混凝土空心板梁桥典型病害成因分析及防治策略

1、混凝土空心板梁桥典型病害成因分析及防治策略杨敏，靳欣华（1.上海市浦东新区公路管理署，上海200 1 2 9 ； 2 .上海市市政规划设计研究 院，上海2 0 0 0 3 1 ）摘要：上海市公路及城市道路桥梁中，简支混凝土空一 t k ,板梁桥是中小跨径桥梁的主 要结构形式。针对此类桥梁常见的典型病害，该文分析了病害产生的原因，并提出了针 对桥梁病害的防治策略，对此类桥梁的设计、施工、养护等具有重要的借鉴意义。关键词：空心板梁桥；典型病害；成因分析；防治策略；上海市中图分类号：U 4 4 8 . 2 1 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 9 7 7 1 6 （ 2 0 0 8） 0 8

2、 0 1 1 2 0 4O 引言上海市公路及城市道路桥梁中，混凝土空心板梁桥是中小跨径桥梁的主要结构形式。 一般单跨跨径2 2 m以下的桥梁多采用混凝土空心板梁桥。空心板梁通常分为钢筋混 凝土和预应力混凝土两大类。钢筋混凝土空心板梁主要集中在单跨跨径13 m以下的 桥梁，跨径13 m的基本采用预应力混凝土空心板梁。此类桥梁采用多片空心板梁拼 装而成，形成整体以承受桥面荷载。上海市的此类桥梁，一般在桥台位置设型钢伸缩缝 或简易伸缩缝，桥墩位置多数采用桥面连续构造。由于上海地区的地质条件，基础多 采用摩擦桩基础，桥台多为轻型桥台，柱式桥墩。此类桥梁的典型病害主要集中在上部结构和桥面系，下部结构病害

3、较少。此处主要 介绍上部结构和桥面系的典型病害。根据对上海市此类桥梁的调查，此类桥梁上部结构和 桥面系比较典型的病害特征有：桥面铺装纵向裂缝、桥面渗漏水、钢筋锈蚀、板梁 裂缝等病害。1 典型病害成因分析1 . 1桥面铺装纵向裂缝空心板梁桥的桥面铺装除直接承受车辆荷载的碾压外，还承担着将车辆荷载向各个板 梁传递分配的功能，同时对整个桥梁结构起着防水、防晒、防侵蚀等防护作用。桥 面铺装的病害直接影响到桥梁的外观、行车舒适性和安全性，此类桥梁桥面铺装病害 有多种类型，桥面铺装纵向裂缝是较为典型的病害。桥面铺装纵向裂缝在8 m1 3 m跨径的空心 板梁桥中最为集中。桥面铺装一 旦出现纵向裂缝， 将直接

4、削弱板梁间的横向联系，水分将沿铰缝下流，造成空心板梁边 角钢筋腐蚀。纵向裂缝严重的，将导致单梁受力的最不利状态，影响桥梁结构的安全运 营。如沪嘉南黄泥泾桥出现的断梁事故即为单梁受力状态受损所致。桥面铺装纵向裂缝的成因主要从设计和施工两方面进行分析。预制拼装的空心板梁桥 通过桥面混凝土铺装层、铰缝混凝土和少量的铰缝钢筋将空心板梁连为整体共同受力。 设计时认为铰缝只传递剪力，不承受弯矩，然而实际上空心板梁在主要承受纵向弯矩的 同时，还要承受一定的横向弯矩。这一横向弯矩主要靠铰缝顶面的混凝土铺装层来承担， 设计时未针对此力进行铺装设计。混凝土铺装层厚度小时，配筋较少的情况下（钢筋处 于铺装层中部时，

5、接近中心轴位置，对抗弯不起作用），纵向裂缝的出现不可避免。 小跨径板梁由于梁高较矮，梁的抗扭刚度较小，在重车通过时将产生较大的扭转变形， 产生较大的横向弯矩，因此更 容易出现铰缝损坏及桥面铺装纵向裂缝。施工过程中如果存在严重的质量问题，对桥面纵向裂缝的出现更是雪上加霜。施工中常 出现铺装层厚薄不均匀（有时为了调坡，甚至牺牲混凝土铺装层的厚度），桥面钢筋网 未按设计要求布设，钢筋网紧贴桥面，削弱了钢筋网的分布筋作用和承受荷载的能力;预留铰缝钢筋过短，锚固长度不足，浇注桥面混凝土前铰缝钢筋与板顶面紧贴， 导致 铰缝钢筋和混凝土的粘结力下降，在较大的梁问剪力作用下容易拉脱。1 . 2桥面渗漏水桥面渗

