河橋T形梁裂縫修補措施淺談

樊 晉

(中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西西安710000)

預應力混凝土梁在水利水電工程及橋梁工程中廣泛應用,混凝土的破壞是以混凝土出現裂縫為先兆的混凝土自身的破壞,所以工程裂縫是一個具有普遍性的技術問題[1],科技工作者在對預應力混凝土梁的裂縫研究方面的成果也不少,在工程實踐中發揮了重要的作用[2～8]。裂縫是混凝土結構普遍出現的現象,裂縫產生的原因一般可分為兩種[2]:一是由變形引起的,也稱非結構性裂縫,指變形得不到滿足,在構件內部產生自應力,當自應力超過混凝土容許應力時,引起混凝土開裂;二是由外荷載引起的裂縫,也稱結構性裂縫,表示結構承載力可能不足或存在嚴重問題。非結構性裂縫產生的原因有多方面,如施工不當、溫度變化、混凝土凝固過程中因收縮等等。結合湖北竹山縣潘口河橋工程的實際情況,河橋工程T形梁裂縫屬于支撐臺座基礎兩側不均勻下沉引起的結構性裂縫。

1 工程概況

潘口河橋橋址位于潘口河口上游約200 m處,距電站廠房約400 m,在電站施工期間承擔左岸施工交通運輸任務,電站建成后作為永久左岸上壩交通使用。潘口河橋以襄關省道為起點,左岸上壩公路為終點,且與兩端道路順接,橋長63.5 m,橋寬11 m(9m行車道+2×1m人行道),設計荷載汽—60級、特掛—200級。橋跨布置由一跨38 m長的預應力鋼筋混凝土T形梁橋和一跨12 m的鋼筋混凝土肋板梁組成。

河橋上部構造為一跨38 m長后張預應力鋼筋混凝土T形梁,橋面寬為11 m,橋跨布置為5 m×38 m簡支結構,橫向布置5片T形梁,其中3片中梁,2片邊梁,梁高2.5m,38m T形梁采用C50預制混凝土。是按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTGD62-2004標準,采用5-7Ф 5的鋼絞線,預制成具有高強度低松弛的預應力混凝土大梁。

2 T形梁裂縫處理方案

根據裂縫的成因情況,一般可將裂縫分為兩種類型[6]:一類是由于材料、氣候等造成的一般塑性收縮裂縫、干縮裂縫等,這類裂縫一般對承載力影響較小,可作一般處理或不處理;另一類裂縫明顯影響了梁的承載能力,隨著裂縫的擴展和延伸,鋼筋達到屈服強度,受壓區混凝土應變量增大,梁剛度大大降低,構件趨向破壞,此類裂縫必須及早采取加固補強,以滿足結構安全需要。該T形梁裂縫是屬于施工前期降雨影響造成。由于中梁混凝土澆注前連續幾天降雨,混凝土澆筑后第三天在距T形梁一端16 m處發現一條裂縫,裂縫呈橫向分布,延伸到兩側翼板邊緣,裂縫寬度為1 mm,并向梁下部腹板兩側延伸0.8 m,如不進行修補處理,此梁將無法投入正常使用。經后續觀察,該裂縫發展變化不大,用水準儀觀測T形梁臺座水平度,臺座兩側下沉約2 cm～3 cm,裂縫是由于T形梁臺座基礎不均勻下沉引起。由于潘口河汛期已至,為了趕在洪水到來之前保證潘口河橋通車,將該跨T形梁報廢重新預制時間已經不允許,同時也會造成較大的經濟損失,經專家論證,并考慮預制預應力T形梁結構的特點,確定采用具有一定的變形性能粘結補強材料進行修補的處理方案——采用填充法[6],即沿裂縫混凝土表面鑿成一定寬度、深度的梯形槽,使用柔性環氧砂漿及環氧混凝土材料進行填充。

3 修補材料

3.1 修補材料的選擇

T形梁設計年限為100 a,設計荷載為汽—60級、特掛—200級,要求粘結補強材料必須滿足如下條件:

(1)粘結補強材料的抗壓、抗拉強度必須要大于T形梁C50混凝土的設計強度。

(2)粘結補強材料必須與原T形梁混凝土粘結牢固,并要與原混凝土形成一個整體。

(3)必須具有與原混凝土相近的變形性能,不能因T形梁裂縫修補后進行張拉時,修補部位因受拉力而出現二次裂縫。

(4)粘結補強材料的有效期限必須大于T形梁設計年限。

為了滿足T形梁裂縫修補的要求,決定采用本身強度較高,并具一定的變形性能,而且與原混凝土粘結牢固的柔性環氧砂漿及環氧混凝土來進行修補。

3.2 修補材料的性能

配制后的柔性環氧砂漿及環氧混凝土的性能決定于配方中所采用的固化劑的性能。使用改性固化劑加入少量的丁晴橡膠,克服了原采用乙二胺為固化劑配制的環氧砂漿及環氧混凝土毒性大、放熱量大、反應速度快,固化后質硬脆,且施工中要求干燥、忌水等缺點,用改性固化劑及丁晴橡膠配制出的環氧砂漿及環氧混凝土具有許多優良性能,毒性甚微,反應速度慢,利于施工,并且該材料粘結力強,可與原混凝土粘結牢固,形成一個整體,不影響原混凝土的整體結構及承載力,另外由于在配方中加入了少量的丁晴橡膠,配制出的環氧砂漿及環氧混凝土具有一定的柔性及韌性,提高了粘結補強材料的極限變形性能,使它能夠滿足對T形梁修補后進行后張拉的要求,粘結補強材料力學性能見表1。

