桥梁工程病害分析

摘要：本文通过对桥梁病害种类及其引起病害的主要成因等方面展开了具体分析，并提出了相应的维修加固方法及处理措施。

关键词：桥梁病害 成因分析 处理措施

1、桥梁病害种类及成因分析

1.1由环境作用引起的病害

1.1.1混凝土的碳化

混凝土的碳化是指混凝土中NaOH与渗透进混凝土中的CO2或其他酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，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。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。

1.1.2氯离子的侵蚀

氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入进已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，另外北方寒冷地区冬季道路、桥面撒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，对结构的危害是多方面的，最终表现还是钢筋的锈蚀。

1.1.3碱-骨料反应

碱-骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱-硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱-骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱-骨料反应一旦发生，很难加以控制，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。碱-骨料反应破坏的最重要特征之一是混凝土表面开裂，裂缝的形态与结构中钢筋形成的限制和约束状态有关：钢筋限制、约束力强的混凝土形成顺筋裂缝；钢筋限制约束作用弱的混凝土形成网状裂缝，在裂缝处有白色凝胶物渗出。

碱-骨料反应裂缝与其他原因裂缝的主要区别是：

1）碱-骨料反应引起混凝土局部膨胀，裂缝的两个边缘出现不平是碱-骨料反应裂缝的特有现象；2）碱-骨料反应与环境湿度有关，在同一工程中潮湿部位出现裂缝，而干燥部位却安然无恙，是碱-骨料反应裂缝区别与其他原因裂缝的外观特征差别之一；3）从裂缝出现的时间来判断，碱-骨料反应裂缝出现的时间较晚，而混凝土收缩裂缝出现的时间较早，一般在施工后若干天内出现。

1.1.4冻融循环破坏

渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀，从内部破坏混凝土的微观结构。经多次冻融循环后，损伤积累将使混凝土剥落，强度降低。冻融循环破坏的混凝土剥落，开始时在混凝土表面出现粒径为2～3mm的小片剥落，随着使用年限的增加，剥落量及剥落块直径增大，剥落由表及里，发展速度很快。一经发现冻融引起的混凝土剥落，必需密切注意剥落的发展情况，及时采取修补措施。

1.1.5钢筋锈蚀

混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是钝化膜破坏，混凝土的碳化及氯离子侵蚀都会造成覆盖钢筋表面的碱性钝化膜的破坏，加之有水分和氧的侵入，就可能引起钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀伴有体积膨胀，使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝，造成钢筋与混凝土之间的黏结力破坏，钢筋截面面积减少，使结构构件的承载力降低，变形和裂缝增大等一系列不良后果，并随着时间的推移，腐蚀会逐渐恶化，最终可能导致结构的完全破坏。需要注意的是，上述所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质。另一方面，几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀，最终导致混凝土的开裂有关。而且当混凝土结构开裂后，腐蚀速度将大大加快，形成导致混凝土结构的耐久性进一步退化的恶化循环。因此，对新建结构，提高混凝土结构耐久性的基本途径是增强混凝土的密实度，防止和控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜破坏。对于在役结构，提高混凝土结构耐久性的基本思路是在清除病害根源的基础上，封堵裂缝，修补破损混凝土；增设防水层，防止水分的侵入。

1.2由荷载作用或设计施工不当造成的病害

1.2.1桥梁设计荷载偏低

旧桥大多是在过去的经济环境下建设的，已不适应当今国民经济快速发展的需要。当年，在修建公路桥梁的时候，对于仅作为人行桥或马车使用的古代和近代的桥梁未作任何改造就加以利用，尽管大都有一定潜力可挖，对于当时荷载等级要求不高，行车密度较稀的交通状况是能够适应的。但是，随着交通事业高速发展，相当部分老桥面临荷载等级偏低，承载能力不足的状况，导致病害日益严重，成为危桥。另外一个很重要的原因则是设计规范不完善。

1.2.2结构不合理

桥梁设计方案的选择，是由当地的水文地质条件，施工技术和方法，经济指标和使用要求等诸多因素所决定的。桥梁结构形式，构件施工方式，桥梁截面形式，还有桥梁跨径的划分和墩高的处理等，如果这些结构选择或布局不合理，都会使桥梁在运营过程中出现这样那样的缺陷。

