混凝土空心板梁橋典型病害成因分析及防治策略

1、混凝土空心板梁橋典型病害成因分析及防治策略楊敏，靳欣華（1.上海市浦東新區(qū)公路管理署，上海200 1 2 9 ； 2 .上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究 院，上海2 0 0 0 3 1 ）摘要：上海市公路及城市道路橋梁中，簡支混凝土空一 t k ,板梁橋是中小跨徑橋梁的主 要結(jié)構(gòu)形式。針對此類橋梁常見的典型病害，該文分析了病害產(chǎn)生的原因，并提出了針 對橋梁病害的防治策略，對此類橋梁的設(shè)計、施工、養(yǎng)護等具有重要的借鑒意義。關(guān)鍵詞：空心板梁橋；典型病害；成因分析；防治策略；上海市中圖分類號：U 4 4 8 . 2 1 2 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1 0 0 9 7 7 1 6 （ 2 0 0 8） 0 8

2、 0 1 1 2 0 4O 引言上海市公路及城市道路橋梁中，混凝土空心板梁橋是中小跨徑橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式。 一般單跨跨徑2 2 m以下的橋梁多采用混凝土空心板梁橋?？招陌辶和ǔ７譃殇摻罨?凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土兩大類。鋼筋混凝土空心板梁主要集中在單跨跨徑13 m以下的 橋梁，跨徑13 m的基本采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。此類橋梁采用多片空心板梁拼 裝而成，形成整體以承受橋面荷載。上海市的此類橋梁，一般在橋臺位置設(shè)型鋼伸縮縫 或簡易伸縮縫，橋墩位置多數(shù)采用橋面連續(xù)構(gòu)造。由于上海地區(qū)的地質(zhì)條件，基礎(chǔ)多 采用摩擦樁基礎(chǔ)，橋臺多為輕型橋臺，柱式橋墩。此類橋梁的典型病害主要集中在上部結(jié)構(gòu)和橋面系，下部結(jié)構(gòu)病害

3、較少。此處主要 介紹上部結(jié)構(gòu)和橋面系的典型病害。根據(jù)對上海市此類橋梁的調(diào)查，此類橋梁上部結(jié)構(gòu)和 橋面系比較典型的病害特征有：橋面鋪裝縱向裂縫、橋面滲漏水、鋼筋銹蝕、板梁 裂縫等病害。1 典型病害成因分析1 . 1橋面鋪裝縱向裂縫空心板梁橋的橋面鋪裝除直接承受車輛荷載的碾壓外，還承擔(dān)著將車輛荷載向各個板 梁傳遞分配的功能，同時對整個橋梁結(jié)構(gòu)起著防水、防曬、防侵蝕等防護作用。橋 面鋪裝的病害直接影響到橋梁的外觀、行車舒適性和安全性，此類橋梁橋面鋪裝病害 有多種類型，橋面鋪裝縱向裂縫是較為典型的病害。橋面鋪裝縱向裂縫在8 m1 3 m跨徑的空心 板梁橋中最為集中。橋面鋪裝一 旦出現(xiàn)縱向裂縫， 將直接

4、削弱板梁間的橫向聯(lián)系，水分將沿鉸縫下流，造成空心板梁邊 角鋼筋腐蝕?？v向裂縫嚴(yán)重的，將導(dǎo)致單梁受力的最不利狀態(tài)，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全運 營。如滬嘉南黃泥涇橋出現(xiàn)的斷梁事故即為單梁受力狀態(tài)受損所致。橋面鋪裝縱向裂縫的成因主要從設(shè)計和施工兩方面進行分析。預(yù)制拼裝的空心板梁橋 通過橋面混凝土鋪裝層、鉸縫混凝土和少量的鉸縫鋼筋將空心板梁連為整體共同受力。 設(shè)計時認(rèn)為鉸縫只傳遞剪力，不承受彎矩，然而實際上空心板梁在主要承受縱向彎矩的 同時，還要承受一定的橫向彎矩。這一橫向彎矩主要靠鉸縫頂面的混凝土鋪裝層來承擔(dān)， 設(shè)計時未針對此力進行鋪裝設(shè)計?；炷龄佈b層厚度小時，配筋較少的情況下（鋼筋處 于鋪裝層中部時，

