严寒地区桥梁病害问题及养护策略研究

祝 龙

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110003)

公路上行车密度及车辆载重随着交通运输事业的快速发展急剧增大。由此许多桥梁病害问题逐渐突显出来，桥梁耐久性问题更加受到重视[1]。据统计数据可得，寒冷气候下的冻害和侵蚀环境的物理化学作用都是严寒地区桥梁病害的重要影响因素。严寒地区，桥梁工程冬季使用除冰盐，冻融、化冰导致的冷冲击和氯离子的渗透，加快了钢筋混凝土桥梁劣化的速度，使得新建桥梁几年内就需维修，大大缩短了桥梁的使用寿命。因此，及时发现现役桥梁的病害问题、采用合理的养护策略成为提高公路桥梁耐久性的重要途径之一。

目前，国内外科研工作者和技术人员围绕如何提升公路桥梁耐久性进行了大量的研究，总结桥梁常见的病害问题并提出了许多切实可行的桥梁养护策略。衡旭丹[2]针对在役桥梁既有病害持续扩展，影响混凝土桥梁结构耐久性问题，提出不中断交通情况下应用外部粘钢加固技术。结果表明，该技术可有效避免既有裂缝持续扩展，使钢板和既有桥梁结构形成共同受力体系，使桥梁结构承载力在短期内快速恢复，提升被加固构件刚度及抗裂性能。白山云等[3]主张对在役桥梁进行预防性养护，在桥梁未出现明显病害前采取相关养护措施来推迟病害的发展，延长桥梁的使用寿命。王迎军等[4]对目前我国桥梁预防性养护所存在的问题进行了详细的总结归纳并深入分析确定了桥梁在实行预防性养护过程中，部分具体的预防性养护内容和养护时机。

尽管，对于普通桥梁常见的病害问题及其成因和一些相应的养护策略已经有了较为丰富的研究资料，但对在役桥梁可靠性评估方面研究较为片面，对在役桥梁的安全性、适用性、耐久性方面的研究较少，与发达国家评估体系相比仍有一定差距，严重制约了我国桥梁基础设施可持续发展[5]。特别是针对于桥址处于严寒地区等特殊桥梁病害问题和防治方法的研究相对较少，这对该类桥梁的设计、施工和养护决策制定等均造成一定的困难，影响桥梁的耐久性和工程项目的可持续性[6]。因此，以辽宁省某高速公路实际桥梁工程为研究对象，通过外观缺损状况检查、材质状况来分析探究严寒地区桥梁的常见病害问题，提出切实可行的桥梁养护决策。

以我国辽宁省某高速公路桥梁为研究对象，桥梁均处于严寒气候地区，全年气温的最低值可达-34.4℃，温差变化大，因此可通过对该高速公路的检测结果分析了解桥梁处于严寒地区时的技术状况变化，为同类桥梁的设计提供一定的理论技术依据。

2021年辽宁省某高速公路定期检测桥梁主线桥共计235座15722.32m。本次定期检测结果显示：二类桥梁共计214座，占总数91.06%，三类桥梁共计21座，占总数8.94%。2021年匝道桥及外连接线检测13座646.597m，二类桥梁共计12座，占总数92.23%，三类桥梁1座，占总数7.77%。

通过对该段高速公路的桥梁进行实地检测，发现空心板板底纵向裂缝超限或含纵向裂缝的板较多，存在预应力混凝土T梁纵向裂缝、支座脱空或老化或锈蚀病害、桥面铺装破损、墩台顶纵向裂缝等病害。与其他地区桥梁相比，处于严寒地区的桥梁病害发展更为严重。下面选取了检测过程中的重点病害，并分析了病害的发生原因。

2.1 混凝土开裂病害

通过对248座桥梁的检测发现其中90%以上桥梁的梁底存在纵向裂缝，其中纵向裂缝超限的桥梁共16座，占比6.5%；
存在墩台顶纵向裂缝的桥梁有6座，占比2.4%。如图1所示为该段桥梁混凝土开裂病害情况。

辽宁省地处严寒地区，一年四季最大气温差可达60℃，该区桥梁所处的自然环境更为恶劣。混凝土对温度变化更为敏感，热胀冷缩性质明显。曹国辉等[7]通过对混凝土体内、外收缩应变测试，得到混凝土试件体内、外收缩应变拟合曲线，如图2所示。

图2 混凝土试件体内、外收缩应变拟合曲线

由图2可知，随时间的增加，混凝土体内、外收缩应变的增长速率均减小，对收缩应变值而言，体内收缩应变更小。故当环境温度发生变化时，由混凝土中心向外的不同部位产生拉应力不同，当外部混凝土拉应力超过其极限拉应力后就会产生温度裂缝。对于严寒地区的桥梁来说，这种由于环境温度大幅变化造成的混凝土开裂现象是不容忽视的。偶遇大雪，为恢复交通，采用除冰盐除冰化雪，从而形成氯盐环境，高浓度氯离子不但使混凝土表面粉化掉皮，而且氯离子沿温度裂缝侵入混凝土结构内部，会加快混凝土结构的裂缝发展，对桥梁造成锈蚀和冻融破坏，对桥梁结构造成不可逆的伤害，影响桥梁结构的耐久性。