1.2.3施工原因

施工是设计的实现过程，设计正确性与否，是否完善，在施工中都会得到检验。同时，施工的质量优劣，也将影响桥梁的整体性能。在桥梁建设中，尽管设计正确，但施工方法不当，施工质量控制不严，施工过程中遇到一些非预见性灾害，如洪水、地震等，常常导致桥梁承载能力降低，不能达到设计的预期目的。由于施工原因，导致日后桥梁承载能力不足。

1.2.4材料质量问题

施工中使用的混凝土，钢筋，沙砾等材料质量达不到规范要求是导致结构产生各种质量缺陷的内因。

1.2.5其他原因

车流量加大，重车增多，交通碰撞事故，地震，洪水的破坏，环境恶劣，化学腐蚀，周边出现不均匀沉降等都会使桥梁产生损坏。

2、桥梁主要病害分析

我国早期修建的高速公路上的桥梁多为中小跨径的混凝土简支梁桥，存在的一些常见病害有：桥面铺装开裂、钢筋锈蚀、伸缩缝损坏、支座破坏和桥梁墩台基础的病害等。

2.1桥面铺装开裂

混凝土桥面铺装层的病害随处可见，主要表现为较规则的纵、横向裂缝，不规则的网状裂缝及较严重的破裂等病害。产生病害的主要原因是桥面板刚度不足，在重载或冲击荷载作用下产生较大变形，从而导致桥面板的铺装层出现裂缝，且发展较快。其次，铺装层与桥面板和主体结构变形不协调，产生附加内力也会引起纵、横向裂缝。另外，早期修建的桥梁，由于当时人们对铺装功能、病害认识有限，往往存在配筋量偏小，钢筋直径过细，铺装与承载构件的界面连续不牢靠等问题。

铺装层的病害在高速公路上的危害性非常严重。首先，铺装层破损会使车辆冲击荷载进一步增大；其次，防水功能失效后，雨水渗入主梁中，使主梁受力钢筋锈蚀，这一点对于钢筋混凝土结构而言，危害尤其严重；最后，铺装层的破坏会改变设计荷载的横向分布状态，使得横向刚度变小，各梁板受力不均，并使主梁实际高度变小，纵向刚度减弱，挠度增大。

2.2钢筋锈蚀

引起钢筋锈蚀的主要原因是混凝土的密实性不够以及钢筋保护层厚度不足或遭到破坏。另外，海洋环境、大气中的酸性气体及潮湿环境等，都是促进钢筋锈蚀的客观因素。我国南方地区，因工业污染形成的“酸雨”普遍存在，加上气候潮湿，为桥梁钢筋的锈蚀提供了合适的外部环境。北方地区冬季普遍采用撒盐的方法防止桥面冰冻，富含氯离子的盐水渗入结构混凝土体内，大大加速了钢筋的锈蚀。

钢筋发生锈蚀时，锈蚀部分的体积可膨胀至原来体积的10倍以上，从而对周围混凝土形成挤压，造成混凝土开裂、剥蚀，使截面有效尺寸减小，导致结构承载能力下降。锈蚀的直接后果是钢筋断面积减小，对于以钢筋作为抗拉材料的桥梁来说，断面积的减小会直接影响结构抗拉和抗弯能力。钢筋锈蚀还会降低混凝土对钢筋的握裹力。锈蚀物外流，在结构表面形成锈迹，影响结构美观。由此可见，钢筋锈蚀对桥梁的危害是十分严重的，有时甚至是致命的。

由此可见，钢筋锈蚀是影响桥梁结构寿命和安全的一个重要因素。由于种种原因，桥梁结构钢筋的锈蚀广泛存在，为了维持桥梁的正常运营，需要对出现钢筋锈蚀的桥梁进行维修。

2.3伸缩缝损坏

根据目前的调查和研究认为，造成伸缩缝破坏的原因主要有以下几个方面：

1）由于设计不周引起的伸缩缝损坏；2）由于选型不当引起的伸缩缝损坏；3）由于桥墩台施工及梁（板）预制尺寸误差导致实际板端预留间隙与设计间隙悬殊而引起的伸缩缝损坏；4）设计与实际伸缩量不符引起的伸缩缝损坏；5）板式橡胶伸缩缝由于施工误差或橡胶板破坏引起的伸缩缝处严重跳车；6）板式橡胶伸缩缝或钢板伸缩缝由于伸缩装置混凝土施工先于两端沥青混凝土路面面层而引起伸缩缝尾端跳车；7）“反开槽法”施工操作不认真引起伸缩缝处跳车；8）材料选用不当引起的伸缩缝损坏。