5、接近中心軸位置，對抗彎不起作用），縱向裂縫的出現(xiàn)不可避免。 小跨徑板梁由于梁高較矮，梁的抗扭剛度較小，在重車通過時將產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形， 產(chǎn)生較大的橫向彎矩，因此更 容易出現(xiàn)鉸縫損壞及橋面鋪裝縱向裂縫。施工過程中如果存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，對橋面縱向裂縫的出現(xiàn)更是雪上加霜。施工中常 出現(xiàn)鋪裝層厚薄不均勻（有時為了調(diào)坡，甚至犧牲混凝土鋪裝層的厚度），橋面鋼筋網(wǎng) 未按設(shè)計要求布設(shè)，鋼筋網(wǎng)緊貼橋面，削弱了鋼筋網(wǎng)的分布筋作用和承受荷載的能力;預(yù)留鉸縫鋼筋過短，錨固長度不足，澆注橋面混凝土前鉸縫鋼筋與板頂面緊貼， 導(dǎo)致 鉸縫鋼筋和混凝土的粘結(jié)力下降，在較大的梁問剪力作用下容易拉脫。1 . 2橋面滲漏水橋面滲

6、漏水的病害特征主要表現(xiàn)為墩臺位置滲漏水、梁間鉸縫位置滲漏水、梁底裂 縫滲漏水、梁底析白泛堿滲水等幾個方面。通過實踐經(jīng)驗和理論均表明混凝土橋梁的許 多病害與水有著密不可分的關(guān)系。如果沒有水，堿骨料和膨脹骨料病害將不會出現(xiàn)，混 凝土的碳化將減緩，鋼筋的銹蝕將減緩，氯離子對鋼筋的腐蝕將停止?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，漏 水部位的混凝土劣化明顯，鋼筋容易銹蝕暴露?？梢娝畬炷翗?gòu)件耐久性能的顯著影 響，水是橋梁耐久性病害的催生劑。因此，橋面滲漏水既是橋梁結(jié)構(gòu)的典型病害特征， 又是應(yīng)該給以足夠重視的病害特征。橋面滲漏水的根本原因既為橋面防水層的破壞及排水系統(tǒng)的不完善，其成因有多個方 面。橋梁防水問題過去一直沒有引起

7、足夠重視，因為通常認(rèn)為混凝土本身不怕水，鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁無需防水。因此，橋面系的設(shè)計缺乏完善的排水系統(tǒng)，容易引起 橋面滲漏水。比如墩臺位置滲漏水一般為伸縮縫和橋面連續(xù)止水功能喪失， 同時還有 橋面排水系統(tǒng)設(shè)計考慮不足引起，橋臺伸縮縫兩端及橋墩上欄桿接縫處未設(shè)擋水措施， 水直接沿橋臺伸縮縫兩端或橋墩上欄桿接縫處排向橋下，剛好被墩臺帽兩端擋塊擋住，水 即從墩臺頂部流下，多數(shù)橋梁都有此類病害特征。檢測發(fā)現(xiàn)橋面連續(xù)構(gòu)造防水措施的 設(shè)計也不夠有效，幾乎每座橋梁橋面連續(xù)處均存在漏水現(xiàn)象，橋面連續(xù)處由于受到負(fù)彎 矩作用容易發(fā)生開裂，因此此處的防水措施不容忽視。伸縮縫止水功能的喪失往往與養(yǎng)護 維修不及時

