陳 亮

(浙江省交通科學研究院，杭州 310006)

橋梁水下結(jié)構(gòu)病害分級評定標準研究

陳 亮

(浙江省交通科學研究院，杭州 310006)

針對目前國內(nèi)橋梁水下結(jié)構(gòu)安全性評定中存在的一些問題，在分析橋梁水下結(jié)構(gòu)病害成因的基礎(chǔ)上，將橋梁水下結(jié)構(gòu)病害分為基礎(chǔ)沖刷病害、基礎(chǔ)變形病害、混凝土表面病害及其他病害四類；結(jié)合實際橋梁水下結(jié)構(gòu)評定工作中的檢測數(shù)據(jù)，綜合考慮了《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)中的評定指標，得出了評定指標各標度的評定標準，研究結(jié)果對現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)評估體系提供了有益補充并為后續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全性評估奠定了基礎(chǔ)。

橋梁水下結(jié)構(gòu)；安全性評定；結(jié)構(gòu)病害；評定標準；基礎(chǔ)沖刷

0 引 言

近年來，隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，各類車輛等級也有很大的提高，大量低等級公路被改建擴建。在臺風、洪水、冰凍等自然災(zāi)害或者重車超載等外因侵蝕下，有些橋梁已出現(xiàn)不同程度的損傷，導致承載能力大大降低，甚至發(fā)生突然垮塌事故。例如2010年8月19日的暴雨中，浙江安縣先林大橋、崇州懷遠老定江大橋、華陽通濟古橋和寶成鐵路廣漢石亭江鐵路大橋四座大橋相續(xù)垮塌，造成了嚴重的人員和財產(chǎn)損失。這類橋梁垮塌原因主要是洪水對橋梁水下結(jié)構(gòu)的沖刷，致使水下基礎(chǔ)被部分掏空，橋墩傾斜破壞，進而引起上部結(jié)構(gòu)的整體垮塌[1-2]。

為了防止此類事故的發(fā)生，可通過橋梁檢測對此類橋梁的安全性作出準確評估，給橋梁管理養(yǎng)護部門提供正確參考。然而橋梁基礎(chǔ)多位于水下，具有一定的隱蔽性，一般的病害在橋梁檢查中難以發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)規(guī)范對于橋梁水下結(jié)構(gòu)的檢測內(nèi)容及病害分類標準也未作相應(yīng)規(guī)定[3]。針對目前國內(nèi)對橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測及評估工作存在的問題，本文結(jié)合實際橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測工作，分析了水下結(jié)構(gòu)病害及成因，提出了適用于工程實際的橋梁水下結(jié)構(gòu)病害分級評定標準。

1 現(xiàn)行的安全性評定標準及規(guī)范

目前我國現(xiàn)行的涉及橋梁結(jié)構(gòu)安全性評定標準的規(guī)范及標準有《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11-2004)(以下簡稱《養(yǎng)護規(guī)范》)[4]、《公路橋梁承載力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)(以下簡稱《評定規(guī)程》)[5]以及《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)(以下簡稱《評定標準》)[6]。

1.1 《養(yǎng)護規(guī)范》

《養(yǎng)護規(guī)范》中對于全橋總體技術(shù)狀況等級評定，采用了考慮橋梁各部件權(quán)重的綜合評定方法。將橋梁技術(shù)狀況等級分為一類、二類、三類、四類、五類。并給出了相應(yīng)的養(yǎng)護措施：一類橋梁進行正常保養(yǎng)；二類橋梁需進行小修；三類橋梁需進行中修，酌情進行交通管制；四類橋梁需進行大修或改造，及時進行交通管制，如限載、限速通過，當缺損較嚴重時應(yīng)關(guān)閉交通；五類橋梁需進行改建或重建，及時關(guān)閉交通。對于橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測的相關(guān)規(guī)定僅在橋梁檢查中條3.2.4第9款(基礎(chǔ)是否受到?jīng)_刷損壞、外露、懸空、下沉，墩臺及基礎(chǔ)是否受到生物腐蝕)和條3.3.11第6款(基礎(chǔ)下是否發(fā)生不許可的沖刷或掏空現(xiàn)象，擴大基礎(chǔ)的地基有無侵蝕。樁基頂段在水位漲落、干濕交替變化處有無沖刷磨損、頸縮、露筋，有無環(huán)狀凍裂，是否受到污水、咸水或生物的腐蝕。必要時對大橋、特大橋的深水基礎(chǔ)應(yīng)派潛水員潛水檢查)有部分涉及，但并無詳細的評定標準，無法對橋梁水下結(jié)構(gòu)的安全性進行量化評定。

