許靜怡，于 華

(大連市城市交通設(shè)計研究院，遼寧大連116033)

0 前言

由于交通量的快速增長、交通荷載的增大、混凝土自身的一些特點(diǎn)和材料的老化，以及早期在設(shè)計和施工及其他各方面的局限等，使城市立交橋在運(yùn)營了若干年后的今天，病害、缺陷逐漸顯現(xiàn)，有的已涉及到結(jié)構(gòu)問題。因耐久性不足而導(dǎo)致橋梁使用性能差、健康壽命短，與設(shè)計使用壽命相差甚遠(yuǎn)，尤其是北方寒冷地區(qū)和近海環(huán)境。大連市某立交橋于上世紀(jì)80年代建成通車，目前已經(jīng)出現(xiàn)了各種程度不同的病害、破損、缺陷等。這些病害已經(jīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的安全形成了很大的潛在危險，對橋上、橋下的交通安全構(gòu)成了威脅，對其維修已顯迫切。

近幾十年來所修建的橋梁健康使用壽命的短期行為，當(dāng)今已得到了橋梁界的廣泛關(guān)注，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題也愈來愈得到重視。本文通過對該立交橋所存在的病害、缺陷及對其維修方案的設(shè)計，就橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中與安全性、耐久性相關(guān)的問題進(jìn)行分析探討，并提出橋梁設(shè)計中一些供借鑒和幫助的相關(guān)問題。

1 病害形式及原因分析

1.1 病害形式

該立交橋主橋上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)箱梁、簡支箱梁等；下部結(jié)構(gòu)為矩形截面獨(dú)柱墩、圓截面雙柱墩等。設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-超20級，掛車-120。大連為瀕海環(huán)境。該橋目前主要病害有以下幾個方面：

(1)橋面鋪裝：瀝青混凝土出現(xiàn)網(wǎng)裂、擁包、擠出。因經(jīng)常性的小補(bǔ)，瀝青混凝土橋面不平整、完整性差。其下面的水泥混凝土鋪裝層出現(xiàn)破碎，甚至酥碎；鋼筋網(wǎng)銹蝕。

(2)簡支梁橋段的后澆橋面板濕接頭部位混凝土破損，多處出現(xiàn)破碎、脫落，滲水漏水，橋面板出現(xiàn)漏洞、“露天”(見圖1)。此前維修過幾次，僅限于對該局部的補(bǔ)漏。該后澆帶與箱梁結(jié)構(gòu)的連接仍較差，呈反復(fù)掉落。

圖1 濕接頭混凝土掉落、橋梁“露天”實(shí)景

(3)箱梁底面存在著橫向裂縫。

(4)箱梁底面、蓋梁懸臂板底面混凝土表面碳化、泛堿嚴(yán)重，梁底多處出現(xiàn)水銹、花白(見圖2)。混凝土出現(xiàn)保護(hù)層剝落，鋼筋外露，且銹蝕嚴(yán)重，不少鋼筋截面已呈非圓形。

(5)橋墩蓋梁頂面不平整；墩柱四角主筋銹蝕、混凝土表面泛黃、敲擊呈空洞聲。

上述現(xiàn)象在伸縮縫附近尤其嚴(yán)重。主橋的伸縮裝置的護(hù)角角鋼已出現(xiàn)很多損壞，翹起。

1.2 有關(guān)設(shè)計方面的原因分析

引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足的原因是多方面的，包括設(shè)計理念、環(huán)境因素、材料因素，以及施工、運(yùn)營維護(hù)等諸多方面。病害的出現(xiàn)反映出以往橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計耐久性問題的缺失，而客觀上，交通量的增加，車輛荷載的增大，又需要橋梁承載能力的提高。