8、有關(guān)系，型鋼伸縮縫中嵌入垃圾、石子等雜物不及時清理，被來往車輛碾壓 后容易將橡膠止水帶刺破，伸縮縫橡膠條老化破壞未及時更換也是漏水的原因。另外一些 簡易的伸縮縫構(gòu)造如瀝青填縫、橡膠填縫、自然縫等不具備防水功能，新設(shè)計橋梁很 少使用，但在老橋中仍有不少存在。鉸縫間滲漏水一般為鉸縫損壞和橋面防水層破壞 所致。鉸縫損壞和橋面縱向裂縫的產(chǎn)生具有相同的原因（既有設(shè)計，也有施工方面的原 因）， 因此鉸縫漏水病害和橋面縱向裂縫一般對應(yīng)出現(xiàn)。鉸縫漏水容易引起板梁角部鋼 筋的銹蝕。梁底裂縫滲漏水及梁底析白泛堿滲水首先是空心板梁空腔內(nèi)有積水，然后積水從梁底 橫向裂 縫或縱向裂縫 滲出，嚴(yán)重的將形成 石鐘乳狀C a

9、 C o，結(jié)晶。板梁空腔內(nèi)積 水來源一般有兩種，一種是墩臺處滲漏水，然后水從梁端封頭板處滲入梁內(nèi)；一種是 梁頂板混凝土較薄或不密實，橋面防水層破壞后水從上部滲入。一般第一種情況比較普 遍，其滲漏水是由墩臺處滲漏水和封頭板不嚴(yán)密共同所致。橋面泄水孔的設(shè)置不合理，也會導(dǎo)致橋下構(gòu)件遭受雨水侵蝕，不少橋梁其泄水孔一般 直接在欄桿緣石下開孔設(shè)置，橋面積水即使從泄水孔排出，也被倒鉤流向板梁底，引 起邊上幾根梁經(jīng)常遭受雨水侵蝕?？傊?，橋面滲漏水的原因兼有設(shè)計、施工和養(yǎng)護等各個方面的綜合原因造成，但橋 面滲漏水對橋梁的耐久性的影響具有不可忽視的作用，因此必須引起各方的足夠重視， 特別是橋梁設(shè)計工程師們的重視。

10、1 . 3鋼筋銹蝕鋼筋銹蝕是混凝土橋梁的常見病害，也是混凝土空心板梁橋比較典型的病害。上海市 混凝土空心板梁橋最常見的鋼筋銹蝕病害為箍筋銹蝕裸露，可出現(xiàn)在橋墩、橋臺、板 梁、欄桿等所有混凝土構(gòu)件上。箍筋銹蝕露筋多出現(xiàn)在橋面滲漏水嚴(yán)重的位置，一般保 護層厚度較薄，混凝土不密實等，混凝土碳化及外界介質(zhì)的侵蝕容易導(dǎo)致箍筋銹蝕膨脹，使表面混凝土剝離、剝落，最后導(dǎo)致露筋。箍筋銹蝕裸露不僅影響構(gòu)件的耐久性，削 減 結(jié)構(gòu)的有效截面，同時影響橋梁的外觀，因此發(fā) 現(xiàn)此病害應(yīng)及時給予除銹封閉。箍 筋銹蝕裸露主要和施工質(zhì)量欠佳引起的保護層不足及橋面滲漏水有關(guān)。除了箍筋銹蝕裸露，也經(jīng)常有板梁主筋銹蝕產(chǎn)生順筋脹裂裂縫的

