在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究

霍達(dá)君

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

0 引 言

在國內(nèi)高速公路及等級公路的設(shè)計施工實(shí)踐中，為了實(shí)現(xiàn)線路的長期、可持續(xù)運(yùn)營，降低后續(xù)公路養(yǎng)護(hù)維護(hù)成本，在非大跨徑、非重載等特殊要求路段，經(jīng)工廠預(yù)制生產(chǎn)的裝配式鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)能夠直接吊裝預(yù)位；在養(yǎng)護(hù)工程項目中，對于承載力失效且不具備補(bǔ)強(qiáng)價值的梁片可以直接更換，一方面提高了養(yǎng)護(hù)加固的集約化能力，能夠在短時間內(nèi)完成養(yǎng)護(hù)作業(yè)，另一方面，也可以降低橋梁結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)期綜合養(yǎng)護(hù)成本。以高速公路為例，裝配式小跨徑預(yù)應(yīng)力空心板簡支梁橋的應(yīng)用十分普遍，空心板之間依靠鉸縫連接，根據(jù)高速公路車道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定空心板梁片數(shù)；在車輛反復(fù)荷載和外界惡劣環(huán)境的綜合影響下，預(yù)應(yīng)力空心板梁鉸縫位置容易出現(xiàn)脫空、開裂、破損等各種病害，一旦鉸縫結(jié)構(gòu)失效，將嚴(yán)重影響空心板梁的橫向聯(lián)系能力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的橫向剛度，不利于荷載橫向分布，在超重荷載和沖擊荷載的作用下，容易引起局部應(yīng)力集中問題，最終傷及空心板梁結(jié)構(gòu)。為了解決裝配式空心板梁結(jié)構(gòu)橫向剛度不足的問題，最大程度延長空心板梁服役壽命，橫橋向施加體外預(yù)應(yīng)力無疑是性價比較高的補(bǔ)強(qiáng)方法；本文以非現(xiàn)澆(裝配式)空心板梁橋為研究案例，分析了橫向結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)原理及施工技術(shù)，深化了對橫向體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的認(rèn)識。

1 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補(bǔ)強(qiáng)原理分析——以小跨徑空心板梁橋為例

1.1 橫向體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)概述

對于多片非現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力空心板梁結(jié)構(gòu)而言，通過橫向預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)是提高空心板梁鉸縫可靠性的主要途徑，而橫向體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是實(shí)現(xiàn)橫向預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)的主流手段。與主梁縱向預(yù)應(yīng)力技術(shù)不同，縱向預(yù)應(yīng)力屬于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼絞線置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過端頭錨固技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊；而體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)則主要依靠轉(zhuǎn)向塊和專用錨具實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。

體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)一般需用到鋼束及適配的套管材料，套管材料主要用于保護(hù)鋼束，以防止鋼束銹蝕，相比于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，體外預(yù)應(yīng)力的布設(shè)更加靈活，無需考慮主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部普通鋼筋布設(shè)及結(jié)構(gòu)外形問題，且無需在波紋管內(nèi)注漿壓實(shí)，施工環(huán)節(jié)更加簡潔，橫向補(bǔ)強(qiáng)施工作業(yè)無需封閉交通；預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)效果優(yōu)于縱向預(yù)應(yīng)力，經(jīng)橫向預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)后，空心板梁間的鉸縫開裂情況能夠徹底閉合，結(jié)構(gòu)橫向剛度明顯提升，對于裝配式預(yù)應(yīng)力簡支梁式橋的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)具有非常顯著的作用。

1.2 非現(xiàn)澆空心板梁橋單板受力病害分析

空心板梁是非現(xiàn)澆簡支梁橋中最常見的結(jié)構(gòu)形式，將預(yù)制完成的空心板直接吊裝至墩頂，空心板之間依靠現(xiàn)澆鉸縫連接，由于鉸縫與空心板之間非剛接，空心板在受力過程中，由于主體結(jié)構(gòu)和鉸縫非一體化澆筑，導(dǎo)致鉸縫的彎矩、剪力傳遞效率較低，一旦鉸縫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、破損，其鉸接性能將大幅下降，在車輛集中荷載作用下，空心板荷載橫向分布趨弱，單板受力工況逐漸顯著，一旦超過空心板承載能力上限，將誘發(fā)嚴(yán)重事故。