圖2 混凝土破損、泛堿、裂縫實(shí)景

1.2.1 設(shè)計方面認(rèn)知程度的局限

結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性與使用環(huán)境密切相關(guān)，橋梁的病害、缺陷也往往源于其細(xì)節(jié)設(shè)計和附屬構(gòu)造設(shè)計的局限。以往的橋梁，重視建設(shè)而不重視維護(hù)管理。設(shè)計中重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計而不重視結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計；重視承載能力極限狀態(tài)而不重視正常使用極限狀態(tài)；重視結(jié)構(gòu)分析而不重視結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的保障；注重工程主體設(shè)計而不重視細(xì)部構(gòu)造及細(xì)節(jié)設(shè)計。設(shè)計中往往滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造、材料以及工程建設(shè)全過程的安全保證，忽視了不同環(huán)境對其混凝土的不同要求而需采取適宜的技術(shù)保證措施。同時，環(huán)境因素的復(fù)雜、功能需求的不斷提高和我國大規(guī)模橋梁建設(shè)起步較晚而經(jīng)驗(yàn)不足等諸多方面原因，也使人們對以往的橋梁在設(shè)計構(gòu)造方面往往不能滿足耐久性的需求。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和設(shè)計認(rèn)知程度方面的問題，也是設(shè)計人員需要不斷提高的。

1.2.2 環(huán)境因素

在引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性不足諸多方面的因素中，環(huán)境因素是不容忽視的。由于環(huán)境因素和混凝土自身的材料特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫，在水與氣的作用下鋼筋銹蝕，從而又導(dǎo)致了混凝土的脹裂、剝落。惡性循環(huán)，可以使混凝土和鋼筋的有效面積逐漸減小，結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，承載能力逐漸下降，耐久性降低。而這些與設(shè)計中采用了過薄的鋼筋保護(hù)層厚度和水膠比過大的混凝土有很大的關(guān)系。以往面對惡劣的環(huán)境條件，工程技術(shù)人員的設(shè)計既有認(rèn)知的不足，又顯束手無策，因?yàn)槭艿搅瞬牧霞夹g(shù)性能的局限。

此外，還包括材料自身特點(diǎn)及施工、維護(hù)管理等多方面因素，在此不再贅述。

2 維修方案介紹

本文工程實(shí)例中，采取根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)損壞的程度實(shí)施修復(fù)，祛除引起結(jié)構(gòu)劣化的因子，避免結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化；同時采取補(bǔ)強(qiáng)手段，增加梁高，提高結(jié)構(gòu)承載能力。

2.1 主橋全線增加主梁高度，提高結(jié)構(gòu)承載能力

將維修范圍內(nèi)的主橋?yàn)r青混凝土面層及其下面已破碎的水泥混凝土鋪裝層鑿除，綜合利用梁頂鑿毛、涂刷粘結(jié)劑、“剪力健”和植筋等技術(shù)，新鋪筑纖維混凝土，使其成為主梁結(jié)構(gòu)的一部分，從而使維修在不增加恒載的情況下，加大結(jié)構(gòu)高度，提高主梁的承載能力。而對于具有梁間濕接頭的簡支梁段，實(shí)行整體澆筑濕接頭和橋面纖維混凝土，實(shí)現(xiàn)在增加梁高的同時提高結(jié)構(gòu)的整體性，加強(qiáng)主梁的橫向聯(lián)系。

2.2 做好橋面防、排水措施

在橋面板頂涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，并增設(shè)柔性防水層，以延緩、阻斷橋面積水的滲入。采用兩道防水，增加了橋面抗?jié)B能力，有利于提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

同時增設(shè)橋面泄水孔，特別是在零坡段和縱坡很小的橋段，加大泄水孔的密度，以及時排除降水。

2.3 修補(bǔ)混凝土缺陷，封堵裂縫，阻斷水與氣的滲入

對梁體及橋柱混凝土表面進(jìn)行全面檢查，視其破損程度，分別對周圍完好的獨(dú)立裂縫和混凝土表面風(fēng)蝕、破碎成片的情況，采用不同的處理方法。

(1)對周圍完好的、獨(dú)立的裂縫的處理：

裂縫寬度不大于0.15 mm的，進(jìn)行涂抹水泥基滲透結(jié)晶型系列產(chǎn)品的修補(bǔ)堵漏混合劑。利用其速凝、不收縮、高粘結(jié)強(qiáng)度等特點(diǎn)，尤其是其遇水激活的特性，封閉裂縫、堵塞和修補(bǔ)混凝土缺陷?？p寬大于0.15mm的，采取低壓低速方式注入高強(qiáng)度、低粘滯性、高滲透力的樹脂。

