嚴寒地區橋梁病害問題及養護策略研究

祝 龍

(遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110003)

0 引言

公路上行車密度及車輛載重隨著交通運輸事業的快速發展急劇增大。由此許多橋梁病害問題逐漸突顯出來，橋梁耐久性問題更加受到重視[1]。據統計數據可得，寒冷氣候下的凍害和侵蝕環境的物理化學作用都是嚴寒地區橋梁病害的重要影響因素。嚴寒地區，橋梁工程冬季使用除冰鹽，凍融、化冰導致的冷沖擊和氯離子的滲透，加快了鋼筋混凝土橋梁劣化的速度，使得新建橋梁幾年內就需維修，大大縮短了橋梁的使用壽命。因此，及時發現現役橋梁的病害問題、采用合理的養護策略成為提高公路橋梁耐久性的重要途徑之一。

目前，國內外科研工作者和技術人員圍繞如何提升公路橋梁耐久性進行了大量的研究，總結橋梁常見的病害問題并提出了許多切實可行的橋梁養護策略。衡旭丹[2]針對在役橋梁既有病害持續擴展，影響混凝土橋梁結構耐久性問題，提出不中斷交通情況下應用外部粘鋼加固技術。結果表明，該技術可有效避免既有裂縫持續擴展，使鋼板和既有橋梁結構形成共同受力體系，使橋梁結構承載力在短期內快速恢復，提升被加固構件剛度及抗裂性能。白山云等[3]主張對在役橋梁進行預防性養護，在橋梁未出現明顯病害前采取相關養護措施來推遲病害的發展，延長橋梁的使用壽命。王迎軍等[4]對目前我國橋梁預防性養護所存在的問題進行了詳細的總結歸納并深入分析確定了橋梁在實行預防性養護過程中，部分具體的預防性養護內容和養護時機。

盡管，對于普通橋梁常見的病害問題及其成因和一些相應的養護策略已經有了較為豐富的研究資料，但對在役橋梁可靠性評估方面研究較為片面，對在役橋梁的安全性、適用性、耐久性方面的研究較少，與發達國家評估體系相比仍有一定差距，嚴重制約了我國橋梁基礎設施可持續發展[5]。特別是針對于橋址處于嚴寒地區等特殊橋梁病害問題和防治方法的研究相對較少，這對該類橋梁的設計、施工和養護決策制定等均造成一定的困難，影響橋梁的耐久性和工程項目的可持續性[6]。因此，以遼寧省某高速公路實際橋梁工程為研究對象，通過外觀缺損狀況檢查、材質狀況來分析探究嚴寒地區橋梁的常見病害問題，提出切實可行的橋梁養護決策。

1 遼寧省現役橋梁養護評估與病害統計分析

以我國遼寧省某高速公路橋梁為研究對象，橋梁均處于嚴寒氣候地區，全年氣溫的最低值可達-34.4℃，溫差變化大，因此可通過對該高速公路的檢測結果分析了解橋梁處于嚴寒地區時的技術狀況變化，為同類橋梁的設計提供一定的理論技術依據。

2021年遼寧省某高速公路定期檢測橋梁主線橋共計235座15722.32m。本次定期檢測結果顯示：二類橋梁共計214座，占總數91.06%，三類橋梁共計21座，占總數8.94%。2021年匝道橋及外連接線檢測13座646.597m，二類橋梁共計12座，占總數92.23%，三類橋梁1座，占總數7.77%。

2 遼寧省現役橋梁病害總結與對策研究

通過對該段高速公路的橋梁進行實地檢測，發現空心板板底縱向裂縫超限或含縱向裂縫的板較多，存在預應力混凝土T梁縱向裂縫、支座脫空或老化或銹蝕病害、橋面鋪裝破損、墩臺頂縱向裂縫等病害。與其他地區橋梁相比，處于嚴寒地區的橋梁病害發展更為嚴重。下面選取了檢測過程中的重點病害，并分析了病害的發生原因。

2.1 混凝土開裂病害

通過對248座橋梁的檢測發現其中90%以上橋梁的梁底存在縱向裂縫，其中縱向裂縫超限的橋梁共16座，占比6.5%；存在墩臺頂縱向裂縫的橋梁有6座，占比2.4%。如圖1所示為該段橋梁混凝土開裂病害情況。

遼寧省地處嚴寒地區，一年四季最大氣溫差可達60℃，該區橋梁所處的自然環境更為惡劣。混凝土對溫度變化更為敏感，熱脹冷縮性質明顯。曹國輝等[7]通過對混凝土體內、外收縮應變測試，得到混凝土試件體內、外收縮應變擬合曲線，如圖2所示。

圖2 混凝土試件體內、外收縮應變擬合曲線

由圖2可知，隨時間的增加，混凝土體內、外收縮應變的增長速率均減小，對收縮應變值而言，體內收縮應變更小。故當環境溫度發生變化時，由混凝土中心向外的不同部位產生拉應力不同，當外部混凝土拉應力超過其極限拉應力后就會產生溫度裂縫。對于嚴寒地區的橋梁來說，這種由于環境溫度大幅變化造成的混凝土開裂現象是不容忽視的。偶遇大雪，為恢復交通，采用除冰鹽除冰化雪，從而形成氯鹽環境，高濃度氯離子不但使混凝土表面粉化掉皮，而且氯離子沿溫度裂縫侵入混凝土結構內部，會加快混凝土結構的裂縫發展，對橋梁造成銹蝕和凍融破壞，對橋梁結構造成不可逆的傷害，影響橋梁結構的耐久性。

