桥跨结构的病害类型及其形成原因分析

摘要：本文介绍了桥跨结构的常见病害类型，并较为详细地分析了各种病害类型的形成原因。

关键词：桥跨结构 病害类型 原因分析

Abstract: This paper introduces the common types of diseases of a bridge structure, and analyzes the causes of various types of diseases.

Keywords: analysis of bridge structure types and causes of disease

中图分类号：[TU997]文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

桥跨结构是桥梁的主要承重结构。在其自身结构设计与施工质量的缺陷、结构所处环境的变化、使用条件及防护措施的影响下，桥跨结构难免会产生不同程度的病害。这些病害包括混凝土表层病害，混凝土开裂，钢筋锈蚀，主梁的下挠，梁侧移、梁顶死，T型梁的反拱、侧弯等。

一、混凝土表层病害

混凝土表层常见的病害类型有空洞、蜂窝、麻面、露筋、剥落、表面风化、保护层脱落等。

1.空洞是指混凝土有空隙，局部没有混凝土的现象。产生原因有：钢筋配置过密，导致施工时混凝土被卡住；未充分振捣便开始浇注上层混凝土；漏浆严重等。

图1空洞图2蜂窝

2.蜂窝是混凝土的局部酥松，混凝土中的砂多水泥净浆少，石子间出现空隙呈蜂窝状的空洞。产生的原因有：混凝土运输过程中产生离析；混凝土浇筑过程中振捣不充分，模板缝隙不严，水泥砂浆流失等；粗集料粒径过大、配筋太密、坍落度过小。

3.麻面是混凝土表面局部缺浆、粗糙、松散，但无钢筋外露的一种现象。主要是模板表面不够光滑和湿润不够，导致构件表面混凝土中的水分被吸走造成的。在模板施工时，下列因素可能导致蜂窝和麻面。模板表面粗糙不平；模板表面残渣未清理干净；模板连接漏浆；砂浆垫块过大或漏放；脱模剂的不均匀；过早拆模或拆模时损坏混凝土结构边角。

图3麻面图4露筋图5剥落

4.露筋是混凝土内的主筋、箍筋等未被混凝土包裹住而往外露的现象。产生原因有：钢筋保护层垫块在浇注混凝土时发生移动，导致钢筋紧贴着模板；还可能是保护层处混凝土漏振或振捣不均匀造成的。

5.剥落是指混凝土表面的砂、水泥浆脱落，粗集料外露（严重时会形成集料及包裹集料的砂浆一起脱落，或混凝土表面的砂浆成片的脱落）的缺陷。产生原因有：混凝土保护层太薄，或保护层处混凝土漏振或振捣不均匀；具有侵蚀性的水的化学作用；严寒地区的冻融循环、集料膨胀和碱-集料反应。

6.表面风化是混凝土长期暴露在空气中，与自然界中的物质发生物理和化学变化而产生粉末化的现象。产生的原因有：混凝土表面与大气中的二氧化碳发生碳化反应；混凝土长期经受温度和干湿变化引起的体积胀缩循环导致混凝土的抗拉强度超过极限；大气中的其他有害物或微生物造成的不可逆转的损害。

7.保护层脱落是指包裹钢筋的混凝土层掉落的现象。外力撞击或地震作用可导致保护层脱落；混凝土自身的质量原因，如混凝土原材料不合格、配合比不准确、运输不合理、拌合不均匀、振捣不密实、养护方法不当等。

二、混凝土开裂

混凝土裂缝是混凝土最常见的病害之一。引起混凝土开裂的原因很多，按是否受外界荷载影响可以分为荷载裂缝和变形裂缝。荷载裂缝主要由外荷载引起，其分布宽度与荷载大小有关，产生部位最多的是钢筋混凝土梁、板等受弯构件。荷载裂缝在混凝土的施工和使用中都可能出现，如拆模过早或方法不当、构件堆放、运输、吊装时的垫块或掉点位置不当、施工机具荷载过大、设计不合理或出错、自然灾害（地震）等。变形裂缝也叫做非结构性裂缝。产生原因有：混凝土收缩、温度变化和碱-集料反应等。工程实际中此种裂缝居多。变形裂缝按成因可以分为收缩裂缝、温度裂缝和膨胀裂缝。

