高寒地區在役混凝土橋梁檢測及養護常見問題研究

張小龍

（內蒙古公路交通投資發展有限公司烏海分公司，內蒙古烏海 016000）

1 引言

我國地形地勢復雜多變，北方地區屬于高緯度、高海拔地區，冬天極其寒冷，溫度最低可達-58℃。因此，我國北方地區的橋梁現場檢測及養護將面臨諸多問題。比如，低溫超過了儀器正常工作的最低溫度，無法正常工作；混凝土冬季養護困難，混凝土結構空腔內部結冰、凍融凍脹現象頻發等。JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規程》也明確指出：荷載試驗應在氣溫平穩時段進行，氣溫低于5℃或高于35℃時不宜進行荷載試驗等。基于此類問題，本文就高寒地區在役混凝土橋梁日常檢測和養護中易出現的病害現象及成因進行分析，并提出該類特殊地區橋梁無損檢測及靜載試驗時應注意的事項，為類似地區橋梁的日常檢測、養護提供借鑒，以保證在設計壽命期限內橋梁結構的安全性[1]。

2 重點病害檢查及養護措施

高寒地區混凝土結構受溫差影響，表面極易產生裂縫，還面臨混凝土碳化、氯離子和硫酸鹽侵蝕等諸多問題，本文就檢查中發現的典型病害——剪切裂縫和“冰”效應做出分析。

2.1 剪切裂縫

目前，普通鋼筋混凝土橋梁混凝土表面存在的結構裂縫病害主要有：（1）正彎矩裂縫；（2）負彎矩裂縫；（3）剪切裂縫。大多數檢查對于裂縫的認識以正彎矩裂縫為主，但在北方寒冷地區不難發現，空心板梁端部常出現斜向裂縫，其形狀呈“內八字”形。根據受力狀態來說，在梁端附近位置，結構處于剪彎段，因此，設計時必須充分考慮力學特性，然后進行混凝土強度選擇和鋼筋配置。與此同時，不難發現溫差變化范圍較小的其他地域，出現該類病害的概率較小，這表明設計材料不是該類病害的關鍵因素。

從基本理論分析，若某個部位出現裂縫，必定存在應力超限，那么超載無疑是引起裂縫的直接原因之一。現如今，大量重型車通過橋梁，而在役橋梁往往因為年代久遠，其荷載等級無法滿足重車要求，加上橋梁管養仍存在標志標線不完善的情況，所以，橋梁在過荷情況下就會很快出現斜裂縫[2]。

假使橋梁結構設計嚴格依據規范，符合荷載等級要求，且保證無超載車輛通行條件下，影響斜截面抗剪承載力的因素中：剪跨比、縱向鋼筋配筋率、配箍率和箍筋強度將保持一致，混凝土抗壓強度則成為產生斜裂縫的可疑指標。這里不是指混凝土強度本身選擇有問題，而是考慮到寒冷溫度混凝土材料性能被削弱，其強度無法達到預期強度。除此之外，在役橋梁的混凝土處于反復凍融過程，混凝土表面結構變得疏松，其強度受到影響，導致剪彎段的抗剪承載能力大大降低，加快了斜向剪切裂縫的發展速度。例如，我國北方某橋梁共有5片空心板梁（占主梁總數的20.8%，全橋共24片空心板梁）梁底端部存在斜向裂縫，局部混凝土碎裂，部分裂縫伴有結晶體析出，最大裂縫寬度為0.56 mm，已遠遠超過JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》規定的裂縫寬度限值0.30 mm，這些裂縫是在荷載作用下產生的梁端剪切裂縫，墩臺位置長期滲水，梁端混凝土長期處于潮濕環境中，導致梁端部分裂縫有白色結晶體析出，且混凝土凍脹導致進一步碎裂。

2.2 “冰”效應

高寒地區橋梁結構還面臨一個突出問題就是“冰”效應。在低溫環境下，水在混凝土毛細孔中結冰后致使彈性模量、抗壓強度等力學性能嚴重下降。最具代表性的病害就是空腔內部積水未處理，冬季引起主梁凍脹開裂，嚴重時整個空心板梁底面會形成縱向碎裂帶，直接危害橋梁運營安全。這主要是由于空腔內部大量積水未及時排出，遇冷后結冰，體積迅速膨脹，其周圍產生拉應力，該拉應力超過結構容許拉應力時即會產生開裂[3]。

2.3 養護措施

針對上述病害在寒冷地域必須高度重視，在日常養護時可從以下幾個方面進行[4]：（1）在兩端橋頭嚴格設置限載標志，禁止超載車輛通行，并加強動態監控；（2）如遇混凝土表面疏松，及時清理后，采用環氧砂漿并摻入外加劑進行補強；（3）冬季來臨前期統一排查，有針對性地在梁端較低處鉆孔放水。

3 無損檢測時注意事項

橋梁主體結構的檢測，簡而言之主要是混凝土和鋼筋兩種材料參數的檢測，鋼筋在混凝土內部受到保護，裸露在外部的混凝土是檢測時的主要內容。負溫環境條件下橋梁結構混凝土主要面臨的耐久性問題可大致歸納為：（1）反復凍融條件下構件抗壓強度降低；（2）混凝土材料碳化程度加重；（3）外界氯鹽、硫酸鹽等侵蝕。因此，現場橋梁檢測中也應重點關注該類指標，保證材料在正常性能條件下工作。