2.2 支座病害

普通板式橡胶支座作为我国公路钢筋混凝土梁桥体系中的重要支承构件，其老化力学性能可影响局部甚至整体结构的刚度和受力均匀性及服役桥梁结构的安全性。通过对248座桥梁的检测发现，全部桥梁的支座均存在不同程度的老化，其中支座病害严重的桥梁共10座，占比4.0%。支座主要病害类型如图3所示。

图3 支座病害

在桥梁施工过程中，可能会因为梁端垫石强度过低、标高不准确或不平导致支座上部脱空；
桥体建成后，支座橡胶材料受严寒地区大幅降温影响收缩，使支座发生脱空现象，削弱对梁体的支撑作用；
再者冬季使用含有氯离子的除雪剂人为创造了含氯离子的环境，会加快钢板的锈蚀，影响其刚度。发生病害的支座改变上部结构的受力状态，威胁桥梁结构安全、稳定和耐久性能。

2.3 桥面铺装破损

在对该段桥梁桥面系进行检测时发现：铺装局部变形、破损，伸缩缝处堵塞、失效，占比较大。图4(a)、图4(b)所示为铺装层变形、破损病害，图4(c)、图4(d)为伸缩缝堵塞、失效病害情况。

图4 桥面铺装破损

在桥梁服役过程中，桥面直接暴露于自然环境中，直接与雨水、积雪等相接触，加之人或机动车辆等荷载直接作用，也会对其产生摩擦作用造成一定的损伤。又考虑到严寒地区沥青混凝土的温缩作用，梁间纵向松动引起的反射裂缝，车辆渠化交通的反复作用会使桥面铺装产生顺桥向的裂缝；
墩顶桥面连续铺装处的反射裂缝会影响沥青表面的平整度，而交通的反复作用会使桥面产生横向裂缝。加之严寒地区冬季将大量使用含有氯离子的除雪剂而造成桥面铺装的进一步腐蚀。因此，相对于普通桥梁而言，桥址处于严寒沿海地区桥梁的桥面将更容易发生铺装层病害。

根据以上分析，作者综合考虑严寒地区的环境特点与桥梁养护技术，提出针对严寒地区桥梁的病害预防和养护策略，以提高桥梁结构的安全、稳定和耐久性，减少桥梁事故的发生。

(1)尽可能应用高性能混凝土：由于严寒地区温差大，存在季节性氯离子含量高的问题，故提高混凝土本身材料性质可作为解决严寒地区桥梁病害问题的方法。因此在设计阶段，应对桥址地的气候环境做好调查，然后根据确定的主要侵蚀因素来选择混凝土的水胶比和掺合料的掺量及比例，提高混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性能。

(2)为了节省成本，需要根据桥梁各构件的结构功能，对桥梁不同部位进行混凝土专项设计，并及时关注混凝土电通量和含气量等参数。在施工阶段应该严格按照相关要求进行混凝土的浇注和养护工作，并及时对完成段进行相关参数监测，并在发现问题后及时停工整改。

(3)及时对现有混凝土病害进行处理：对宽度较大的混凝土开裂缝隙进行注胶封闭，对宽度较小的开裂可采用涂胶封闭的措施，切忌使混凝土裂缝直接暴露于大气环境中。对存在表面混凝土缺陷(蜂窝麻面、剥落、掉角等)的梁体，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对病害部位及时进行修补。如破损部位存在锈蚀钢筋，在凿除老化混凝土后，及时进行人工除锈。

(4)保证桥面排水顺畅：由于桥梁所在地区为严寒地区，冬季积雪严重，所以应对桥面系的排水进行合理的优化设计，根据桥址所处环境对桥面倾角和泄水管道等进行专项设计，如有发现排水设施损坏应当及时补修。

通过对某实际工程进行检测并分析讨论了严寒地区桥梁的主要病害及成因，结合检测结果和现有的桥梁养护技术提出了较为合理的适应该类桥梁的养护策略，具体结论如下：

(1)严寒地区桥梁的常见病害主要有：混凝土开裂、支座锈蚀脱空老化和桥面铺装病害等。

(2)对严寒地区桥梁病害整理归纳，综合桥梁现状和现有数据分析成因，发现较普通桥梁而言，其产生病害的原因是错综复杂的，故只有认真分析出重点成因，才能抓住重点，采取应对措施，减少病害的进一步恶化或产生。

(3)严寒地区桥梁的养护策略应该根据桥址所处气候环境进行有针对性的调整，依据桥梁的使用性能对桥梁进行及时维护，防止桥梁出现大的问题。定期对桥梁进行检测，对病害早发现、早处理，并选择合适的方案进行维修，确保施工质量。建议对于桥梁养护应以预防为主、防治结合的原则进行。