三、钢筋锈蚀

钢筋锈蚀导致混凝土损伤表现为膨胀、开裂以及最终保护层剥落等形式，更严重的会引起结构的破坏。因此，钢筋锈蚀已经成为影响混凝土耐久性的主要因素。影响钢筋锈蚀的因素主要有碳化深度、氯离子含量、水灰比和保护层厚度、裂缝、应力状态和应力水平等。氯盐环境是导致钢筋锈蚀的首要因素[1]。

1.碳化深度的影响

水泥水化产生大量氢氧化钙使混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。但混凝土碳化导致其碱度降低，破坏钢筋钝化膜，使钢筋发生电化学腐蚀，生成的氢氧化铁进一步氧化生成铁锈，铁锈体积膨胀引起混凝土开裂，反过来会加速钢筋锈蚀[2]。此外酸雨和二氧化硫也能降低混凝土的碱性，使混凝土中性化和发生电化学腐蚀，进而使钢筋产生锈蚀。

2.氯离子含量的影响

氯离子是极强的去钝化剂，因此，混凝土中氯离子含量对钢筋锈蚀的影响极大。当钢筋周围存在氯离子时，在腐蚀电池的电场作用下，带负电的氯离子（Cl_）向阳极移动富集并与阳极的铁发生电化学腐蚀生成FeCl2，FeCl2溶于水分解成的Fe2+与混凝土空隙溶液中或阴极的OH-生成Fe(OH)2，Fe(OH)2又很快被氧气氧化成铁锈（Fe(OH)3）；同时氯离子又向阳极移动富集，带出更多的Fe2+。由此可知，氯离子对钢筋混凝土的侵蚀最终表现为对钢筋的严重锈蚀[3]。

桥梁上部结构混凝土中氯离子来源的途径主要有：（1）海洋环境或沿海地区；（2）水泥和混凝土原材料中加入的氯化物或含氯化合物外加剂（氯化钠抗冻剂、氯化钙普通早强剂）；（3）寒冷地区冬天用于融化冰雪的除冰盐；（4）化工厂中排放的含氯物质；（5）在存放和运输过程中钢筋表面吸附的氯离子。

3.水灰比和保护层厚度的影响

如果水灰比过大，则混凝土的孔隙率大，密实程度差，水分、腐蚀性介质（CO2、O2、Cl_）易侵入到混凝土内部，使得混凝土内钢筋的锈蚀速率提高。如果保护层厚度太薄，水分、腐蚀性介质也易侵入到混凝土内部，钢筋也容易发生锈蚀。

4.裂缝的影响

混凝土保护层开裂使得氧气、水、氯化物等有害物质能更多的进入构件内部，腐蚀钢筋。垂直于钢筋的横向裂缝通常不会引起钢筋的持续腐蚀，这是因为暴露于裂缝的那部分钢筋承担了阳极的作用。如果平行于钢筋的方向形成纵向裂，则钢筋的腐蚀会继续持续下去。因为沿裂缝很多位置失去了惰性，并且整个裂缝长度上氧气和水分很容易侵入。

5.应力状态和应力水平的影响

应力钢筋在电化学反应方面比无应力钢筋更活跃，因为应力腐蚀和常规腐蚀不同，它会在金属局部区域加速腐蚀引起结构局部加速破坏，给结构带来突发性的灾难性影响。

四、主梁下挠

在大跨度梁桥中，主梁跨中下挠是最主要的病害之一。混凝土的弹塑性、混凝土收缩徐变难以准确计算、预应力损失难以准确计算、非线性因素以及施工中的模板定位微差、预应力管道定位误差等因素都可能导致桥梁的线形变形。但引起混凝土梁桥下挠问题的原因主要有以下几个方面 [4]。

1.混凝土收缩徐变的影响

处于空气中的混凝土中水分散失时，会引起体积收缩，称为干燥收缩；混凝土承受持续荷载时随时间的延长而增加的变形，称为徐变。由于混凝土收缩徐变难以准确计算，导致对收缩徐变量估计不足而引起对主梁下挠的估计不足，再者还会导致混凝土梁桥次内力估计不足，引起主梁开裂，裂缝将加剧下挠的发展。