伸缩缝的完好程度将直接影响桥梁结构的服务质量，伸缩缝的缺陷会向结构主体进一步发展，而且严重者会引起交通事故，所以，伸缩缝出现病害必须及时维修或更换。

2.4支座破坏

支座是桥梁上部结构的重要组成部分，它的首要功能是“承上启下”，即上部结构的荷载及行车荷载是通过支座传递给下部的桥梁墩台；其次，支座还要承受温度、风荷载引起的水平力。根据桥梁检查的统计资料分析，桥梁支座的破坏主要有以下几个方面的原因：

1）小跨径桥梁采用的简易垫层支座油毛毡老化破裂，从而失去作用；2）切线弧形支座滑动面、滚动面因锈蚀作用导致的无法正常转动；3）摆式支座的混凝土摆柱脱皮、漏筋或其他异常现象；4）支座的滑动面不平整，轴承有裂纹、切口，滚轴偏移和下降；5）滑动钢盆橡胶支座的固定螺栓因剪切作用而破坏，螺母松动；6）橡胶支座因时间和环境的作用出现橡胶老化、变质现象，上部结构梁体失去自由伸缩能力；7）支座垫石混凝土强度较低造成的支座座板混凝土压坏、剥离、掉角；8）支座边部翘起、断裂、扭曲，座板贴角焊缝开裂；9）滑动面、滚动面夹杂尘埃和异物以及排水装置、防水装置的缺陷引起的漏水、溢水等。

支座相对于桥梁工程整体来讲是一个小部件，但它的功能性作用却非常大，支座的破坏会导致桥梁上部结构的加速破坏，因此支座出现病害以后要及时维修及更换。

2.5桥梁墩台基础的病害

桥梁墩台基础在常年使用过程中，除了承受上部构造荷载外，还将承受土压力、风力、流水压力、冰压力和浮力等等各种力的作用。另外，自然界各种因素（如大气、雨水、洪水等）的影响作用；以及由于过桥车辆的日益重型化，墩台基础经常受到过重活荷载的作用，因此，桥梁墩台将会出现不同程度的损坏。

桥梁墩台基础易产生的病害有：

1）基础结构：基础不均匀沉降；基础的滑移和倾斜，以及基底局部冲空；基础结构物的异常应力和开裂等；2）墩、台身：各种水平、竖向和网状裂缝；混凝土剥落、空洞和老化；钢筋外露、锈蚀；结构变形、移位等。

这些病害不仅影响桥梁的美观，也影响桥梁的使用。

3、常见桥梁病害的维修加固方法

随着我国交通运输事业的不断发展，原有公路由于技术标准低、通行能力低，不能适应国民经济的发展。随着交通量的增大及其他一些使用原因，造成桥梁破坏或承载力及耐久性降低。为提高桥梁荷载等级，延长桥梁服务年限，旧桥的加固、维修已成为迫在眉睫的专项工程。

3.1桥面铺装层病害的预防措施及维修加固方法

3.1.1桥面铺装层病害的预防措施：

（1）设计上可采取的预防措施

根据桥梁桥面铺装层病害的调查统计情况发现，较早施工的桥梁桥面铺装层钢筋多采用HPB235直径8mm或10mm盘元条钢筋，因钢筋直径较细、圆钢与铺装层混凝土握裹力较小、钢筋的抗拉强度偏低等原因造成桥面铺装层混凝土病害情况较为严重。因此，在设计方面可以考虑采用冷轧带肋钢筋替代盘元条钢筋，采用冷轧带肋钢筋可以大幅提高设计强度及与混凝土的粘结握裹力。同时冷轧带肋钢筋网具有良好的整体刚度，不易变形，在桥面混凝土浇筑时不会出现钢筋网局部陷落的情况。