(2)對已風(fēng)蝕、破碎的混凝土表面，其處理的一般程序?yàn)椋?/p>

鑿除風(fēng)蝕、破碎、松動及已變顏色的混凝土；將外露鋼筋除銹，外露表面涂刷環(huán)氧樹脂，防止進(jìn)一步銹蝕；涂刷水泥基滲透結(jié)晶型的防水涂料，以增加表面混凝土的密實(shí)度，同時增加粘結(jié)作用。

對于范圍小、表面剝落、剝離、碳化深度淺、鋼筋未外露的，在完成鑿除風(fēng)蝕、破碎、松動的混凝土后，逐層敷環(huán)氧樹脂砂漿。對于局部嚴(yán)重破損處，采取粘貼鋼板，破損形成環(huán)狀的，采用粘貼碳纖維布等。

3 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

新頒布的公路及城市新橋規(guī)中都增加了橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計內(nèi)容，同時相關(guān)行業(yè)也頒布了有關(guān)橋涵混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)指南等。其中提出了橋涵混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計年限及相應(yīng)的極限狀態(tài)和不同的環(huán)境類別及其作用等級進(jìn)行耐久性設(shè)計的概念，明確提出了環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和要求。學(xué)習(xí)規(guī)范，并總結(jié)以往橋梁設(shè)計及維修過程，依筆者的體會，耐久性設(shè)計具體到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可從以下幾個方面予以著手。

3.1 加強(qiáng)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中的技術(shù)保證措施

環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用主要體現(xiàn)在鋼筋的銹蝕和混凝土的腐蝕或損傷。

3.1.1 選用適宜的混凝土強(qiáng)度及性能等級，明確其性能指標(biāo)

設(shè)計不但要保證混凝土的工作性能和強(qiáng)度性能，還要保證混凝土的耐久性能，尤其是在惡劣環(huán)境下，對其抗?jié)B性、抗凍融性、抗鋼筋銹蝕性、抗碳化及抗其它化學(xué)物質(zhì)侵蝕性能提出具體的指標(biāo)要求。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用性能要求、環(huán)境程度，選擇適宜的耐久性混凝土，合理地使用添加劑，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，提高混凝土自身的抗破損能力。對于北方寒冷地區(qū)和近海地區(qū)，橋梁的有些部位可選擇高耐久性混凝土。嚴(yán)格遵守對混凝土耐久性有很大影響的技術(shù)指標(biāo)的限制規(guī)定，如最大水膠比、最小水泥用量、最低混凝土強(qiáng)度等級、最大氯離子含量和最大堿含量等，并提出對混凝土膠凝材料等原材料選定的要求。

在惡劣環(huán)境作用下，混凝土的強(qiáng)度往往取決于耐久性而非承載力。本文中的工程實(shí)例處于北方地區(qū)，瀕臨海濱，其環(huán)境作用比較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)常處于兩類不同的環(huán)境，這時就應(yīng)同時滿足兩種環(huán)境類別分別作用下的耐久性要求。對于經(jīng)常接觸水體的構(gòu)件，如伸縮縫處的墩帽頂面等應(yīng)按凍融環(huán)境設(shè)計；對于有氯鹽侵蝕環(huán)境的跨海橋梁，配置鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土所用水泥的氯離子含量盡可能地降低，墩柱還需摻用引氣劑，有些部位常常還需要采取附加防腐蝕措施等。而這些是工程技術(shù)人員以往設(shè)計中沒有考慮的。

3.1.2 加大混凝土的保護(hù)層厚度

加大保護(hù)層厚度，減輕和延緩混凝土碳化及氯離子由混凝土表面向內(nèi)擴(kuò)散，以盡可能保護(hù)鋼筋鈍化膜，從而減輕鋼筋的銹蝕，增加混凝土的耐久性。這一點(diǎn)，新規(guī)范有明確的要求。