1.2 《評定規(guī)程》

《評定規(guī)程》用承載能力檢驗系數(shù)Z1表示構(gòu)件表觀損傷狀況、材質(zhì)強度和橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)等對結(jié)構(gòu)承載能力的影響；用承載能力惡化系數(shù)ξe表示鑒定期內(nèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況進一步惡化(表觀缺損、鋼筋銹蝕、混凝土碳化等)產(chǎn)生的不利影響；用截面折減系數(shù)ξc、ξs表示材料風化、碳化、物理與化學損傷(混凝土剝落、疏松、掉棱、缺角、樁基與墩柱由于沖蝕引起的剝落頸縮等)引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件有效截面損失，以及鋼筋腐蝕剝落造成的鋼筋有效面積損失對構(gòu)件截面抗力效應(yīng)的影響。該方法將橋梁的缺損劣化狀況及運營荷載狀況等對承載能力的不利影響通過一系列的影響系數(shù)體現(xiàn)出來，比《公路舊橋承載能力鑒定方法》(試行)考慮的影響因素全面。但是該規(guī)程是在《養(yǎng)護規(guī)范》基礎(chǔ)上規(guī)定了橋梁結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)的承載能力評定方法，對于橋梁水下結(jié)構(gòu)的承載力評定并未作出規(guī)定。

1.3 《評定標準》

《評定標準》按照不同橋型進行橋梁評定分類，并細化不同橋型的部件分類；根據(jù)不同橋型的構(gòu)件類型指定了評定細則，將評定指標進行細分并提出了量化標準；在《養(yǎng)護規(guī)范》5類橋梁技術(shù)狀況評定的基礎(chǔ)上，提出了單項控制指標，改進了原有的橋梁技術(shù)狀況的評定模型。該評定標準中在條9.3.2中對于基礎(chǔ)(包括水下基礎(chǔ))評定指標及分級評定標準作出了規(guī)定。但該標準中對基礎(chǔ)的檢測指標主要側(cè)重于沖刷、掏空、損壞、基礎(chǔ)沉降、滑移、傾斜和開裂等影響結(jié)構(gòu)安全的方面，基礎(chǔ)各評定指標的評定標準并未區(qū)分水上基礎(chǔ)和水下基礎(chǔ)，未針對橋梁水下基礎(chǔ)的工作狀態(tài)和特點作出相應(yīng)的規(guī)定。

從上述現(xiàn)行的規(guī)范、標準可以看出，目前對于橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測的內(nèi)容及方法均未作詳細規(guī)定，缺乏適合于橋梁水下結(jié)構(gòu)專門的安全評估體系。而對橋梁結(jié)構(gòu)安全性作出準確評估的前提條件就是首先應(yīng)確定橋梁水下結(jié)構(gòu)病害的分級評定標準。

2 橋梁水下結(jié)構(gòu)病害分類

橋梁水下結(jié)構(gòu)的損害是由設(shè)計、施工、運營管理及自然環(huán)境等諸多原因造成的，其主要的損壞形式有基礎(chǔ)沖刷病害、基礎(chǔ)變形病害、混凝土表面病害及其他病害。

2.1 基礎(chǔ)沖刷病害

處于水流中的橋梁基礎(chǔ)周圍流場主要包括橋墩前涌波、橋墩迎水面的下降水流、兩側(cè)擾流在床面附近形成的馬蹄形漩渦、橋墩兩側(cè)形成的尾流漩渦及橋墩后的漩渦。每個漩渦都形成了一個低氣壓中心，使漩渦區(qū)床面靜止的泥沙發(fā)生陣發(fā)性隨機運動狀態(tài)，當水流流速達到泥沙的起動流速時，泥沙就開始起動并向下游移動，導致基礎(chǔ)沖刷病害[7]。

橋梁常采用的基礎(chǔ)分為擴大基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)。采用擴大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的橋梁，基礎(chǔ)持力層一旦受到水流沖刷掏空，對于橋梁結(jié)構(gòu)安全性影響非常大。樁基礎(chǔ)分嵌巖樁和摩擦樁，沖刷對嵌巖樁承載力影響不大。采用摩擦樁基礎(chǔ)的橋梁，樁基礎(chǔ)受到局部沖刷將使得原有摩擦樁有效樁長變短，降低了原有樁基礎(chǔ)的承載力。