6、漏水的病害特征主要表现为墩台位置渗漏水、梁间铰缝位置渗漏水、梁底裂 缝渗漏水、梁底析白泛碱渗水等几个方面。通过实践经验和理论均表明混凝土桥梁的许 多病害与水有着密不可分的关系。如果没有水，碱骨料和膨胀骨料病害将不会出现，混 凝土的碳化将减缓，钢筋的锈蚀将减缓，氯离子对钢筋的腐蚀将停止。现场检测发现，漏 水部位的混凝土劣化明显，钢筋容易锈蚀暴露。可见水对混凝土构件耐久性能的显著影 响，水是桥梁耐久性病害的催生剂。因此，桥面渗漏水既是桥梁结构的典型病害特征， 又是应该给以足够重视的病害特征。桥面渗漏水的根本原因既为桥面防水层的破坏及排水系统的不完善，其成因有多个方 面。桥梁防水问题过去一直没有引起

7、足够重视，因为通常认为混凝土本身不怕水，钢 筋混凝土结构的桥梁无需防水。因此，桥面系的设计缺乏完善的排水系统，容易引起 桥面渗漏水。比如墩台位置渗漏水一般为伸缩缝和桥面连续止水功能丧失， 同时还有 桥面排水系统设计考虑不足引起，桥台伸缩缝两端及桥墩上栏杆接缝处未设挡水措施， 水直接沿桥台伸缩缝两端或桥墩上栏杆接缝处排向桥下，刚好被墩台帽两端挡块挡住，水 即从墩台顶部流下，多数桥梁都有此类病害特征。检测发现桥面连续构造防水措施的 设计也不够有效，几乎每座桥梁桥面连续处均存在漏水现象，桥面连续处由于受到负弯 矩作用容易发生开裂，因此此处的防水措施不容忽视。伸缩缝止水功能的丧失往往与养护 维修不及时

8、有关系，型钢伸缩缝中嵌入垃圾、石子等杂物不及时清理，被来往车辆碾压 后容易将橡胶止水带刺破，伸缩缝橡胶条老化破坏未及时更换也是漏水的原因。另外一些 简易的伸缩缝构造如沥青填缝、橡胶填缝、自然缝等不具备防水功能，新设计桥梁很 少使用，但在老桥中仍有不少存在。铰缝间渗漏水一般为铰缝损坏和桥面防水层破坏 所致。铰缝损坏和桥面纵向裂缝的产生具有相同的原因（既有设计，也有施工方面的原 因）， 因此铰缝漏水病害和桥面纵向裂缝一般对应出现。铰缝漏水容易引起板梁角部钢 筋的锈蚀。梁底裂缝渗漏水及梁底析白泛碱渗水首先是空心板梁空腔内有积水，然后积水从梁底 横向裂 缝或纵向裂缝 渗出，严重的将形成 石钟乳状C a

9、 C o，结晶。板梁空腔内积 水来源一般有两种，一种是墩台处渗漏水，然后水从梁端封头板处渗入梁内；一种是 梁顶板混凝土较薄或不密实，桥面防水层破坏后水从上部渗入。一般第一种情况比较普 遍，其渗漏水是由墩台处渗漏水和封头板不严密共同所致。桥面泄水孔的设置不合理，也会导致桥下构件遭受雨水侵蚀，不少桥梁其泄水孔一般 直接在栏杆缘石下开孔设置，桥面积水即使从泄水孔排出，也被倒钩流向板梁底，引 起边上几根梁经常遭受雨水侵蚀。总之，桥面渗漏水的原因兼有设计、施工和养护等各个方面的综合原因造成，但桥 面渗漏水对桥梁的耐久性的影响具有不可忽视的作用，因此必须引起各方的足够重视， 特别是桥梁设计工程师们的重视。

10、1 . 3钢筋锈蚀钢筋锈蚀是混凝土桥梁的常见病害，也是混凝土空心板梁桥比较典型的病害。上海市 混凝土空心板梁桥最常见的钢筋锈蚀病害为箍筋锈蚀裸露，可出现在桥墩、桥台、板 梁、栏杆等所有混凝土构件上。箍筋锈蚀露筋多出现在桥面渗漏水严重的位置，一般保 护层厚度较薄，混凝土不密实等，混凝土碳化及外界介质的侵蚀容易导致箍筋锈蚀膨胀，使表面混凝土剥离、剥落，最后导致露筋。箍筋锈蚀裸露不仅影响构件的耐久性，削 减 结构的有效截面，同时影响桥梁的外观，因此发 现此病害应及时给予除锈封闭。箍 筋锈蚀裸露主要和施工质量欠佳引起的保护层不足及桥面渗漏水有关。除了箍筋锈蚀裸露，也经常有板梁主筋锈蚀产生顺筋胀裂裂缝的