11、情況。根據(jù)對上海地 區(qū)的混 凝土空心板梁橋的檢測經(jīng)驗，該類病害大多由于 保護層厚度不足及混凝土振搗不 密實所致（應(yīng)歸咎于施工質(zhì)量），當(dāng)混凝土碳化及有雨水侵蝕時，容易引起主鋼筋銹脹 開裂。有時混凝土振搗不實引起的空洞可直接導(dǎo)致主筋裸露銹蝕。在海濱個別橋梁也發(fā)現(xiàn) 了由于氯離子濃度較高（直接用海水?dāng)嚢杌炷粒┮痄摻钿P蝕病害，但數(shù)量較少。上 海地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了由膨脹集料發(fā)病引起混凝土大面積剝離、剝落，使主鋼筋產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕 的病害，該病害主要由于集料在運輸堆放過程中混入了氧化鎂、氧化鈣或硫酸鹽的膨 脹集料，當(dāng)這些集料遇到水分時即會產(chǎn)生緩慢膨脹，最后導(dǎo)致混凝土大片剝落、開裂， 同時導(dǎo)致鋼筋銹蝕，更加加劇病害

12、程度，對橋梁的安全運營產(chǎn)生不利影響。箍筋銹蝕裸露一般對結(jié)構(gòu)的安全使用影響不大，但主筋銹脹開裂應(yīng)引起足夠的重視。 鋼筋在銹 蝕后，銹蝕產(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 粘結(jié)力下降，鋼筋截面面積減小，屈服強度降低。根據(jù)試驗研究表明，鋼筋在銹脹開 裂前，其強度和鋼筋的握裹力與未銹蝕鋼筋幾乎沒有區(qū)別，甚至其握裹力比未銹之前還有 所提高（由于銹蝕產(chǎn)物滲透人混凝土中，使鋼筋和混凝土粘結(jié)更緊密），但鋼筋銹脹使 混凝土開裂后，其銹蝕速度將迅速加快，和混凝土的粘結(jié)力也將嚴(yán)重下降，隨著時間推 移，結(jié)構(gòu)受力性能將進一步惡化，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性能和安全性能。因此當(dāng)發(fā)現(xiàn) 有主筋銹脹開裂，應(yīng)及時

13、采取加固維修措施。1 . 4板梁裂縫鋼筋混凝土空心板梁的裂縫主要表現(xiàn)為梁底橫向裂縫和縱向順筋裂縫。由于鋼筋混凝 土構(gòu)件設(shè)計時即考慮其帶縫工作，因此其橫向裂縫由于構(gòu)件受彎而開裂，屬于正常現(xiàn)象， 只要其橫向裂縫寬度不超過規(guī)范允許的限值，一般不會引起主鋼筋的銹蝕。但橫向裂縫 過密和開裂過高（一般由超載引起），對主梁剛度的降低較為明顯，主梁剛度降低會 引起其他連鎖反應(yīng)。比如梁端轉(zhuǎn)角過大導(dǎo)致伸縮縫損壞，行車舒適度降低，鉸縫間橫 向彎矩增大更易引起鉸縫損壞等。因此，當(dāng)橫向裂縫較密和開展較高時，雖然其寬度 不超出規(guī)范允許值，也應(yīng)給予適當(dāng)?shù)募庸桃蕴岣咂鋭偠取？v向順筋裂縫一般由主筋銹蝕 脹裂所致，由于鋼筋銹蝕膨

14、脹的不均勻性，裂縫兩側(cè)通常有明顯高差，有時左側(cè)高于 右側(cè)，有時右側(cè)高于左側(cè)。上節(jié)提到過，一旦鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹裂縫，其耐久性能將 迅速下降，因此一旦發(fā)現(xiàn)縱向順筋銹脹裂縫，應(yīng)立即給予處理，以防止病害的進一步 發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的裂縫主要表現(xiàn)為梁底順筋縱向裂縫。由于預(yù)應(yīng)力的存 在，預(yù)應(yīng)力空心板梁梁底很少出現(xiàn)橫向裂縫，規(guī)范也要求全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件不允許出現(xiàn)橫 向裂縫。根據(jù)對上海市預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋的檢測經(jīng)驗表明，目前還未發(fā)現(xiàn)有跨中截 面位置出現(xiàn)橫向裂縫的預(yù)應(yīng)力混凝土板梁。有時會在梁端底部出現(xiàn)較短的橫向裂縫，這 種裂縫出現(xiàn)與預(yù)應(yīng)力鋼筋的隔離長度設(shè)置不當(dāng)及預(yù)應(yīng)力放張過快有關(guān)，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋端部 局部拉