在设计时应充分考虑因预应力梁板的上拱度造成的跨中局部桥面铺装层偏薄的情况，应考虑局部加密桥面钢筋网，以保证桥面铺装层混凝土的强度及耐久性。

对于受力结构刚度较小、震动大、面层拉应力较大的桥梁，设计上应考虑采用柔性路面或采用钢钎维混凝土。钢钎维混凝土可以提高桥面的抗裂性、耐磨性、耐久性。

（2）桥面铺装混凝土施工应注意的事项

桥面铺装混凝土的强度应大于或等于梁板强度。混凝土施工时应严格控制混凝土的配合比；严格控制所用砂石材料的含泥量、级配，认真执行黄砂过筛、碎石水洗的规定，降低集料表面的粉尘，以提高集料与水泥砂浆的胶结力；夏季高温施工或冬季施工应采取适当的防护措施，保证混凝土的入模温度并采取合适的养护措施以减少混凝土的裂缝、提高混凝土的强度。混凝土强度达到规范要求强度以后方可开放交通。

（3）严格加强施工程序控制

桥面铺装混凝土施工前应凿除梁板顶面的水泥砂浆和松弱层、清除表面油污，梁板顶面凿毛处理后用高压水枪冲洗干净，并不留积水，保证新老砼粘结牢固。布设桥面钢筋网、接缝钢筋网时应严格按照设计图纸施工，确保受力钢筋、构造钢筋位置准确。为加强桥面铺装层与梁板的结合可以在梁板顶面预埋钢筋连接。

（4）特殊部位的处理

施工缝、伸缩缝、纵横缝等位置是桥面铺装层中的薄弱部位，只有采取特殊的处理措施才能保证桥面铺装层不从这些薄弱部位出现病害。必须在横向连接钢筋或横向连接钢板焊接完成以后，在进行桥面铺装层混凝土的施工，以防止横向连接后焊造成的温度涨缩造成桥面铺装层混凝土开裂。伸缩缝处浇筑的混凝土应平整并且与桥面连接平顺，防止因车辆动荷载过大造成伸缩装置的过早破坏，从而引起桥面铺装层的破坏。伸缩缝内填塞耐高温、弹性好的材料，从而保证伸缩装置能够自由伸缩，伸缩缝安装时的自由伸缩量应通过计算确定。水泥混凝土作为面层直接使用时，横缝应及时锯开，行车道、超车道及人行道的横缝应对齐，不得产生错缝；横缝间距一般按照4-6米控制同时控制板长为板宽度的1.3-1.5倍。纵缝宽度应根据桥面板结构、桥面宽度等因素确定，应避开重车轮作用带位置。锯缝深度纵缝2-3厘米，横缝深度为铺装层深度的1/3且不损伤桥面铺装钢筋网。泄水管处、伸缩缝处、沉降缝处必须做好防水处理，不得漏水、渗水进入结构本体，防止水的侵入是杜绝桥梁病害的先决条件，几乎所有的桥梁病害都与水的侵入有关系。

3.1.2桥面铺装层病害的维修加固方法

1）局部挖补。如果桥面铺装层砼仅出现小面积局部的坑塘、唧浆现象，可以采取局部挖补的维修措施。挖除前认真确定需修补的范围，修补范围应挖成规则的长方形或正方形，凿除桥面铺装层砼至梁板顶面并清理干净。局部坑塘范围内铺设上下两层钢筋网，坑塘周边应采取植筋技术将钢筋网与周边预置钢筋进行焊接。坑塘内采用C40或C50防水砼或钢钎维砼浇筑以提高其抗裂性、耐久性。

2）铺装层改造处理方案。对于铺装层病害严重、破损面积较大的采用铺装层改造处理方案。首先将桥面铺装层全部剔除至梁板顶面并清理干净，为确保凿除桥面铺装层时不损伤梁板，砼凿除时只能采用小型机具配合人工的方法进行施工。梁板顶面采用钻孔植筋的方法加强桥面铺装层钢筋与主梁的联结。铺设双层钢筋网片，钢筋网建议采用直径12mm以上的冷轧带肋钢筋，并且将钢筋网与主梁顶面的预置钢筋连接。加厚水泥砼铺装层，一般采用15厘米厚C40或C50防水砼或钢钎维砼。增设桥面防水层，防水层施工前要对水泥混凝土桥面铺装进行凿毛处理，保证凿毛质量，以露出粗骨料为准，然后将桥面清理干净；沥青砼下粘层应同时起到防水作用，宜采用改性沥青或其他洒布材料，不宜使用卷材。防水处理完成后顶面铺筑4-5厘米厚细粒式（AC-13）改性沥青砼，采用普通沥青砼面层时应采用双层铺筑，总厚度不宜小于8厘米，并且上面层宜采用防渗水性能较好的细粒式沥青砼。