11、情况。根据对上海地 区的混 凝土空心板梁桥的检测经验，该类病害大多由于 保护层厚度不足及混凝土振捣不 密实所致（应归咎于施工质量），当混凝土碳化及有雨水侵蚀时，容易引起主钢筋锈胀 开裂。有时混凝土振捣不实引起的空洞可直接导致主筋裸露锈蚀。在海滨个别桥梁也发现 了由于氯离子浓度较高（直接用海水搅拌混凝土）引起钢筋锈蚀病害，但数量较少。上 海地区也发现了由膨胀集料发病引起混凝土大面积剥离、剥落，使主钢筋产生严重锈蚀 的病害，该病害主要由于集料在运输堆放过程中混入了氧化镁、氧化钙或硫酸盐的膨 胀集料，当这些集料遇到水分时即会产生缓慢膨胀，最后导致混凝土大片剥落、开裂， 同时导致钢筋锈蚀，更加加剧病害

12、程度，对桥梁的安全运营产生不利影响。箍筋锈蚀裸露一般对结构的安全使用影响不大，但主筋锈胀开裂应引起足够的重视。 钢筋在锈 蚀后，锈蚀产物体积膨胀，混凝土保护层出现顺筋裂缝，使钢筋与混凝土的 粘结力下降，钢筋截面面积减小，屈服强度降低。根据试验研究表明，钢筋在锈胀开 裂前，其强度和钢筋的握裹力与未锈蚀钢筋几乎没有区别，甚至其握裹力比未锈之前还有 所提高（由于锈蚀产物渗透人混凝土中，使钢筋和混凝土粘结更紧密），但钢筋锈胀使 混凝土开裂后，其锈蚀速度将迅速加快，和混凝土的粘结力也将严重下降，随着时间推 移，结构受力性能将进一步恶化，严重影响结构的耐久性能和安全性能。因此当发现 有主筋锈胀开裂，应及时

13、采取加固维修措施。1 . 4板梁裂缝钢筋混凝土空心板梁的裂缝主要表现为梁底横向裂缝和纵向顺筋裂缝。由于钢筋混凝 土构件设计时即考虑其带缝工作，因此其横向裂缝由于构件受弯而开裂，属于正常现象， 只要其横向裂缝宽度不超过规范允许的限值，一般不会引起主钢筋的锈蚀。但横向裂缝 过密和开裂过高（一般由超载引起），对主梁刚度的降低较为明显，主梁刚度降低会 引起其他连锁反应。比如梁端转角过大导致伸缩缝损坏，行车舒适度降低，铰缝间横 向弯矩增大更易引起铰缝损坏等。因此，当横向裂缝较密和开展较高时，虽然其宽度 不超出规范允许值，也应给予适当的加固以提高其刚度。纵向顺筋裂缝一般由主筋锈蚀 胀裂所致，由于钢筋锈蚀膨

14、胀的不均匀性，裂缝两侧通常有明显高差，有时左侧高于 右侧，有时右侧高于左侧。上节提到过，一旦钢筋锈蚀产生锈胀裂缝，其耐久性能将 迅速下降，因此一旦发现纵向顺筋锈胀裂缝，应立即给予处理，以防止病害的进一步 发展。预应力混凝土空心板梁的裂缝主要表现为梁底顺筋纵向裂缝。由于预应力的存 在，预应力空心板梁梁底很少出现横向裂缝，规范也要求全预应力构件不允许出现横 向裂缝。根据对上海市预应力混凝土空心板梁桥的检测经验表明，目前还未发现有跨中截 面位置出现横向裂缝的预应力混凝土板梁。有时会在梁端底部出现较短的横向裂缝，这 种裂缝出现与预应力钢筋的隔离长度设置不当及预应力放张过快有关，导致预应力筋端部 局部拉

15、应力过大而开裂。预应力混凝土板梁梁底顺筋纵向裂缝也分为几种情况：第一种是 发生在梁端的纵向裂缝，此处多数由于预应力放张过快，引起局部较大的压应力而使 梁端混凝土顺筋劈裂，有些施工单位在放张预应力筋时直接将钢筋切断，使应力突然释 放，梁端产生较大的局部压应力而导致混凝土顺筋开裂。第二种情况是发生在梁中部 的顺筋纵向裂缝，一般由于钢筋保护层厚度较薄，由预应力引起的横向泊松效应产生较大 的横向拉应力而使混凝土顺筋开裂。前两种裂缝两侧无明显高差，宽度一般较细，一般 不会引起钢筋锈蚀，但也应及时给予封闭。而第三种裂缝两侧有明显高差，此种裂缝 多为钢筋锈蚀膨胀导致顺筋开裂，其危害程度较大，应给予足够的重视

