋體要具備足夠的承載能力。這種情況下可采用增設(shè)剛度大且承載能力高的新縱梁，從而與舊梁連接在一起共同承受壓力。由于行使中的車輛荷載在新增主梁后的橋梁結(jié)構(gòu)中得到了重新的分布，從而減少了原梁中所受的荷載，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―側(cè)或兩側(cè)時，兼有拓寬的作用。此法適用于梁體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)完好，而承載能力不能滿足要求的場合。
同樣，還有當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)加固技術(shù)領(lǐng)域中的新理念，即錨噴。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)。因?yàn)殡S著施噴機(jī)具的發(fā)展以及速凝劑的采用，人們把噴射砼與錨桿、鋼筋網(wǎng)等配合起來使用，促進(jìn)了錨噴技術(shù)的完善。噴射硅在工藝材料及結(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，因而叉具有怏凝、早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)；可設(shè)計性強(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)類型；錨噴技術(shù)不用或只用側(cè)向模板，其澆注、運(yùn)輸、搗固合并為一道工序、占地面積小、設(shè)備簡單、施工機(jī)械化程度高、效率高、速度快、節(jié)省勞動力；不中斷交通。