3.2钢筋锈蚀的维修加固方法

钢筋混凝土或预应力钢筋砼中的钢筋锈蚀发生的前提条件是砼产生了裂缝，并且大气环境中具备水分、氧气等。所以对与钢筋锈蚀的处理方法应围绕处理裂缝，切断钢筋与水分、氧气接触发生化学反应的途径。对于裂缝的处理下边分墩台裂缝及梁体裂缝两个方面分别论述维修加固的措施，对于桥面部分裂缝的处理前文已经全面论述，此处不再累述。

3.2.1墩台裂缝的处理措施

墩台出现裂缝以后，应加强观测和检查。根据裂缝的位置、走向、宽度等特征，结合设计文件、施工资料进行全面分析，查明裂缝的性质、原因及其危害程度，然后制定具有针对性的处理方案，常见的处理措施有：

1）表面封闭法；对于不影响结构受力的温缩、干缩及施工过程中养护原因造成的裂缝，为防止水分进入造成钢筋锈蚀或在动荷载作用下裂缝继续扩大，可以采用表面封闭法处理墩台表面的裂缝。可以沿裂缝走向凿槽嵌补、喷浆、填缝的方法使表面裂缝封闭；2）压力灌浆法；该方法处理原理及适用范围同上。既采用高压灌注水泥浆或化学材料的方法，将浆液灌满内部裂缝。该方法与表面封闭法的区别在于该方法处理的裂缝深度更深；3）表面粘贴钢板或玻璃布等材料的方法；该方法即可以封闭表面裂缝，防止水分侵入，造成钢筋锈蚀，又可以提高结构的强度与刚度；4）钢筋混凝土护套加固法；该方法适用于墩台损坏较严重，表面出现严重裂缝、混凝土表面破损面积较大时，该方法是在墩台的四周布设钢筋骨架，支立模板浇筑砼的方法进行墩台加固，该方法通过增加墩台截面积来提高墩台的承载力。该方法实施后的效果受墩台四周地基土承载力的影响较大，墩台四周地基承载力不足时可以采用加桩的方法首先对地基进行处理。

3.2.2梁体裂缝的处理措施

1）修补梁体裂缝。采用注入化学胶粘材料达到堵塞裂缝，防止钢筋锈蚀的作用；2）桥面补强层加固法。该方法同前文论述的桥面铺装层改造方案，通过在梁顶面加铺一层钢筋混凝土面层，使其与原主梁形成整体，达到增加主梁截面高度的目的来提高桥梁的承载能力；3）增大梁截面和配筋法。在梁的底面或侧面，通过增加截面积和配筋的方法到达提高抗弯截面积的方法来提高梁的承载能力。对于T梁可以采用底部马蹄形加大与马蹄和梁肋同时加大的方法；4）改变结构体系的加固方法。通过在简支梁下增设墩台支点的方法，缩短桥跨，或者将相邻两跨简支梁应用预应力加固原理，使简支梁变成连续梁结构，通过对梁的受拉区施加压应力，以抵消部分自重应力，从而减少和避免梁体出现裂缝，以提高梁的耐久性；5）更换主梁法。梁体病害严重，承载能力严重不足的情况下，并且桥的下部结构承载能力足够时，可以通过更换荷载等级较高的新梁的方法来加固老桥。该方法施工简便，效果明显，但施工周期较长，工程造价也比较高。

3.3伸缩缝损坏的维修加固方法

桥面伸缩缝设置于梁端构造薄弱部位，直接经受车辆荷载的直接反复碾压与各种自然环境的直接影响，因而可以说伸缩缝是易损坏、难修复的部位，经常发生各种不同程度的病害。伸缩缝的损坏即影响桥梁的正常

使用功能，而且增加了养护维修费用，造成了一定的经济损失和较坏的社会影响。因此，加强伸缩缝的维修改造，提高伸缩缝的耐久性，延长伸缩缝的使用寿命显得尤为重要。现在国省干线公路桥梁上普遍采用型钢橡胶条伸缩缝，下面就此类伸缩装置的更换维修施工的步骤及注意事项阐述如下：