民用機場飛機荷載橋梁常見病害及成因分析

余 昂 李昊辰

1.北京首都國際機場股份有限公司 北京 100621

2.華設(shè)設(shè)計集團北京民航設(shè)計研究院有限公司 北京 101312

隨著我國民航運輸業(yè)的高速發(fā)展，航空業(yè)務(wù)量不斷增長，機場安全運行保障壓力與日俱增。而飛行區(qū)橋梁作為連接、保障機場飛行器與社會車輛安全通行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其健康狀況不僅影響著機場的運行安全，也直接影響著機場周邊車輛交通的安全。因此，定期對橋梁開展檢測工作是十分必要的。本文依據(jù)飛機荷載橋梁自身結(jié)構(gòu)特點將橋梁常見病害分為影響使用性能的病害、影響結(jié)構(gòu)耐久性的病害以及影響結(jié)構(gòu)承載力的病害三個部分并進行歸納總結(jié)，并對病害的形式及產(chǎn)生原因進行探討分析。

1 影響使用性能的病害

1.1 橋面破損

相比于公路橋梁所承受的汽車荷載來說，飛機荷載要大得多，以波音公司的B747-400機型舉例，其總重可達400噸。在飛機輪胎集中荷載的不斷作用下，橋梁的橋面鋪裝層易出現(xiàn)坑凹不平、開裂、破損等病害，如圖1所示。另外，若橋面鋪裝的瀝青混凝土壓實度不足或水泥混凝土強度不足等問題同樣會導(dǎo)致橋面病害產(chǎn)生。

圖1 橋面破損、補丁

1.2 橋頭跳車

當橋頭引道產(chǎn)生沉降或伸縮縫兩邊產(chǎn)生高差后，會使橋面與路面連接處不平整，當飛機駛過橋頭時會產(chǎn)生明顯顛簸。橋頭跳車不僅會降低飛機滑行質(zhì)量，而且會影響乘客的心理狀態(tài)[5]。同時由于飛機的自重很大，所以對梁體的沖擊作用也會很大，長此以往會對橋梁的使用壽命產(chǎn)生顯著影響。

1.3 橋面排水性能不良

在橋梁運營過程中，泥沙、垃圾若不及時進行處理就會堵塞在泄水孔處，導(dǎo)致雨雪后橋面存在積水、滲漏甚至于凍脹。橋面積水嚴重時會不僅會增大橋梁的荷載，還會增加飛機滑行時飄滑的風(fēng)險。如果橋面積水通過裂縫滲到梁內(nèi)部導(dǎo)致梁內(nèi)積水，還會對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。

1.4 伸縮縫堵塞、頂死、型鋼斷裂

由于構(gòu)造存在缺陷或缺少養(yǎng)護，橋梁的伸縮縫容易出現(xiàn)混凝土破損、伸縮縫堵塞、頂死甚至型鋼斷裂現(xiàn)象，如圖2、圖3所示。若處理不及時，伸縮縫最終會完全失效，缺少伸縮縫的伸縮作用輕則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與設(shè)計時不符，影響橋梁的使用性能；重則會使梁體產(chǎn)生附加內(nèi)力或產(chǎn)生內(nèi)力重分布現(xiàn)象，嚴重影響橋梁使用安全。

圖2 伸縮縫堵塞

圖3 伸縮縫型鋼斷裂

2 影響結(jié)構(gòu)耐久性的病害

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)非受力裂縫

引起混凝土結(jié)構(gòu)非受力裂縫的因素主要有結(jié)構(gòu)構(gòu)造不當、混凝土質(zhì)量問題、施工養(yǎng)護不當、施工質(zhì)量缺陷、溫度變化。無論裂縫寬度如何，混凝土結(jié)構(gòu)非受力裂縫都應(yīng)引起高度重視，并及時采取化學(xué)灌漿或表面封閉的措施予以修補，如圖4、圖5所示。

圖4 混凝土質(zhì)量問題引起的裂縫

圖5 混凝土干燥收縮引起的裂縫

2.2 混凝土腐蝕

雖然我國飛機荷載橋梁發(fā)展起步較晚，但仍存在一些運營幾十年的橋梁，這些橋梁大都存在混凝土腐蝕的問題，若不及時進行處理，很可能由于混凝土受壓區(qū)腐蝕而破壞。正常來說，混凝土是耐水材料，混凝土的強度不會因潮濕環(huán)境或水而產(chǎn)生太大影響，但若是長期處于潮濕環(huán)境中，尤其在干濕交替循環(huán)狀態(tài)，混凝土就會產(chǎn)生耐久性的問題[5]。空氣中的水和雨水中含有的酸堿性物質(zhì)常超過一定限度時，就會引起混凝土的腐蝕。

