沿江桥墩柱腐蚀病害处治方法研究

孙沪，牛峰，王晓微

（1.浙江交工集团股份有限公司，杭州 310024；2.浙江交投高速公路运营管理有限公司，杭州 310024）

1 引言

钢筋混凝土桥墩腐蚀受多因素影响，如混凝土碳化、冻融破坏、钢筋锈蚀等，其中钢筋锈蚀又由有害离子等通过混凝土裂缝渗入。钢筋混凝土桥墩腐蚀灾害处治需对墩柱周遭环境进行考量，并因地制宜提出灾害处治方法关键技术。

黄可[1]针对钢筋混凝土损伤，提出一种钢筋混凝土损伤的预测技术，并利用仿真技术对其进行了证实；贾纯斌[2]对钢筋在公路桥梁施工中的腐蚀因素和处理措施进行了讨论；李承昌[3]等人对国内外的混凝土桥梁腐蚀现状进行了总结；梁卫军[4]依托海燕大桥养护工程，对钢筋腐蚀的检测方法及加固技术措施进行了探讨。

依托某实际运营沿江桥梁工程，在对其巡检查中发现39#墩柱4 根立柱出现多条密集竖向裂缝、钢筋锈胀和混凝土剥落病害。对墩柱病害进行成因分析后，结合有限元软件对桥梁墩柱加固前后进行承载能力比较，研究得到桥梁墩柱加固处治方案。

2 项目背景

2.1 桥梁概况

某实际运营沿江桥梁，中心桩号K101+439.7，左幅桥梁全长4816.5 m，跨径组合：4×30 m+7×（5×30 m）+13×（6×30 m）+5×30 m+6×30 m+6×（4×35 m）+3×35 m+25 m；右幅桥梁全长4 796.5 m，跨径组合：4×30 m+7×（5×30 m）+13×（6×30m）+4×30 m+6×30 m+7×4×35 m，左右幅均为30 联。桥面全宽24m，桥面净宽21.5 m，荷载等级为汽-超20，挂-120。

上部结构为先简支后连续预应力小箱梁，支座采用板式橡胶支座。下部结构：左幅156#台、右幅155#台采用肋式台，钻孔桩基础；0#台采用桩柱式台，钻孔桩基础。墩台采用C30混凝土（右幅152#墩及左幅154#墩采用C50 混凝土）。

2.2 桥梁病害情况

在对此桥日常巡检查中发现39#墩4 根立柱出现多条密集竖向裂缝，并伴有钢筋锈胀、混凝土剥落等病害，见图1。随即对其进行应急检查，并及时对墩柱裂缝进行加固设计。

图1 39#墩柱立柱裂缝病害原状照片

对桥墩柱外观进行检查时发现，其左幅39-1#、右幅39-2#立柱共计29 条竖向裂缝，1 条横向裂缝，裂缝最长350 cm，最宽2.10 mm，裂缝所在区域敲击存在空鼓且内部钢筋锈蚀严重，空鼓面积为15.1 m2。

对混凝土保护层厚度进行无损检查，选取5 个测区，其中裂缝区域外1 处：保护层厚度影响不显著。裂缝区域内4 处：2处钢筋易失去碱性保护，发生锈蚀；1 处有影响；1 处有较大影响。对混凝土碳化情况进行检查，选取5 个测区（裂缝区域内外均有）：混凝土碳化影响程度轻微。对桥墩柱进行混凝土强度检查，选取3 个测区，其中裂缝区域外1 处：状况良好。裂缝区域内2 处，判断桥墩柱状况危险。

由于土体酸碱度对混凝土桥墩柱的腐蚀影响较大，故对其进行酸碱度的测试。初取3 个测区（右幅39-2#立柱周边土体）：pH1=7；pH2=7；pH3≈6。进一步委托专业单位对土样3 送检分析：pH1=6.4；pH2=6.85，土样3 不属于腐蚀性危险废物。

3 桥梁病害成因分析

为探究墩柱的腐蚀原因，对其周边进行了走访、对其周遭土体进行送检，并考察了实地的情况，可得到以下原因。

1）墩柱附近早期曾设有私家简易化工厂，将废渣废土倾倒至此。目前，根据墩柱现状仍可见当初土体掩埋痕迹线，判断墩柱受腐蚀土体影响较大。

2）桥梁墩柱被倾倒的腐蚀土体裹覆后，由于土体未经压实，呈自然松散状态，加之不定期的雨水使得土体干湿交替，酸性物质的入侵使钢筋的钝化膜失去保护作用发生锈蚀。

3）墩柱附近堆土随着时间增加，经常年雨水稀释酸性逐渐减弱；坡脚经瓯江水位升降变化，不断冲刷，堆土逐渐降低，墩柱逐渐外露。受上游水库水位调控影响，桥梁墩柱病害位置处在干湿交替区域，更加提高了钢筋混凝土墩柱锈蚀开裂的风险。

