高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁裂縫加固技術(shù)

張 莉

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 大同 037006)

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)憑借跨徑大、承載能力強(qiáng)、抗彎及抗扭剛度高等優(yōu)勢(shì)成為橋梁施工領(lǐng)域最常用的截面形式之一；但是，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的腹板結(jié)構(gòu)占據(jù)了主梁自重的40%以上，為了克服腹板自重過大造成的主梁自重大、跨越能力受限等問題，混凝土—波紋鋼腹板組合箱梁應(yīng)運(yùn)而生，組合梁頂板由混凝土結(jié)構(gòu)澆筑，腹板結(jié)構(gòu)采用鋼制腹板，腹板與頂板翼緣采用剪力連接鍵相連，通過剪力連接鍵傳遞二者承載過程中的剪力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)變形。為了提升組合梁的承載能力，借助體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，使主梁產(chǎn)生一定程度的預(yù)拱度；此外，組合梁在荷載作用下箱梁腹板在軸向不存在抵抗荷載，能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土翼緣板應(yīng)力的優(yōu)化分布，提升預(yù)應(yīng)力使用效率。文章以省內(nèi)某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁施工項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析了在外荷載作用下組合梁開裂問題，并針對(duì)性提出了組合梁的裂縫加固措施。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)體系

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁整體構(gòu)造

混凝土—波紋鋼腹板組合箱梁結(jié)構(gòu)體系兼具混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)體系的雙重優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛使用的一種組合梁結(jié)構(gòu)體系，和傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)體系相比較而言，組合梁體系的差異在于將傳統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)體系拆分為兩個(gè)組合結(jié)構(gòu)體系，充分發(fā)揮了兩種體系的性能優(yōu)勢(shì)，采用波紋鋼腹板代替混凝土腹板，組合梁截面由混凝土頂板、翼緣、鋼制腹板及橫隔板共同組成，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土腹板，由于腹板采用波紋鋼板，無法在內(nèi)部穿孔布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，因此，采用體外預(yù)應(yīng)力法施加預(yù)應(yīng)力。圖1為組合梁構(gòu)造示意圖。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁優(yōu)勢(shì)及缺陷

預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁采用組合式結(jié)構(gòu)形式，采用抗剪連接鍵將混凝土結(jié)構(gòu)和波紋鋼板相連接，充分發(fā)揮了二者的性能優(yōu)勢(shì)，顯著降低了預(yù)應(yīng)力全梁的自重，提升了主梁的跨越能力，在保證承載能力的基礎(chǔ)上，提高了主梁的穩(wěn)定性和變形剛度，和傳統(tǒng)的混凝土箱梁相比，波紋鋼腹板代替混凝土腹板，主梁自重顯著降低，跨越能力得到提升；此外，和傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)相比，在地震等激振荷載作用下，結(jié)構(gòu)抗震性能提升明顯。由于結(jié)構(gòu)體系采用半裝配半現(xiàn)澆式，波紋鋼腹板可以在工廠內(nèi)預(yù)制完成，提升了施工效率。組合箱梁充分發(fā)揮了混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和波紋鋼板的抗剪強(qiáng)度。但是，組合梁的施工精度控制比傳統(tǒng)的混凝土澆筑施工難度高，且二者依靠剪力連接鍵相連，在荷載變形過程中，容易在連接鍵周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，進(jìn)而引起局部開裂。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁裂縫特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力組合箱梁的結(jié)構(gòu)裂縫種類繁多，由于某些裂縫并不是由于單一原因引起的，很多結(jié)構(gòu)裂縫是眾多因素共同作用的結(jié)果，但從大量的裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，組合梁的裂縫分布具有一定的規(guī)律。文章以省內(nèi)某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁加固施工項(xiàng)目為案例，分析了幾種常見的結(jié)構(gòu)裂縫。

1)波紋鋼腹板主拉應(yīng)力斜裂縫。在組合梁中，彎剪位置存在彎矩和剪力，該區(qū)域的受力情況較為復(fù)雜，此外，在組合梁連接鍵位置，由于接觸面積較小，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，因此，該位置也是最容易出現(xiàn)開裂的位置，在彎矩、剪力及局部集中應(yīng)力的耦合作用下，若波紋鋼板的抗剪能力不滿足要求，將導(dǎo)致鋼板的主拉應(yīng)力值大于鋼板抗拉強(qiáng)度值，引起斜向的毛刺開裂，斜裂縫呈斜向45°發(fā)展，主要分布在距離支座1/4跨徑位置。

2)預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁邊跨位置的橫向裂縫。在組合梁翼緣板澆筑過程中，邊跨頂板位置最容易出現(xiàn)橫向開裂。由于上部荷載和組合梁協(xié)調(diào)變形過程中剪力連接鍵位置的應(yīng)力復(fù)雜性，導(dǎo)致組合梁現(xiàn)澆翼緣板的受力極其復(fù)雜，在組合梁由簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的體系變化過程中，在連接鍵位置應(yīng)力集中效應(yīng)下，將出現(xiàn)較為密集的橫向裂縫。

3)由于豎向應(yīng)力引起的腹板位置水平向裂縫。在預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁中，如果頂板混凝土結(jié)構(gòu)的配筋率較低，但是底板的配筋率較高時(shí)，將沿腹板縱向出現(xiàn)均勻開裂病害，裂縫大部分分布在邊跨支座和全跨的1/4～3/4范圍內(nèi)，由于該截面位置的截面面積較小，在較高應(yīng)力水平作用下，開裂風(fēng)險(xiǎn)更高。圖2為三種常見的裂縫分布情況。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁裂縫加固常用技術(shù)