3.1 回彈法測強度

依據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》相關規定：回彈儀使用時的環境溫度為-4~40℃；測區表面不應有疏松層、浮漿、油垢、涂層以及蜂窩麻面；潮濕或浸水混凝土不得直接采用“統一測強曲線”。寒冷地域在進行混凝土強度測定時，儀器工作溫度及常態化的數據采集方式將受到限制，這時可考慮采用如下辦法解決：（1）結合地區測強曲線或者專用測強曲線進行修正；（2）必要時采用超聲回彈綜合法、取芯法等。

3.2 混凝土碳化

碳化也是評判混凝土強度的重要指標。主要是二氧化碳與混凝土中堿性物質發生反應的一個漫長過程，碳化將使混凝土脆性變大，降低了混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的鈍化膜，致使鋼筋失去混凝土的保護作用，大大加快了鋼筋銹蝕速率。在北方冬季橋梁結構受雨雪影響，表面混凝土內部水分子集聚，在表面形成冰晶體，引起碳化測試結果偏差。因此，建議現場測試時避開梁體底面滲水泛白區域，并清理干凈表面浮塵后方可進行碳化深度測試；分析數據時嘗試以二氧化碳的濃度換算混凝土碳化深度和碳化時間，通常混凝土碳化速率會隨著深度和時間的增加逐漸減緩。

3.3 氯離子侵蝕

當冬季橋梁橋面系存在積雪時，常見的方式是直接撒鹽除冰，除冰鹽與消融的雪水易滲入橋梁結構，使得混凝土構件遭受氯離子腐蝕。而氯離子正是引起和加速鋼筋銹蝕的重要因素，同時若鈉離子等堿性物質侵入，在集料具有活性時還可能發生堿集料反應。在平時的檢測工作中應重視氯離子含量測定，并判定其原因是混凝土固有存在的，還是結構使用過程中外界浸入造成。長時間暴露在酸性環境地區的橋梁，檢測和養護時應在混凝土表面涂刷防水層阻礙雨雪侵蝕，減緩氯離子對鋼筋的銹蝕程度。

4 靜載試驗測試分析

靜載試驗是最直觀評判橋梁結構承載力的方法，其試驗結果受多種因素制約。根據JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規程》，荷載試驗應在氣溫平穩的時段進行，氣溫低于5℃時，不宜進行試驗。為保證特殊溫度條件下荷載試驗結果數據的有效性和準確性，必須明確不同溫度下參數的影響因子及變化特性，以克服寒冷或高溫帶來的影響[5]。

4.1 溫度對橋梁應變測試結果的影響分析

由于橋梁現場測試氣候環境多變，梁體隨著溫度變化而發生一定規律的伸縮變形，那么對結構應變測試結果也會帶來相應的誤差。其主要是兩個方面：（1）對應變測試儀器、應變計（應變片、應變傳感器）的影響，使應變測試結果產生誤差；（2）溫度變化使結構產生溫度效應，混淆了對荷載產生的結構應變的測試。

針對前者可考慮采用性能等級高的儀器以減小溫度變化的影響，同時若為電阻式應變測試時，通過溫度補償技術予以消除；若為振弦式應變傳感器，需要在不同溫度下對傳感器標定，得到相應的頻率與應變間的標定曲線來減小或者消除溫度影響[6]。為克服后者帶來的溫度應變，首先應選擇溫差小或溫度穩定時段進行應變數據采集；若試驗時間受限且溫度條件不可控制時，則需要前期在橋梁結構上提前測試溫度與應變變化關系曲線，在結構正式試驗應變測試數據中將溫度應變剔除即可。

4.2 溫度對橋梁豎向位移測試結果影響分析

溫度對橋梁豎向位移測試結果的影響主要通過影響對超靜定結構體現。長期現場數據資料表明，豎向位移誤差值與環境溫差值成正相關性，且不同截面誤差值受溫差變化影響幅值差異較大，以連續梁邊跨最大正彎矩處誤差最為顯著，中跨正彎矩斷面次之。目前，現場試驗階段溫度對豎向位移的影響研究尚未形成可靠的理論體系，本文建議通過在保證溫度穩定時段進行測試的同時，結合多種有限元軟件建立計算模型考慮溫度對豎向位移的影響普遍規律，對現場實測豎向位移增加修正系數做出調整[7]。

5 結論

本文從病害成因、無損檢測及靜載試驗方面對在役混凝土橋梁的現狀進行了探討，一定程度上明確了高寒地區橋梁檢測及養護的重點，應結合以下幾點對癥下藥，保證橋梁承載能力不被削弱[8]。

1）高寒地域橋梁面臨的剪切裂縫和“冰”效應病害問題應高度重視，會引起混凝土材料力學性能指標降低而加劇病害的發展程度。

2）無損檢測時應保證橋梁結構表面狀況符合規定，同時應考慮低溫環境因素對指標參數作出修正，保證測試結果的準確性和有效性。

3）溫度效應對橋梁應變和撓度測試結果有一定影響，現場實測時應充分考慮環境條件，結合本文提出的建議，采取有效措施減小誤差。