2.2 支座病害

普通板式橡膠支座作為我國公路鋼筋混凝土梁橋體系中的重要支承構件，其老化力學性能可影響局部甚至整體結構的剛度和受力均勻性及服役橋梁結構的安全性。通過對248座橋梁的檢測發現，全部橋梁的支座均存在不同程度的老化，其中支座病害嚴重的橋梁共10座，占比4.0%。支座主要病害類型如圖3所示。

圖3 支座病害

在橋梁施工過程中，可能會因為梁端墊石強度過低、標高不準確或不平導致支座上部脫空；橋體建成后，支座橡膠材料受嚴寒地區大幅降溫影響收縮，使支座發生脫空現象，削弱對梁體的支撐作用；再者冬季使用含有氯離子的除雪劑人為創造了含氯離子的環境，會加快鋼板的銹蝕，影響其剛度。發生病害的支座改變上部結構的受力狀態，威脅橋梁結構安全、穩定和耐久性能。

2.3 橋面鋪裝破損

在對該段橋梁橋面系進行檢測時發現：鋪裝局部變形、破損，伸縮縫處堵塞、失效，占比較大。圖4(a)、圖4(b)所示為鋪裝層變形、破損病害，圖4(c)、圖4(d)為伸縮縫堵塞、失效病害情況。

圖4 橋面鋪裝破損

在橋梁服役過程中，橋面直接暴露于自然環境中，直接與雨水、積雪等相接觸，加之人或機動車輛等荷載直接作用，也會對其產生摩擦作用造成一定的損傷。又考慮到嚴寒地區瀝青混凝土的溫縮作用，梁間縱向松動引起的反射裂縫，車輛渠化交通的反復作用會使橋面鋪裝產生順橋向的裂縫；墩頂橋面連續鋪裝處的反射裂縫會影響瀝青表面的平整度，而交通的反復作用會使橋面產生橫向裂縫。加之嚴寒地區冬季將大量使用含有氯離子的除雪劑而造成橋面鋪裝的進一步腐蝕。因此，相對于普通橋梁而言，橋址處于嚴寒沿海地區橋梁的橋面將更容易發生鋪裝層病害。

3 橋梁養護策略

根據以上分析，作者綜合考慮嚴寒地區的環境特點與橋梁養護技術，提出針對嚴寒地區橋梁的病害預防和養護策略，以提高橋梁結構的安全、穩定和耐久性，減少橋梁事故的發生。

(1)盡可能應用高性能混凝土：由于嚴寒地區溫差大，存在季節性氯離子含量高的問題，故提高混凝土本身材料性質可作為解決嚴寒地區橋梁病害問題的方法。因此在設計階段，應對橋址地的氣候環境做好調查，然后根據確定的主要侵蝕因素來選擇混凝土的水膠比和摻合料的摻量及比例，提高混凝土的抗凍性和抗氯離子滲透性能。

(2)為了節省成本，需要根據橋梁各構件的結構功能，對橋梁不同部位進行混凝土專項設計，并及時關注混凝土電通量和含氣量等參數。在施工階段應該嚴格按照相關要求進行混凝土的澆注和養護工作，并及時對完成段進行相關參數監測，并在發現問題后及時停工整改。

(3)及時對現有混凝土病害進行處理：對寬度較大的混凝土開裂縫隙進行注膠封閉，對寬度較小的開裂可采用涂膠封閉的措施，切忌使混凝土裂縫直接暴露于大氣環境中。對存在表面混凝土缺陷(蜂窩麻面、剝落、掉角等)的梁體，去除表面松散的混凝土后，清洗混凝土表面，再利用聚合物混凝土對病害部位及時進行修補。如破損部位存在銹蝕鋼筋，在鑿除老化混凝土后，及時進行人工除銹。

(4)保證橋面排水順暢：由于橋梁所在地區為嚴寒地區，冬季積雪嚴重，所以應對橋面系的排水進行合理的優化設計，根據橋址所處環境對橋面傾角和泄水管道等進行專項設計，如有發現排水設施損壞應當及時補修。

4 結論

通過對某實際工程進行檢測并分析討論了嚴寒地區橋梁的主要病害及成因，結合檢測結果和現有的橋梁養護技術提出了較為合理的適應該類橋梁的養護策略，具體結論如下：

(1)嚴寒地區橋梁的常見病害主要有：混凝土開裂、支座銹蝕脫空老化和橋面鋪裝病害等。

(2)對嚴寒地區橋梁病害整理歸納，綜合橋梁現狀和現有數據分析成因，發現較普通橋梁而言，其產生病害的原因是錯綜復雜的，故只有認真分析出重點成因，才能抓住重點，采取應對措施，減少病害的進一步惡化或產生。

(3)嚴寒地區橋梁的養護策略應該根據橋址所處氣候環境進行有針對性的調整，依據橋梁的使用性能對橋梁進行及時維護，防止橋梁出現大的問題。定期對橋梁進行檢測，對病害早發現、早處理，并選擇合適的方案進行維修，確保施工質量。建議對于橋梁養護應以預防為主、防治結合的原則進行。