2.3 混凝土碳化

當空氣中二氧化碳氣體滲透到混凝土內(nèi)，會與水泥中堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽，這個過程稱為混凝土的碳化現(xiàn)象，又稱作中性化[5]。碳化將直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及耐久性。一般說來，一座橋梁建成以后，影響碳化的因素就已經(jīng)確定，為了降低碳化速度就只能從如何保護混凝土不受或少受侵襲這方面來考慮。

2.4 混凝土保護層厚度不足

鋼筋被混凝土包裹會與混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成一層致密的氧化膜，混凝土與氧化膜共同隔離了鋼筋與空氣中的水和氧氣接觸，使鋼筋難于銹蝕。若是混凝土保護層厚度不足，經(jīng)過長時間的使用后可能會導(dǎo)致鋼筋裸露于空氣中，與空氣中的水汽以及各種酸堿離子共同發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最終就會導(dǎo)致鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)耐久性能嚴重削弱，使用壽命大大縮短。

3 影響結(jié)構(gòu)承載力的病害

3.1 橋梁整體性、協(xié)同性喪失

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在飛機荷載橋梁中比較常用，如預(yù)制裝配式空心板、預(yù)制裝配式T梁等。借助于各種各樣的橫向連接構(gòu)造，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)通過設(shè)置各種各樣的橫向聯(lián)系構(gòu)造進行連接，使橋梁具有整體受力性能。但由于飛機荷載橋梁使用荷載過大，常會導(dǎo)致如鉸接板梁橋在鉸縫處開裂、T梁橫隔板連接處開裂等問題，進而導(dǎo)致裝配式橋梁受力的整體性、協(xié)同性逐步喪失。在橋梁運營過程中，裝配式結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系的減弱，會導(dǎo)致橋梁整體性差、剛度降低、承重結(jié)構(gòu)局部開裂、內(nèi)力重分布，甚至出現(xiàn)單梁（板/肋）受力現(xiàn)象，導(dǎo)致裝配式橋梁的承載能力嚴重下降，對飛機運行安全產(chǎn)生巨大威脅。

3.2 受力裂縫寬度過大

當混凝土所受的拉應(yīng)力超過了其抗拉強度就會出現(xiàn)受力裂縫，裂縫主要有彎曲受力裂縫、彎剪受力裂縫、扭轉(zhuǎn)裂縫、錨下劈裂裂縫等形態(tài)。如鋼筋混凝土T梁常因抗彎承重能力不足、正應(yīng)力超限而產(chǎn)生彎曲受力裂縫。這些裂縫的寬度在飛機荷載反復(fù)作用下會逐漸增大，嚴重可導(dǎo)致橋梁承載能力嚴重降低。混凝土結(jié)構(gòu)受力裂縫寬度過大可采取增大構(gòu)件截面、施加體外預(yù)應(yīng)力、粘貼鋼板、粘貼碳纖維等結(jié)構(gòu)加固補強手段予以控制。

3.3 下部結(jié)構(gòu)開裂

橋梁下部結(jié)構(gòu)開裂與施工質(zhì)量、地質(zhì)情況、機場橋位附近改擴建施工等因素有關(guān)，下部結(jié)構(gòu)開裂會導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)的承載能力不足，不僅會影響橋梁線型、影響行車性能，對于例如剛架橋這種超靜定橋梁還會產(chǎn)生比較大的附加內(nèi)力，改變橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計受力狀態(tài)，對橋梁的安全運營與正常使用構(gòu)成明顯的威脅。

4 結(jié)語

綜上所述，民用機場飛機荷載橋梁常見病害的產(chǎn)生原因可以從以下幾個方面來確定：

(1)由于設(shè)計時考慮不足導(dǎo)致橋梁天生存在缺陷，只能通過后期的維護來保證橋梁的正常狀態(tài)；由于施工質(zhì)量存在問題導(dǎo)致橋梁“體弱多病”，病害多發(fā)。

(2)在橋梁運營過程中，由于機場多處于超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，飛機架次多且飛機荷載過大，若缺少及時的檢修維護就會導(dǎo)致橋梁病害多發(fā)。

(3)機場管理部門對于飛機荷載橋梁重視程度不足，缺少必要的養(yǎng)護，導(dǎo)致橋梁“小病變絕癥”。

因此，在橋梁運營期間，應(yīng)定期對橋梁進行檢測養(yǎng)護，必要時應(yīng)對已經(jīng)產(chǎn)生的病害進行加固處理，這樣才能使橋梁的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命得到保障[6]。