橋梁結(jié)構(gòu)裂縫是橋梁各種病害中最普遍和最常見的一類，對(duì)于組合箱梁而言，頂板混凝土結(jié)構(gòu)裂縫將影響頂板的整體剛度和混凝土保護(hù)性能，外界腐蝕性物質(zhì)將通過裂縫滲透到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使鋼筋銹蝕，影響頂板承載能力；鋼腹板長期帶裂縫工作將增加腹板脆性斷裂和失穩(wěn)的可能性，對(duì)主梁的抗彎及抗剪承載埋下巨大安全隱患。因此，必須對(duì)帶裂縫組合箱梁進(jìn)行必要的加固，恢復(fù)主梁彎剪承載能力。本文以省內(nèi)某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁加固施工項(xiàng)目為案例，分析了幾種常見的裂縫加固補(bǔ)強(qiáng)措施。

3.1 混凝土灌漿加固法

灌漿法是混凝土開裂處治中常用的加固技術(shù)之一，其目的是強(qiáng)化組合梁頂板的薄弱位置。灌漿法將水泥砂漿、環(huán)氧樹脂等均勻混合后的材料直接灌入開裂頂板內(nèi)，以起到修補(bǔ)頂板和翼緣裂縫的目的。灌漿法直接將粘合劑灌入到混凝土裂縫中，提升混凝土板的整體性，此外，通過密封裂縫可以起到完全阻隔外部環(huán)境的作用，防止各種侵蝕性雜質(zhì)通過裂縫侵入到裂縫內(nèi)，起到保護(hù)鋼筋，延緩鋼筋銹蝕的目的。灌漿法適用于混凝土板裂縫寬度介于0.25 mm～0.35 mm的情況下。灌漿施工過程中直接關(guān)系到灌漿加固處理的成敗，為了保證灌漿加固施工質(zhì)量，應(yīng)采用專業(yè)的灌漿機(jī)或者壓力式灌漿設(shè)備，考慮到本工程項(xiàng)目中，混凝土頂板部分區(qū)域的開裂屬于輕微開裂，可以考慮使用人工手動(dòng)灌漿法。灌漿加固必須遵循自上而下的流程，保證順橋向的連續(xù)灌漿施工，且灌漿設(shè)備壓力值應(yīng)控制在0.55 MPa～0.65 MPa之間。

3.2 腹板粘鋼加固法

粘鋼加固法是波紋鋼腹板最主要的加固施工技術(shù)之一。采用專用的建筑結(jié)構(gòu)膠將加固鋼板和原波紋鋼腹板粘貼，實(shí)現(xiàn)二者之間的共同、協(xié)調(diào)受力，粘鋼加固法提升了波紋鋼腹板結(jié)構(gòu)的整體剛度及承載能力，改善波紋鋼腹板的應(yīng)力狀態(tài)，限制波紋鋼腹板的進(jìn)一步發(fā)展。粘鋼加固法，在實(shí)現(xiàn)受拉區(qū)補(bǔ)強(qiáng)的基礎(chǔ)上，通過建筑結(jié)構(gòu)膠密封能夠起到封閉裂縫的目的。對(duì)預(yù)加固位置進(jìn)行鋼板表面的除銹和清潔，粘鋼加固施工先使用建筑結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋼板四周進(jìn)行可靠密封，并預(yù)留排氣孔，密封可靠后，將建筑結(jié)構(gòu)膠注入鋼板之間，為了保證內(nèi)部注膠的密實(shí)性，應(yīng)采用空壓機(jī)及時(shí)抽氣。粘鋼加固施工應(yīng)在常溫下完成，建筑結(jié)構(gòu)膠在粘貼24 h以后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將達(dá)到98%以上。

3.3 CFRP粘貼加固法

波紋鋼腹板組合梁在承載過程中，剪力連接鍵位置由于應(yīng)力集中容易在連接鍵周圍和翼緣位置出現(xiàn)局部開裂。由于剪力連接鍵位置構(gòu)造復(fù)雜，且應(yīng)力集中位置存在多次倒角，常規(guī)加固法難以生效。CFRP材料憑借超高抗拉強(qiáng)度，輕質(zhì)性、可塑性、耐腐蝕性等優(yōu)勢(shì)，被普遍應(yīng)用在翼緣板及剪力連接鍵周圍開裂的加固工程中。為了充分發(fā)揮CFRP材料的高抗拉強(qiáng)度，纖維絲方向應(yīng)以裂縫走向正交，以最大程度約束裂縫發(fā)展，發(fā)揮一定的“套箍效應(yīng)”。CFEP加固前，應(yīng)使用丙酮溶液對(duì)加固位置徹底清潔，配置建筑結(jié)構(gòu)膠，粘貼CFRP布，并使用刮板整平，擠出內(nèi)部空氣，保證粘貼質(zhì)量。

4 結(jié)語

文章以省內(nèi)某高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁施工項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析了在外荷載作用下組合梁開裂問題，并針對(duì)性提出了組合梁的裂縫加固措施；經(jīng)過工程實(shí)踐檢驗(yàn)，以上裂縫處理方法均適用可靠，滿足預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁的裂縫加固要求。