15、應(yīng)力過大而開裂。預(yù)應(yīng)力混凝土板梁梁底順筋縱向裂縫也分為幾種情況：第一種是 發(fā)生在梁端的縱向裂縫，此處多數(shù)由于預(yù)應(yīng)力放張過快，引起局部較大的壓應(yīng)力而使 梁端混凝土順筋劈裂，有些施工單位在放張預(yù)應(yīng)力筋時直接將鋼筋切斷，使應(yīng)力突然釋 放，梁端產(chǎn)生較大的局部壓應(yīng)力而導(dǎo)致混凝土順筋開裂。第二種情況是發(fā)生在梁中部 的順筋縱向裂縫，一般由于鋼筋保護層厚度較薄，由預(yù)應(yīng)力引起的橫向泊松效應(yīng)產(chǎn)生較大 的橫向拉應(yīng)力而使混凝土順筋開裂。前兩種裂縫兩側(cè)無明顯高差，寬度一般較細(xì)，一般 不會引起鋼筋銹蝕，但也應(yīng)及時給予封閉。而第三種裂縫兩側(cè)有明顯高差，此種裂縫 多為鋼筋銹蝕膨脹導(dǎo)致順筋開裂，其危害程度較大，應(yīng)給予足夠的重視

16、。由膨脹集料引起的裂縫較為少見，但上海市也有發(fā)現(xiàn)此類病害的橋梁。板梁底部有膨 脹骨 料散在分布時，板梁底面會產(chǎn)生放射狀的裂縫， 膨脹嚴(yán)重時，將混凝土脹裂為 錐形剪切體而脫落。此類病害的危害前節(jié)已講述過。個別預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁底發(fā)現(xiàn) 有順鋼筋分布的斜向短裂縫，裂縫如撕裂狀，分析原因為預(yù)應(yīng)力鋼筋放張時混凝土強 度不足所致，導(dǎo)致混凝土沿預(yù)應(yīng)力筋撕裂。2 典型病害的防治策略針對這些病害的“防治”，應(yīng)從兩個層次去考慮，首先在于“防”。防病于未 然，即可延長橋梁的壽命，又在經(jīng)濟上節(jié)約了大量維護資金。預(yù)防工作應(yīng)始終貫穿設(shè) 計、施工、養(yǎng)護的各個環(huán)節(jié)。過去的設(shè)計對結(jié)構(gòu)的安全性考慮較多，而對結(jié)構(gòu)的耐久性方面的關(guān)

17、心卻較少。新的橋 梁規(guī)范已經(jīng)在耐久性設(shè)計方面有了很大提高。比如混凝土最大氯離子含量、最大堿含量 的規(guī)定可有效防止氯離子侵蝕及堿骨料病害發(fā)生。以前對橋面鋪裝的設(shè)計僅把它作為不參 與受力的結(jié)構(gòu)面層進行設(shè)計，實際上橋面鋪裝直接承受車輛輪壓的作用，既是保護層， 又是受力層，必須有足夠的強度、良好的整體性，同時還應(yīng)具有防水性及其對溫度變化 的適應(yīng)。因此新規(guī)范對橋面鋪裝層的厚度、鋼筋直徑、鋼筋網(wǎng)間距的規(guī)定都很嚴(yán)格，如 此大大提高了橋面鋪裝層的耐久性能。新規(guī)范對橋面防水層的規(guī)定也更為嚴(yán)格，防水層 由原來的據(jù)實際情況而定變?yōu)樗袠蛄憾紤?yīng)當(dāng)設(shè)。我國橋梁工程中采用的防水層多由防水 涂料、膠體或卷材形成防水層。屬于