3.1.3 重視結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計，控制裂縫

(1)在復(fù)雜環(huán)境下，混凝土外形應(yīng)力求簡潔，盡量減少暴露的表面積和棱角，棱角宜做成圓角。結(jié)構(gòu)的形狀和布置應(yīng)有利于通風(fēng)，便于施工時混凝土的振搗、養(yǎng)護(hù)。表面形狀應(yīng)有利于排水。選擇適宜的各種結(jié)構(gòu)縫位置，并做好其構(gòu)造設(shè)計，減少荷載作用下或發(fā)生變形時的應(yīng)力集中。

(2)對于可能遭受氯鹽侵蝕或處于干濕交替、水位變動等部位，采取特殊的防腐措施，如混凝土表面防水處理、表面涂層或憎水處理等。同時各種結(jié)構(gòu)縫也應(yīng)盡可能避開最不利部位。

3.1.4 加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋，防止和控制混凝土裂縫

由于裂縫的存在，為水與氣的滲入提供了通道，使混凝土和鋼筋的腐蝕不斷加劇、劣化。因此，控制裂縫對提高耐久性非常重要。對此，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)盡可能采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，抗裂構(gòu)造鋼筋布置不宜采用大直徑大間距，等等。

3.1.5 加強(qiáng)橋面排水和橋面鋪裝層的防水設(shè)計

城市立交橋的主橋和高架橋比較容易設(shè)置合理的橋面縱坡，設(shè)計應(yīng)考慮橋面的縱、橫坡，合理布設(shè)泄水孔，既保證車輛運(yùn)行舒適，又使橋面排水順暢。合理設(shè)置橋面鋪裝防水層，增設(shè)橋面柔性防水層，有條件的可設(shè)置剛性及柔性兩層防水，使之在不太增加造價的情況下，提高防滲水效果。

3.1.6 重視結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及附屬構(gòu)造設(shè)計

(1)在橋梁上部結(jié)構(gòu)中，太多采用預(yù)制簡支梁和縱橫濕接頭連接，而后期混凝土往往是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。后澆帶混凝土收縮使兩期混凝土之間產(chǎn)生縫隙，形成滲水以至漏水，使混凝土不斷地被腐蝕，進(jìn)而破壞。工程實(shí)例中的“露天”正是這種情況。因此設(shè)計中，要避免采用此類結(jié)構(gòu)。如果采用這種結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采取技術(shù)保證措施，如在后澆帶混凝土中添加適量的膨脹劑，以減小收縮，使兩期混凝土的耐久性同步。

(2)橋梁伸縮縫兩端與主梁連接的部位，此處也是極易破損之處，設(shè)計中可采用高耐久性混凝土，添加膨脹劑及纖維增韌材料，并做好伸縮裝置與構(gòu)造鋼筋的連接。

(3)為封閉預(yù)應(yīng)力筋金屬錨具，后澆混凝土的強(qiáng)度等級應(yīng)與構(gòu)件本體混凝土強(qiáng)度等級相同。

3.2 其他方面

當(dāng)然，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性在很大程度上還取決于結(jié)構(gòu)施工過程中的質(zhì)量控制與質(zhì)量保證，以及結(jié)構(gòu)使用過程中的正確維護(hù)與例行檢測。因此，在提高橋梁結(jié)構(gòu)安全性、耐久性設(shè)計的同時，相關(guān)部門還要做好橋梁的建設(shè)管理和維護(hù)管理等，如嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，嚴(yán)禁超載，定期檢查和及時維修、養(yǎng)護(hù)，避免橋梁帶病工作，以延長健康使用壽命，提高結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。

4 結(jié)語

橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性與其承載能力、使用性能具同等重要性，要積極借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)和做法，除了要加強(qiáng)施工質(zhì)量管理和運(yùn)行維護(hù)管理外，還要從橋梁設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造措施、細(xì)節(jié)設(shè)計著手，做好橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計，延長橋梁的健康使用壽命。這一點(diǎn)應(yīng)引起橋梁工程設(shè)計者的高度重視。

[1]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2]JTG/T B07-01-2006，公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[3]DB 23/T 087-2002，橋梁結(jié)構(gòu)高耐久性混凝土設(shè)計與施工規(guī)程[S].