16、。由膨胀集料引起的裂缝较为少见，但上海市也有发现此类病害的桥梁。板梁底部有膨 胀骨 料散在分布时，板梁底面会产生放射状的裂缝， 膨胀严重时，将混凝土胀裂为 锥形剪切体而脱落。此类病害的危害前节已讲述过。个别预应力混凝土空心板梁底发现 有顺钢筋分布的斜向短裂缝，裂缝如撕裂状，分析原因为预应力钢筋放张时混凝土强 度不足所致，导致混凝土沿预应力筋撕裂。2 典型病害的防治策略针对这些病害的“防治”，应从两个层次去考虑，首先在于“防”。防病于未 然，即可延长桥梁的寿命，又在经济上节约了大量维护资金。预防工作应始终贯穿设 计、施工、养护的各个环节。过去的设计对结构的安全性考虑较多，而对结构的耐久性方面的关

17、心却较少。新的桥 梁规范已经在耐久性设计方面有了很大提高。比如混凝土最大氯离子含量、最大碱含量 的规定可有效防止氯离子侵蚀及碱骨料病害发生。以前对桥面铺装的设计仅把它作为不参 与受力的结构面层进行设计，实际上桥面铺装直接承受车辆轮压的作用，既是保护层， 又是受力层，必须有足够的强度、良好的整体性，同时还应具有防水性及其对温度变化 的适应。因此新规范对桥面铺装层的厚度、钢筋直径、钢筋网间距的规定都很严格，如 此大大提高了桥面铺装层的耐久性能。新规范对桥面防水层的规定也更为严格，防水层 由原来的据实际情况而定变为所有桥梁都应当设。我国桥梁工程中采用的防水层多由防水 涂料、胶体或卷材形成防水层。属于

18、物理防水，防水层的局部破损和老化，都会影 响防水效果。近几年来，国内外推广采用水泥 基渗透结晶型防水材料（如赛柏斯、中 核2 0 0 0 ）用于桥面防水层，其原理属于化学防水，该材料分为涂抹型和掺和型，其 防水效果显著。对于桥面排水设施，设计时就应考虑将雨水归集起来按照预设的管道流 入地下的排水设施，应避免雨水横流的现象，减少甚至避免桥面渗漏水的病害发生。针 对混凝土空心板梁桥应加强铰缝构造的设计，必须考虑铰缝构造除抗剪外还要抵抗横向 弯矩，特别是小跨径桥梁，其梁高较矮，抗扭刚度相对较小，必须加强铰缝横向抗弯 性能的设计，铰缝构造的加强可考虑铰缝处增设桥面铺装底部钢筋网，适当增加混凝土铺 装层

19、厚度，增加铰缝钢筋的配筋率，相邻板梁的铰缝钢筋可考虑焊接等。总之，从设计角 度主动考虑结构的耐久性能是提高结构寿命，预防病害发生的首要环节。施工质量的好坏直接决定桥梁病害发生的轻重和早晚，有的桥梁建成23 a就出 现了严重的病害特征，而有的桥梁运营了几十年后也未发现有明显病害，施工质量的好坏 是产生这种区别的重要原因。如果设计者考虑了结构的耐久性能设计，但没有良好的施 工质量，比如钢筋保护层厚度不足及混凝土振捣不密实，空心板梁的顶板厚度过薄，混 凝土的养生不足等等问题的存在，就不能将设计的思路完全表达出来，就不能起到预期 的效果。提高施工质量的重要措施就是加强施工过程的全程控制。施工过程的每一

20、个环节 应该由具有相应资质的单位认证（通过计算、检测、检验等手段）后方可进行下一环 节，直至完成整个工程。比如空心板梁主筋保护层厚度不足、顶板厚度较薄、封头板 封闭不严等问题，可在出场前进行检验合格后方可使用。施工质量的好坏直接关系到桥梁 的寿命长短，是预防病害发生的重要环节。养护不足也是桥梁病害发生发展的重要因素。目前的养护策略通常是病害发生以后才 采取对策，有时病害发生较严重时才给予重视，养护时间相对滞后，有些桥梁病害发 生以后很难治理（如氯离子侵蚀、碱骨料反应等），因此最佳的养护策略应该是“未 病先防”，在桥梁养护工作中采取预防性养护策略显得尤为重要。如果在设计、施工、养护各个环节都采取了必要的预防措施，则桥梁病害的发生 将大大延后，其耐久性寿命大大提高。但桥梁一旦出现了上述的典型病害，则应采取“既 病早治”的策略。针对上述典型病害的维修和治理，目前已有许多较为成熟的方法，在