誘發(fā)鉸縫結(jié)構(gòu)病害，導(dǎo)致空心板梁單板受力的因素眾多，在不考慮設(shè)計階段的前提下，大體上可劃分為內(nèi)因(施工因素)和外因(車輛荷載因素)兩部分。首先，應(yīng)盡量避免選擇小鉸縫，中、小鉸縫空間較小，后澆混凝土不易振搗密實(shí)，容易引發(fā)鉸縫混凝土離析病害；此外，由于澆筑施工作業(yè)空間有限，導(dǎo)致空心板梁側(cè)面與現(xiàn)澆鉸縫段接觸面的鑿毛不夠，在荷載作用下，由于新舊混凝土界面之間摩阻力不夠，容易造成荷載條件下的粘結(jié)滑移，影響二者之間的協(xié)同工作能力。再者，在超載工況條件下，會加速鉸縫結(jié)構(gòu)的病害發(fā)展進(jìn)程，鉸縫剛度下降后，隨即影響橫向聯(lián)系剛度，單板受力更加明顯，進(jìn)而加速對應(yīng)板附近的鉸縫破壞進(jìn)程，短期內(nèi)形成惡性循環(huán)；此外，鉸縫結(jié)構(gòu)在豎向車輛荷載作用下，鉸縫底部容易出現(xiàn)拉裂，考慮到豎向荷載的隨機(jī)性和時變性，導(dǎo)致主應(yīng)力與橫橋向夾角不同，對應(yīng)的鉸縫底部受拉跡線也不同，一旦沿某條受拉跡線出現(xiàn)開裂，隨著開裂程度的劣化，鉸縫有效截面積不斷減小，最終發(fā)展為貫穿開裂，對應(yīng)鉸縫徹底失效。如圖1為鉸縫局部受力及開裂跡線分布示意圖。

圖1 鉸縫局部受力及開裂跡線分布示意圖

2 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補(bǔ)強(qiáng)施工——以小跨徑空心板梁橋為例

2.1 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理分析

通過受力分析可知，在空心板梁整體結(jié)構(gòu)中，鉸縫位置為受力薄弱點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載的耦合作用下，鉸縫同時受到豎向剪切荷載和橫向彎曲荷載，一旦截面應(yīng)力超過對應(yīng)位置的抗拉強(qiáng)度，將引起鉸縫開裂；鉸縫抗拉強(qiáng)度取決于鉸縫混凝土自身強(qiáng)度及鉸縫與空心板梁界面抗滑移性能。通過施加橫向預(yù)應(yīng)力，一方面能夠提高鉸縫界面與空心板界面之間的壓力，從而增加界面摩阻力，以抵抗豎向剪切荷載；一方面，經(jīng)橫向預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)后，空心板之間原有的鉸接形式逐步向剛接過渡，結(jié)構(gòu)橫向整體性明顯提升，橫向剛度顯著增加，鉸縫能夠同時高效傳遞剪力和彎矩，優(yōu)化了橫橋向的荷載分布；另一方面，經(jīng)橫向預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)后，結(jié)構(gòu)橫向存在預(yù)拱度，合理的預(yù)應(yīng)力規(guī)模能夠保證橫橋向彎矩小于消壓彎矩，從而使空心板梁下緣混凝土在荷載作用下仍處于受壓狀態(tài)。

2.2 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補(bǔ)強(qiáng)施工工藝分析

橫向體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)施工必須嚴(yán)格執(zhí)行施工工藝流程，保證每一環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，主要施工流程可分為附屬構(gòu)件安裝、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、預(yù)應(yīng)力錨固及防護(hù)三個環(huán)節(jié)。

第一，附屬構(gòu)件安裝環(huán)節(jié)；附屬構(gòu)件主要指的是梁壁轉(zhuǎn)換塊和緊固高強(qiáng)螺栓，轉(zhuǎn)換塊采用20B型槽鋼， 槽鋼依靠高強(qiáng)緊固螺栓固定在空心板梁側(cè)壁，預(yù)應(yīng)力錨具將固定在轉(zhuǎn)換塊上，同時，轉(zhuǎn)換塊也是預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)加力向主梁結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的主要構(gòu)件，為了保證后期橫向預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)的有效性，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的預(yù)應(yīng)力損失問題，必須保證轉(zhuǎn)換塊的穩(wěn)定性和貼合性滿足設(shè)計施工規(guī)范要求。第二，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉環(huán)節(jié)；預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)以轉(zhuǎn)換塊緊固螺栓強(qiáng)度完全形成后開始，將放樣后的高強(qiáng)度鋼絞線經(jīng)穿束機(jī)穿入與之適配的套筒內(nèi)，高強(qiáng)度鋼絞線從中間向兩端對稱張拉，張拉至控制應(yīng)力后應(yīng)持荷3 min以上。第三，預(yù)應(yīng)力錨固及防護(hù)環(huán)節(jié)；張拉完畢后應(yīng)及時錨固，以防止預(yù)應(yīng)力松弛，為了防止鋼絞線和錨具銹蝕造成預(yù)應(yīng)力損失，錨具上均勻涂抹防銹漆，并增設(shè)防護(hù)罩，將錨具和鋼絞線徹底密封在防護(hù)罩內(nèi)，防護(hù)罩使用高強(qiáng)螺栓緊固，切實(shí)保證錨具和端部鋼絞線的耐久性。如圖2為橫向體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)施工流程示意圖。

圖2 橫向體外預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)施工流程示意圖

3 總 結(jié)

使用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對空心板梁橋進(jìn)行橫向補(bǔ)強(qiáng)施工，能夠明顯提高空心板梁之間的橫向聯(lián)系性能，對于提高全橋抗變形剛度、優(yōu)化橫向荷載分布具有重要作用；廣泛推廣體外預(yù)應(yīng)力橫向補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，對于延長非現(xiàn)澆混凝土梁的服役壽命，增強(qiáng)全橋的工作性能意義顯著。