18、物理防水，防水層的局部破損和老化，都會影 響防水效果。近幾年來，國內(nèi)外推廣采用水泥 基滲透結(jié)晶型防水材料（如賽柏斯、中 核2 0 0 0 ）用于橋面防水層，其原理屬于化學(xué)防水，該材料分為涂抹型和摻和型，其 防水效果顯著。對于橋面排水設(shè)施，設(shè)計時就應(yīng)考慮將雨水歸集起來按照預(yù)設(shè)的管道流 入地下的排水設(shè)施，應(yīng)避免雨水橫流的現(xiàn)象，減少甚至避免橋面滲漏水的病害發(fā)生。針 對混凝土空心板梁橋應(yīng)加強鉸縫構(gòu)造的設(shè)計，必須考慮鉸縫構(gòu)造除抗剪外還要抵抗橫向 彎矩，特別是小跨徑橋梁，其梁高較矮，抗扭剛度相對較小，必須加強鉸縫橫向抗彎 性能的設(shè)計，鉸縫構(gòu)造的加強可考慮鉸縫處增設(shè)橋面鋪裝底部鋼筋網(wǎng)，適當(dāng)增加混凝土鋪 裝層

19、厚度，增加鉸縫鋼筋的配筋率，相鄰板梁的鉸縫鋼筋可考慮焊接等?？傊?，從設(shè)計角 度主動考慮結(jié)構(gòu)的耐久性能是提高結(jié)構(gòu)壽命，預(yù)防病害發(fā)生的首要環(huán)節(jié)。施工質(zhì)量的好壞直接決定橋梁病害發(fā)生的輕重和早晚，有的橋梁建成23 a就出 現(xiàn)了嚴(yán)重的病害特征，而有的橋梁運營了幾十年后也未發(fā)現(xiàn)有明顯病害，施工質(zhì)量的好壞 是產(chǎn)生這種區(qū)別的重要原因。如果設(shè)計者考慮了結(jié)構(gòu)的耐久性能設(shè)計，但沒有良好的施 工質(zhì)量，比如鋼筋保護層厚度不足及混凝土振搗不密實，空心板梁的頂板厚度過薄，混 凝土的養(yǎng)生不足等等問題的存在，就不能將設(shè)計的思路完全表達出來，就不能起到預(yù)期 的效果。提高施工質(zhì)量的重要措施就是加強施工過程的全程控制。施工過程的每一

20、個環(huán)節(jié) 應(yīng)該由具有相應(yīng)資質(zhì)的單位認(rèn)證（通過計算、檢測、檢驗等手段）后方可進行下一環(huán) 節(jié)，直至完成整個工程。比如空心板梁主筋保護層厚度不足、頂板厚度較薄、封頭板 封閉不嚴(yán)等問題，可在出場前進行檢驗合格后方可使用。施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到橋梁 的壽命長短，是預(yù)防病害發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。養(yǎng)護不足也是橋梁病害發(fā)生發(fā)展的重要因素。目前的養(yǎng)護策略通常是病害發(fā)生以后才 采取對策，有時病害發(fā)生較嚴(yán)重時才給予重視，養(yǎng)護時間相對滯后，有些橋梁病害發(fā) 生以后很難治理（如氯離子侵蝕、堿骨料反應(yīng)等），因此最佳的養(yǎng)護策略應(yīng)該是“未 病先防”，在橋梁養(yǎng)護工作中采取預(yù)防性養(yǎng)護策略顯得尤為重要。如果在設(shè)計、施工、養(yǎng)護各個環(huán)節(jié)都采取了必要的預(yù)防措施，則橋梁病害的發(fā)生 將大大延后，其耐久性壽命大大提高。但橋梁一旦出現(xiàn)了上述的典型病害，則應(yīng)采取“既 病早治”的策略。針對上述典型病害的維修和治理，目前已有許多較為成熟的方法，在