淺析混凝土橋梁結構病害檢測與防治

歐偉

（廣西壯族自治區建筑工程質量檢測中心有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

混凝土橋梁是現代建筑中的一種十分常見的基礎設施，由于長期經受不同的氣候條件，外力作用，其自身不可避免地會產生一定的腐蝕損傷。具體地講，交通量尤其是重型汽車通行量在不斷增加，材料性能隨著時間在不斷衰退，多種物理化學因素在持續發揮作用，橋梁工程混凝土構件不同程度的結構病害持續形成并不斷加重[1]，導致橋梁使用功能和通行能力的降低，嚴重時還會導致交通的中斷。本文分析橋梁工程常見結構病害，提出病害檢測方法及處置措施。

1 橋梁工程常見結構病害

1.1 蜂窩

造成蜂窩現象的原因可能是施工過程中的人為因素，也可能是結構布局的不合理。在施工中出現的失誤主要有：在澆筑時的分層灌注，違反了有關的操作規定，沒有進行正確的振搗，或在運輸過程中發生離析，在支模時，因模板的間隙密封不好，導致水泥砂漿漏失等。橋梁的結構不合理，體現在混凝土構件配筋較多，混凝土的坍落度不符合要求，混凝土粗骨料的顆粒較大等方面。

1.2 麻面

橋梁在使用過程中出現麻面通常是由于在進行結構物的施工時，使用的模板表面不光滑，或者是因為模板的潤濕性不足，致使結構物表面的混凝土失去水分，從而產生孔洞導致出現麻面。

1.3 空洞

混凝土的空洞現象是因為構件所配置的鋼筋密度太大，導致在施工過程中出現大量的混凝土被粘在一起，由于沒有進行足夠的振搗就開始繼續澆筑上面的混凝土而導致空洞產生。另外，大量的混凝土滲漏也會導致孔隙的形成。

1.4 混凝土裂縫

混凝土的抗拉強度比其他材料低，容易出現裂縫，對于一般的鋼筋混凝土構件來說，如果將其縫隙寬度控制在0.2～0.3mm之間，一般不會對其正常的、安全的使用及耐久性產生過大的影響。在工程實踐中，由于受各種因素的影響，裂縫產生的因素可能不止一種。如果沒有系統性的、透徹的剖析與處理，就很難明確其產生的原因，也就很難達到實際應用的要求。

1.5 鋼筋的腐蝕

鋼筋腐蝕與其自身因素和混凝土質量有很大關系，其中，不同的晶格結構、應力水平和鈍化膜都會對鋼筋產生腐蝕。常見的腐蝕有電化學腐蝕、雜散電流腐蝕、應力腐蝕和氫脆腐蝕等。

（1）電化學腐蝕。電化學腐蝕首先破壞混凝土的表面，導致鋼筋表面的鈍化膜破壞，從而導致鋼筋的腐蝕破壞。氯離子作為一種“腐蝕電池”和負效應，其對混凝土結構的損傷屬于化學損傷，且具有多個方面的損傷。

（2）雜散電流腐蝕。雜散電流腐蝕實質上是一種通過直流電解產生的漏電流對鋼筋的腐蝕破壞，對鋼筋腐蝕的影響較小。

（3）應力腐蝕。應力腐蝕是指金屬材料在腐蝕性介質和應力共同作用下發生的脆性斷裂現象，其破壞程度與混凝土中的應力、混凝土材質、腐蝕介質等因素有關。

（4）氫脆腐蝕。由于氫離子在水泥中與水泥石產生化學作用，在水泥石中產生較大的內應力，因而產生氫脆現象。如：鋼筋承受太大的拉應力，導致裂縫的快速擴大，最后導致脆性破壞。

2 橋梁工程病害檢測

2.1 靜載試驗

在靜載荷測試中，能夠獲得應變應力的實際值，通過與理論分析的結果對比，從而評價橋梁的工作狀態和安全性能。此外，憑借對各測試點得到的測試結果與標準允許的測試結果進行比較，從而判斷該橋型是否滿足服役條件[2]。