典型的擴大基礎(chǔ)沖刷病害示意見圖1。其中H表示沖刷深度，L表示沖刷長度。

2.2 基礎(chǔ)變形病害

橋梁水下基礎(chǔ)底面河床在發(fā)生持續(xù)沖刷、淘空作用下，基礎(chǔ)持力層發(fā)生了改變，將導致基礎(chǔ)的傾斜、滑移或沉降，一旦橋梁基礎(chǔ)發(fā)生了變形，對于連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋這一類超靜定結(jié)構(gòu)，即使少量的基礎(chǔ)變形仍會對橋梁整體受力產(chǎn)生很大不利影響，嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)整體的安全性；此外，在巨大偶發(fā)性外力荷載的作用下，例如船舶撞擊橋梁下部結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較大的浮冰或者漂流物撞擊橋墩或者基礎(chǔ)，都可能產(chǎn)生基礎(chǔ)變形病害。

圖1 擴大基礎(chǔ)沖刷示意

2.3 混凝土表面病害

橋梁下部構(gòu)件絕大多數(shù)都是由混凝土結(jié)構(gòu)澆筑而成，常見的水下混凝土結(jié)構(gòu)表面病害有以下幾類：

(1)干濕交替處混凝土表面麻面、骨料外露和疏松脫殼等病害。主要因高速水流沖刷、淘刷、磨損和氣蝕作用形成，常發(fā)生在河流急彎、結(jié)構(gòu)物斷面突變及不平整部位。。

(2)混凝土表面的空洞、露筋、縮徑、擴徑等病害。往往是因施工原因所致，因歷史施工條件限制，部分老橋下部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量較難控制。隨著上游在橋梁建設(shè)完后新建水電站等引起了水文重大變化，導致河床變遷或降低，使得原來埋在河床以下的基礎(chǔ)及基礎(chǔ)病害暴露出來，對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性影響較大。

(3)混凝土表面成塊破損、刮擦等病害，甚至導致構(gòu)件傾斜。病害原因是由機械、船舶、漂流物或其它堅硬物體的撞擊所造成的。病害常見部位為橋墩、承臺或者基礎(chǔ)等部位。

(4)水下混凝土結(jié)構(gòu)物的表層裂縫對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞更為嚴重。特別是近海或沿海地區(qū)橋梁的水下鋼筋混凝土容易受到海水的侵蝕而破壞,這也使海洋環(huán)境中的建筑物腐蝕程度大于陸上建筑物。

(5)近?；蛘哐睾Ｋ禄炷帘砻嫒菀鬃躺姸嗪Ｉ?，由此產(chǎn)生的外來負載和海生物對于混凝土腐蝕對于結(jié)構(gòu)安全性都有一定的不利影響。

(6)凍融、風化剝蝕使混凝土表面疏松脫殼或成塊脫落。主要成因是嚴寒地區(qū)的冰凍及干濕交替的循環(huán)作用及侵蝕性水的化學作用。常發(fā)生在水位變化及水經(jīng)常接觸的部位。

沿海、近海的水下混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕的機理如圖2所示：

圖2 海洋環(huán)境混凝土腐蝕機理示意

2.4 其他病害

設(shè)計時基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式、尺寸選取不合理，以及未按要求設(shè)置結(jié)構(gòu)調(diào)治物，這些對于橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性均會產(chǎn)生不利影響；此外，由于水下基礎(chǔ)施工質(zhì)量較難控制，導致施工時立柱與樁基錯位，也會影響到結(jié)構(gòu)受力。

3 橋梁水下結(jié)構(gòu)病害分級評定標準

根據(jù)橋梁水下結(jié)構(gòu)常見病害類別及其產(chǎn)生原因，同時考慮到能與現(xiàn)有的《評定標準》及《養(yǎng)護規(guī)范》相互銜接。將橋梁水下結(jié)構(gòu)各檢測指標的病害分級標準定為良好、較好、較差、差和危險五種狀態(tài)，對應(yīng)的評定標度分別為1、2、3、4、5。

3.1 基礎(chǔ)沖刷病害

基礎(chǔ)沖刷病害的分級標準依據(jù)筆者參與檢測評定的幾十座橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，同時借鑒《評定標準》中的評定指標，考慮到采用不同的基礎(chǔ)(擴大基礎(chǔ)、摩擦樁基礎(chǔ)、嵌巖樁)受沖刷時對于橋梁結(jié)構(gòu)安全性影響的不同，按三種不同的基礎(chǔ)類型將基礎(chǔ)沖刷病害評定標準各分為5度，評定標準按照定性描述和定量描述，見表1～表3。