故综上所述，本次墩柱同时具备了酸性物质（酸性土体+空气中的二氧化碳）、水（墩柱被裹覆的土体中含有不定期雨水）和氧气（墩柱被裹覆的土体不密实，空气充足）3 个条件，钢筋大面积锈胀，混凝土发生开裂。酸性土体是钢筋锈胀的直接原因，破坏了钢筋表面的钝化膜。

4 桥梁墩柱承载力计算

4.1 结构验算

对墩柱进行结构验算，结合JTG 3362－2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5]5.3.1，其正截面抗压承载力应符合下列规定：

式中，γ0为桥涵结构的重要性系数，按桥涵结构设计安全等级，一级、二级、三级分别取用1.1、1.0、0.9，桥涵结构设计安全等级应符合现行JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》的规定；Nd为轴向力设计值；φ 为轴压构件稳定系数；A 为构件毛截面面积，当纵向钢筋配筋率大于3%时，A 应改用An=A-A′s；A′s为全部纵向钢筋的截面面积；fcd为混凝土轴心抗压强度设计值；f′sd为普通钢筋抗压强度设计值。

其中，γ0=1.1；Nd=5 413.5 kN；fcd=11.5 MPa；f′sd=330 MPa；A=2.27×106mm2；A′s=14 778 mm2。

由此可知，桥梁墩柱承载能力能满足规范抗压要求，但是不能满足耐久性要求，应对墩柱腐蚀区域进行补强加固。

4.2 有限元计算

结合桥梁墩柱病害成因分析，本次加固采用钢护筒增大截面法处治方案。为对比桥梁墩柱加固处治前后的承载能力，本次采用有限元软件进行模拟分析。

4.2.1 模型建立

桥梁墩柱模型使用有限元软件对其受力情况进行模拟，其中边梁荷载等效为集中荷载2 232 kN，中梁荷载等效为集中荷载2 150 kN，如图2 所示。

图2 荷载施加图

图3 为有限元模型，墩柱底约束假设为XYZ 三相约束，盖梁约束为侧向约束。墩柱、盖梁、钢护筒均采用缩减积分单元C3D8r；墩柱与盖梁、钢护筒与墩柱间均采用Tie 约束；墩柱内部钢筋笼采用桁架单元T3D2，以Embedded region 功能嵌入墩柱和盖梁中。

图3 单元划分图

由于模拟的是桥梁在运营期受力状况，故盖梁、墩柱、钢护筒、钢筋笼采用弹性本构，输入参数如表1 所示。

表1 输入参数

4.2.2 受力分析

图4 和图5 为墩柱在有无钢护筒下的应力分布情况，无钢护筒墩柱应力分布为两边大中间小，且在离柱底h/4（h为柱高）内应力较大，且变化幅度较大；而有钢护筒墩柱应力分布在离柱底7 m 范围内应力较小，且较为均衡，这是由于钢护筒的约束，使得在这一段高度内立柱的应变较小，导致其应力较小。

图4 无钢护筒墩柱应力

图5 有钢护筒墩柱应力

综上所述，桥梁墩柱采用钢护筒增大截面法处治可有效增加桥梁墩柱的抗压承载能力。

5 桥梁墩柱加固处治方案研究

针对墩柱病害情况，结合病害成因分析以及有限元计算结果，研究得到以下桥梁墩柱加固设计方案：

（1）对周边有害土体进行及时清理；（2）对墩柱裂缝区域混凝土空鼓部位进行凿除，直至坚硬面，并对锈蚀的原钢筋进行除锈；（3）对墩柱锈蚀钢筋采用焊接钢筋网进行补强；（4）补强钢筋焊接后，采用钢护筒内灌高强无收缩微膨胀水泥基灌浆料进行增大截面法处治加固；（5）为防止钢护筒锈蚀，钢护筒外表面采用环氧富锌底漆+氟碳面漆进行钢护筒防腐处治。图6 为39#墩柱加固示意图。

图6 39#墩柱加固示意图（单位：cm）

6 结论及建议

本文依托某实际运营沿江桥梁工程，在对其巡检查中发现多根墩柱出现裂缝。对墩柱裂缝进行加固设计，并利用有限元软件对其承载能力进行了分析，得到了以下结论及建议。

1）利用有限元分析软件，对墩柱处治前后的应力分布情况以及结构单元畸变情况进行分析，得到墩柱采用钢护筒增大截面法加固可有效提高桥墩抗压承载能力。

2）为提高桥梁墩柱抗压承载能力和墩柱耐久性，提出了对腐蚀桥梁墩柱采用“补强钢筋+钢护筒”的增大截面法加固处治方案。

3）建议对于运营桥梁应加强桥墩附近的堆土巡查，尤其应关注桥墩附近腐蚀土体对钢筋混凝土墩柱的不利影响。