（1）當進行靜載測試時，應能真實反映出橋的承載量，但實際工作中，由于測試成本及測試條件的限制，測試時通常只能選擇具有典型意義的一個橋墩作為測試對象。所以測試時，應該做到以下三點：一是根據測試結果，找到橋墩上最不利的受力部分；二是選取在工程建設過程中存在的一些質量不高、缺陷多的橋梁來進行測試；三是試驗橋的跨度要滿足安裝腳手架等設備所需的要求，并且要滿足試驗所需的荷載要求，以便設定試驗點并進行試驗。

（2）根據墩身應力的變化情況，確定具體的橋梁應力截面，并根據其變化情況，選擇適當的應力截面。因此，對其進行檢測是保證其正常運行的重要手段。由《公路荷載試驗規程》中所規定的一般橋型的計算方法，得出了表1所示的一般橋型截面位置計算方法。

表1 靜載試驗計算截面位置

（3）試驗荷載的計算根據橋梁的設計荷載而確定，試驗荷載的起始點應根據橋梁的受力情況而確定。從理論上講，測試負載的大小應該等于加載試驗的控制負載的大小，但由于受到多種原因的限制，在實踐中，測試負載的大小往往難以與所測的控制荷載達到完美的匹配，所以，在真實荷載的作用下，通常通過靜載荷測試中的有效系數來判斷，其計算公式如下：

式中：

ηq——靜力荷載試驗有效系數；

sstat——試驗加載下控制截面的變形或荷載的計算值；

s——控制截面的變形或者荷載的計算值；

s—ss沖擊系數。

（4）通過試驗點實測資料和理論成果進行比較，評價試驗成果；將其在檢測斷面上的測試結果與設計規定的容許數值進行對比，判斷其工作狀態，從而得出其能否達到當前的受力需求[3]。從檢驗系數和撓度的評估方面，評價試驗成果。

1）校驗系數是指在測試過程中所測量到的應力或變形與理論計算得到的數值之比，常用的橋梁校驗系數如表2所示。

表2 一般橋梁類型的校驗系數

式中：

sc——荷載作用下檢測的變形或應變值；

ss——在實際荷載作用下，橋梁校驗系數取值。

2）撓度的評估：在進行橋面靜載荷測試時，以該評估指數為基礎，用以評估橋面工作特性和承載力，該評估指數為：

f′——除去支座沉降等因素影響的橋梁跨中截面的最大撓度值；

l——梁的跨長。

2.2 動力荷載試驗

通過對橋梁進行動力荷載試驗，能夠從整體上精確判斷橋梁整體剛度和運營狀況，進而判斷橋梁的使用年限，是橋梁設計中不可或缺的工作。橋梁動荷載試驗是用某種激發的方法，引起結構的振動，并測定其振型、沖擊系數、固有頻率、阻尼比和動力響應等。但是，為了避免出現共振現象，在進行動載試驗時，必須將其初振頻率設定為不同于其本身構造的自振頻率[4]。并對其動力性能、自振性能和受迫振動性能進行研究。樁基的動態荷載測試應包含下列四項內容：

（1）跳車試驗。通過對外加車輛荷載作用下的阻尼試驗，得到橋面碰撞因子，并對其進行振動特征分析。

（2）脈動試驗。在不受外部影響的條件下，由風力、地表微振等環境因子誘發，并對其進行自振試驗，從而獲得其自振頻率。

（3）跑車試驗。在車輛運行時，對車輛受到的強迫震動響應進行試驗研究。

（4）剎車試驗。當汽車在橋梁上行駛時，由于汽車在橋梁上發生了一次應急剎車，由此引發一次激振源，并對其進行測試。該方法對橋梁在橫向活荷載作用下的表現進行評估。

采用動態荷載實驗方法，得到樁身應力、位移和加速度等動態荷載實驗結果。在測試結束之后，一般需要對測試得到的振動數據進行分析和處理，并在此基礎上進一步分析和研究其動力學特性。橋梁結構的阻尼特性根據有關力學知識確定，通常采用對數衰減率和阻尼比來確定，見圖1所示。