表1 擴大基礎(chǔ)沖刷、掏空

表2 摩擦樁基礎(chǔ)沖刷、掏空

表3 嵌巖樁沖刷、掏空

注：嵌巖樁沖刷對于樁基承載力影響很小，標度設(shè)為1、2兩度。

3.2 基礎(chǔ)變形病害

基礎(chǔ)變形病害的分級標準依據(jù)筆者參與檢測評定的幾十座橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，借鑒《評定標準》中的評定指標，考慮到基礎(chǔ)變形指標較難以量化反映，將基礎(chǔ)變形病害評定標準分為5度，基礎(chǔ)變形病害按定性描述見表4。

表4 基礎(chǔ)沉降、滑移和傾斜

3.3 構(gòu)件表面病害

《評定標準》中將橋梁基礎(chǔ)構(gòu)件的表面病害細分為混凝土剝落、露筋、沖蝕、裂縫等評定指標再分別確定其標度。筆者在實際橋梁結(jié)構(gòu)安全性評定工作中發(fā)現(xiàn)，采用該評定方法有可能由于各構(gòu)件表面病害的分項評定指標分別扣分后，造成整體結(jié)構(gòu)評定扣分較多，而與實際橋梁結(jié)構(gòu)安全性狀態(tài)不符的情況。考慮到上述幾種評定指標都屬于構(gòu)件表面病害，同時這幾種評定指標對結(jié)構(gòu)安全性影響基本相同，因此可將這幾種評定指標歸納為構(gòu)件表面病害來統(tǒng)一進行評定。由于某一標度存在多條評定標準細則，實際操作時按所有細則中最不利細則取用。采用該評定方法可更為準確的反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，同時也便于實際橋梁的安全性評定。構(gòu)件表面病害評定標準見表5。

表5 構(gòu)件表面病害

3.4 其他病害

其他病害的分級標準依據(jù)筆者參與檢測評定的幾十座橋梁水下結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果，借鑒《評定標準》中的評定指標，將基礎(chǔ)其他病害評定標準分為4度，其他病害評定標準按定性描述見表6：

表6 其他病害

4 結(jié) 語

本文針對目前橋梁水下結(jié)構(gòu)評定規(guī)范存在的不足，在分析水下結(jié)構(gòu)病害及其成因的基礎(chǔ)上，提出了適用于工程實際的橋梁水下結(jié)構(gòu)病害分級評定標準，對現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)評估體系提供了有益補充并為后續(xù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全性評估奠定了基礎(chǔ)。

[1]姜海西,肖汝誠.沿海及跨海橋梁下部結(jié)構(gòu)防腐與加固[J]．結(jié)構(gòu)工程師,2008,24(4):125-131．

[2]陳斌.孫姜大橋水下樁基礎(chǔ)病害檢測與加固方案選擇[J]．交通建設(shè)與管理,2009,(11):98-100．

[3]洪四雄,劉慶東,陳一超,等.港珠澳大橋水下結(jié)構(gòu)物的多手段探測[J]．海洋測繪，2009,29(5): 71-73．

[4]JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[S]．

[5]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S]．

[6]JTG/T H21-2011，公路橋梁技術(shù)狀況評定標準[S]．

[7]張彥,李國平.海洋環(huán)境對橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響[J]．海岸工程，2006, 25(1): 35-40．

Research on Classified Evaluation Standard of Disease on Bridge Underwater Structure

CHEN Liang

(Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou 310006,China)

At present, many problems exist on safety evaluation of bridge underwater structure. In order to solve these problems, bridge underwater structure’s diseases are classified with foundation scouring, foundation deformation, concrete surface disease and other diseases after the analyses of the reasons. Combined with some practice data of bridge underwater structures evaluation and considering evaluation index of 《Standards for Technical condition Evaluation of Highway Bridges》(JTG/T H21-2011), the classified evaluation standard are obtained. The research results can improve the existing evaluation system and lay a good foundation on subsequent bridge structure’s safety evaluation.

bridge underwater structure;safety evaluation;structure disease;evaluation standard; foundation scouring

2014-06-24

浙江省交通運輸廳科研計劃項目(2012H41)

陳 亮(1980-)，男，浙江杭州人，工程師，碩士，E-mail：26019752@qq.com。

U446

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.003

1671-234X(2014)03-0010-06