表1 粘結補強材料及C50混凝土力學性能

由上述指標可見,這種修補材料的力學性能比C50混凝土的抗壓強度及抗拉強度高,并且與混凝土粘結力強,且具有一定的韌性,因此它完全可以滿足大梁C50混凝土裂縫修補的要求。

3.3 修補方案

對翼板及腹板兩側出現的裂縫,沿裂縫鑿開寬20 cm,深10 cm的梯形槽,采用柔性環氧砂漿及環氧混凝土處理。為減少裂縫處在張拉過程中出現的應力集中,故在腹板頂部裂縫左右各50 cm內范圍鑿開寬20 cm,深約5 cm的梯形槽,露出腹板鋼筋,槽內布置了3根1 m長Φ 12鋼筋,與腹板鋼筋點焊,然后用柔性環氧砂漿及環氧混凝土填充平。T形梁修補平面示意圖見圖1、T形梁裂縫剖面見圖2。

圖1 T形梁修補示意圖

圖2 T形梁裂縫剖面

4 施工工藝

施工工藝與修補材料同等重要,在施工中確定修補材料的適宜配方后,要特別注意施工工藝,否則粘結補強就達不到預期的效果,因此要嚴格按照施工工藝進行施工,以確保修補后的質量。

施工工藝:

(1)將配制環氧砂漿及環氧混凝土所需的砂和小石洗凈、曬干。

(2)被粘面的處理,按照修補方案將T形梁翼板頂面、腹板頂面與側面鑿開成梯形槽,將鑿開的混凝土表面的疏松層清除掉,露出堅硬、牢固的混凝土面,并用高壓風槍將混凝土表面的碎屑、灰塵等雜物沖凈。要求被粘面一定要保持干凈,漏出鋼筋部位要除去鋼筋上的鐵銹及其它雜物。

(3)修補步驟:在修補前,首先在被修補面上涂刷清洗劑,以清除表面細小顆粒,然后均勻涂抹一層環氧基液,厚度控制在0.5～1.0 mm,等候15～20 min后涂抹一層厚5～10 mm的環氧砂漿,中間分層填充環氧混凝土并摻入適量的鋼纖維,每次填充約5 cm左右,分層插搗密實,用力擠壓,最后填充1 cm左右的環氧砂漿(見圖3),表面拍打密實平整,排出內部氣泡至泛出漿液,然后用塑料薄膜覆蓋。

圖3 梯形槽填充材料典型剖面

(4)修補后固化24 h即可拆模,2 d后可達到預期強度,T形梁張拉即可進行。

5 裂縫修補后試驗檢測

T形梁裂縫修補后,為了檢測橋跨結構的實際承載能力,結構變形及抗裂標準是否滿足有關技術規范要求,邀請了武漢理工大學交通學院武漢港灣工程質量檢測中心對T形梁進行了張拉,并對河橋作了靜載與動載試驗。

5.1 裂縫修補后T形梁的張拉與架設

6月15日完成T形梁的粘結補強,6月19日完成了中梁的張拉,張拉過程中嚴格按照設計張拉力進行,T形梁裂縫的修補處未出現二次拉縫現象,T形梁張拉后反拱值為3.9 cm,設計反拱值為4 cm,滿足設計要求。現場觀察,T形梁在移動架設過程中,修補部位完好。

5.2 靜載試驗

(1)裂縫修補部位觀測在橋梁荷載試驗期間,采用專人觀察橋梁跨中以及支座附近等承受彎矩和剪力比較大的部位,在整個加載試驗過程中,沒有二次裂縫的出現。

(2)撓度測試撓度測點選擇各跨的L/4、L/2和3L/4處,采用精密水準儀測量,結果見表2。將觀測數據與理論計算值進行比較分析,結合撓度校驗系數,得出檢測結果為:中梁橋跨結構的豎向剛度滿足設計規范要求,且表中其剛度儲備比較充分,說明該梁處于彈性工作狀態。

表2 撓度、應變實測值與理論值比較

(3)應變測試結果見表2,根據應變測量值與理論值進行比對,得出中梁簡支結構的抗剪強度和承載能力均滿足設計要求。

5.3 動載試驗

(1)通過脈動試驗、跑車試驗、跳車試驗、剎車試驗,運用CRAS隨機信號與振動分析系統,進行橋梁動力特性分析。獲得結構的前2階固有頻率,其中第一階振動頻率為4.000 Hz,大于計算值3.562 Hz,第二階振動頻率為14.375 Hz,大于計算值14.25 Hz,表明橋梁具有良好的動力特性。

(2)實測沖擊系數為0.19,與理論計算值0.22較接近。

6 結 語

對潘口河橋T形梁裂縫粘結補強處理后,修補處的強度達到設計要求。采用后張法對T形梁進行張拉,在裂縫修補處受到拉應力作用,在受拉過程中再無裂縫出現。梁在使用過程中,由于修補裂縫處在T形梁靠翼緣側,此處受到是壓應力,修補處在受壓過程中無裂縫出現。從梁裂縫處理后的受力分析來看,無論是受壓還是受拉,修補處均無裂縫出現。靜載及動載試驗結果表明,此橋的承載力、結構變形及抗裂標準均達到了技術規范要求,可以交付使用。

對于結構較單薄的鋼筋混凝土構件,如預制板梁構件、現澆鋼筋混凝土梁板構件、混凝土面板等,在發生裂縫后,可借鑒潘口河橋T形梁裂縫粘結補強的處理經驗,對構件裂縫進行粘結補強處理,使其達到使用目的。

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