圖1 自由衰減曲線

根據振動理論可得，結構的對數衰減率如下式：

δ=ln(Ai/Ai+1)

式中：

Ai，Ai+1——兩個相鄰的振幅，其大小可以通過它們的衰變曲線來衡量。

在實際的分析中，通常只選擇一個波，求出其平均衰減率如下：

式中：

Ai，Ai+n——第i和i+n個波的振幅值。

沖擊系數是指在車輛穿越大橋時，對大橋所造成的垂直動態影響的增加因子。由動、靜荷載作用下的動態變形與靜態變形之比，可求出碰撞因子。圖2為沖擊系數的計算模型。

圖2 沖擊系數的計算模型

通過分析結構的模態、碰撞系數、固有頻率、阻尼比和動態反應等，可以從宏觀角度對結構的剛度和安全運營能力等進行綜合分析，得到的有關數據可以作為對結構進行評定的基礎。

（1）將計算出的橋體頻率數與實測數據進行比較，判斷橋體的剛性；

（2）將實測數據和理論模型數據進行比對，如果實測數據較理論數據太大，則說明橋面平整程度極低，反之，則說明橋面平整程度極高；

（3）阻尼系數愈大，所需能量也愈多。而當阻尼性能相差太大時，就會出現裂紋、支座損壞等情況。

3 橋梁工程結構病害防治措施

3.1 完善養護管理模式

做好公路橋梁養護工作，收集完善的養護資料，將智能化養護管理的理念付諸實施，建立智能的高速公路養護管理體系，并對養護過程中出現的問題進行分析。根據橋梁項目的具體狀況，制定出一套嚴謹、有力的管理方法，以保證公路橋梁建設的品質，促進公路橋梁建設的順利進行。通過建立健全公路橋梁建設的管理體制，建立健全公路橋梁建設和維護的質量獎勵和懲罰制度，充分發揮公路橋梁建設和維護的作用。

3.2 提高道路橋梁監測能力

要想更好地預防與治理橋梁施工中出現的各種問題，需要在施工過程中不斷地進行監控，提升監控的能力，以便能夠在最短的時間內找到問題并加以解決。利用物聯網技術、云計算、衛星遙感技術等，利用位移動態監測等多種監測設備，將各種方法進行整合，以全面感知、深度融合等方式，對數據進行收集、分析、整理，為質量管理、病害監測等工作提供支撐和保障，從而可以全面提升橋梁的管理水平，創造出更大的效益和價值。

3.3 優化養護施工技術

針對公路橋梁中出現的各種問題，進行深入的調查和分析，并根據實測資料，制定完整的維修計劃。在橋墩部位進行病害治理時，應遵循適宜的原則，做好基本的養護工作。在深度小于5cm的情況下，應該在維修箱的基礎上加強。對出現裂紋的橋梁，及時進行養護，并通過修理、補強等方法來排除安全隱患[5]。對現行的維修方法，與其使用效果相結合，進行優化和改進，從而使公路橋梁的維修水平得到全方位的提高，并將其排除在外。應加強對公路和橋梁養護技術的探索，開發出更多具有較高層次的養護技術，以提升養護和管理水平。

4 結束語

混凝土橋梁由于長期經受著風雨、日曬和凍融等作用，不可避免地會產生一定的腐蝕損傷，其整體性能難以得到保障。通常，對于橋梁工程建設中常見的質量問題，可采取動、靜荷載兩種試驗方法進行檢測。實踐證明，對于當前的混凝土橋梁工程病害的防治，不僅要結合先進技術，不斷完善養護管理模式，提高道路橋梁監測能力，還要優化養護施工技術。