2.预应力损失的影响

预应力损失包括纵向预应力损失和竖向预应力损失。预应力钢束的预应力损失可造成桥梁结构刚度降低，因此，预应力损失首先将直接导致下挠的增长，其次还会引起梁体的开裂，梁体开裂会加剧下挠的增长。并且随着预应力损失的增加，主梁结构截面的自重荷载弯矩和预应力荷载弯矩差会随之增大，导致徐变造成的挠度将增大。

3.梁体开裂的影响

裂缝的出现对下挠问题的影响是相当显著的。裂缝与下挠问题，是互相影响互相促进的耦合关系，两者相互影响，相互加剧。跨中下挠使梁体底板受拉，引起底板开裂；底板开裂，腹板出现斜裂缝等开裂病害使结构的刚度降低，将进一步加剧跨中的下挠。

4.混凝土加载龄期的影响

混凝土的收缩徐变变形与混凝土的加载龄期有关。混凝土徐变随着加载龄期的增大而减小，又随着加载持续时间的增加而增加，但增加的速度随着时间的增加而减小。施工单位在施工工期短的压力下往往缩短混凝土加载龄期，从未导致梁体挠度的增大。

5.超重的影响

由于施工的问题造成的梁体自重超标会导致下挠，而桥梁使用期间活载的超标会引起下挠的增加。最常见的便是汽车超载，汽车超重的影响不仅仅造成梁体的下挠，由于汽车活载总重量的增加，使得结构的薄弱截面经常出现临时横向裂缝。汽车超载轴重的增加，局部受力上也超出了设计的要求，使得结构出现桥面板开裂。而开裂将促进梁体下挠。

五、 T型梁的反拱、侧弯

T型预制梁的截面相对较小，横向刚度和侧向刚度都较弱，在张拉预应力时，若设计或施工不合理，T梁将会产生反拱，加上在徐变作用下，跨中位置产生的反拱和侧弯将随着时间的推移而增大。预应力混凝土T梁的变形主要由预应力荷载产生的向上的位移和自重荷载产生的向下的位移组成。一方面，若对预应力产生的向上的位移预估不准确，会造成过度的反拱；另一方面，混凝土在徐变的作用下反拱会进一步增大。

后张法预应力混凝土T梁，由于其竖向刚度比侧向刚度大几十倍，造成了梁的侧向刚度比较差。如果边梁向外侧弯，则桥面的宽度和梁的长度将会受到很大的影响[5]。产生侧弯的因素一般包括一下几方面：（1）T梁的侧向刚度偏小；（2）T梁中平弯钢束的存在是导致梁体侧弯的主要原因；（3）徐变效应使得梁体侧弯变形进一步增大。

六、侧移和梁顶死

梁体受到某种侧向水平力（地震力等），使得梁端相对于桥台侧向移动叫做梁体侧移。梁端侧移时，支座将会限制其横向移动，以至于主梁不会掉落桥墩。梁体的横向错位在夏季的升温时节发展较快，因此梁端错位与温度变化有关。当温度上升时，梁体会伸长，桥头搭板会因公路路面的膨胀而向河侧位移，若伸缩缝损坏或里面填充杂物，加上温度效应引起的桥头搭板向河侧移动的逐年积累，导致伸缩缝的有效伸缩空隙减小，此时搭板与梁端将产生相互作用力。

梁端接触部位或梁端与桥台接触部位相互挤压的原因有：（1）T梁预制过程中出现的涨模现象，导致梁长偏大；（2）施工误差导致的桥台间实际净距离比设计值小，铺架时迫不得已而人为减小梁缝；（3）桥台发生不均匀沉降时，一般向台前倾斜，又客观上减少两桥台间净距。

参考文献：

[1] 闻建.钢筋混凝土中钢筋锈蚀机制与防治措施分析[A].武汉：江汉大学,2012.

[2] 张树仁，王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3] 陈红梅.钢筋混凝土桥梁病害分析及其维修加固.大连:大连理工大学,2011.

[4] 罗春林.大跨度连续刚构桥跨中下挠问题原因及对策研究.西南交通大学.

[5] 吴银利,李强,段树金.预应力混凝土梁侧弯的控制措施[J].铁道标准设计,2005（2）:60-61.