模數(shù)橋梁伸縮縫損壞修復(fù)工程實踐探索

陳森財，黃德生

(廣西北部灣投資集團有限公司沿海高速公路分公司，廣西 欽州 535000)

0 引言

橋梁伸縮縫是橋面鋪裝的重要結(jié)構(gòu)，不僅關(guān)乎橋梁的結(jié)構(gòu)安全，能有效緩沖橋梁形變或者震動帶來的結(jié)構(gòu)間的擠壓或拉動，同時也是路面行車安全的重要保障。但橋梁伸縮縫為鋼制結(jié)構(gòu)，屬于易損耗構(gòu)架，長期的車輛作用以及橋梁震動使其出現(xiàn)較多損壞情況，其中就以伸縮縫邊梁和中梁損壞較常見，更換橋梁伸縮縫也是日常養(yǎng)護作業(yè)中的重要工作。實際工作中不僅要提升施工管理水平，也要注重施工新工藝、新技術(shù)的運用，切實提高養(yǎng)護技術(shù)水平。本文深入探究利用半幅更換伸縮縫方式，結(jié)合利用高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料以及引入鋼軌鋁熱焊技術(shù)，快速、高效地更換橋梁伸縮縫。

1 模數(shù)式橋梁伸縮縫壽命

根據(jù)相關(guān)研究資料表明，橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土使用壽命為7.7年，中梁鋼在只考慮車輛載荷作用時的使用壽命為29.3年，預(yù)埋鋼筋焊接點為10.7年；支撐橫梁間距越大，中梁鋼的使用壽命越短；錨固區(qū)混凝土強度增大，混凝土本身和預(yù)埋鋼筋焊接點的使用壽命都隨之增大；彈性樹脂混凝土的使用壽命約為C50混凝土的2倍[1]。以北海運營管理中心為例，自蘭海高速公路2001年開通至今已經(jīng)運營19年，近三年出現(xiàn)多處模數(shù)橋梁伸縮縫損壞，而損壞的伸縮縫主要為D160模數(shù)伸縮縫以及D240模數(shù)伸縮縫。其中南流江大橋和鐵山港跨海特大橋橋梁伸縮縫損壞較多，損壞的結(jié)構(gòu)主要是錨固混凝土損壞引起的伸縮縫邊梁斷裂和位移控制箱位移引起的中梁型鋼斷裂。見表1。

表1 北海運營管理中心近3年橋梁伸縮縫修復(fù)情況表

2 傳統(tǒng)的模數(shù)式橋梁伸縮縫修復(fù)方法

傳統(tǒng)的模數(shù)式橋梁伸縮縫修復(fù)方法是對半幅車道進行封閉，借用對向車道通行，然后對伸縮縫進行全幅式更換處理。在實際工程實踐中，嘗試對斷裂的邊梁或者中梁型鋼進行傳統(tǒng)工藝的焊接，但是由于傳統(tǒng)方法焊接本身存在的局限性以及作業(yè)面受到限制，焊接的位置通常在不久后出現(xiàn)重復(fù)斷裂，存在安全隱患。因此，當模數(shù)式橋梁伸縮縫鋼制結(jié)構(gòu)損壞時應(yīng)盡快進行更換。傳統(tǒng)的橋梁伸縮縫更換方法對交通影響較大，并且施工周期較長，對車流較大的路段交通影響較大，容易造成施工期間車流的堵塞，存在潛在的交通安全與橋梁安全隱患，不適應(yīng)交通發(fā)展未來趨勢。見表2。

表2 傳統(tǒng)模數(shù)橋梁伸縮縫更換時間表

3 半幅式+高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料+鋼軌焊接修復(fù)模數(shù)式橋梁伸縮縫

半幅式更換橋梁伸縮縫主要是考慮對于車流較大的路段，改道對正常交通流的影響較大，特別是大型特長大橋，一旦改道期間橋梁發(fā)生交通事故，將會造成交通阻斷，難以進行現(xiàn)場救援，嚴重危及橋梁安全和人民生命財產(chǎn)安全。該方案意在盡可能減少對交通流的影響，在縮短施工時間的同時能夠高質(zhì)量完成對橋梁伸縮縫的修復(fù)。利用高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料可減少水泥混凝土養(yǎng)生的施工工期，養(yǎng)護3 d即可開放交通，與傳統(tǒng)整幅更換伸縮縫相比，能夠大量縮短工期，緩解因施工造成的交通壓力。采用鋼軌鋁熱焊技術(shù)對伸縮縫邊梁和中梁進行焊接，提高焊接點的使用壽命，使得伸縮縫鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)性、整體性以及耐久性更好。見表3。

表3 模數(shù)橋梁伸縮縫新型更換時間表

4 施工工藝流程

交通管制→鑿除清理半幅舊伸縮縫及其區(qū)域內(nèi)混凝土→伸縮縫定位焊接→澆筑混凝土→混凝土養(yǎng)生→開放交通→轉(zhuǎn)至另外半幅橋面進行施工→交通管制→鑿除清理另半幅舊伸縮縫及其區(qū)域內(nèi)混凝土→伸縮縫定位焊接→兩半伸縮縫連接處處理→澆筑混凝土→混凝土養(yǎng)生→開放交通。

5 高強速凝混凝土優(yōu)點

本文使用的高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料是以水泥為基礎(chǔ)結(jié)合劑，高強度材料作為主骨料，輔以高分子膠粉、高效減水劑、早強劑、膨脹劑、防離析等物質(zhì)配制而成的。該材料的特性主要體現(xiàn)為：

(1)超早強性。早期強度高，能夠滿足混凝土結(jié)構(gòu)快速修補的要求，以強度等級為50 MPa高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料為例，3 h抗壓強度≥30 MPa、抗折強度≥4.5 MPa；1 d抗壓強度≥40 MPa、抗折強度≥5.0 MPa：28 d抗壓強度≥55 MPa、抗折強度≥7.5 MPa。

(2)不收縮性。修補料中摻入了膨脹劑，能夠阻止修補料失水收縮。

(3)耐久性。屬于無機混合料，耐腐蝕、耐老化。

(4)環(huán)保。無毒、無害，對鋼筋無腐蝕，對水質(zhì)及周圍環(huán)境無污染。詳見表4。

表4 高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料強度性能表

實驗室對強度等級為50 MPa高聚物快速結(jié)構(gòu)修補料試塊分別進行抗壓和抗折實驗，尺寸為40 mm×40 mm試塊的3 d齡期抗壓強度為60.55 MPa，達到設(shè)計強度的75%以上，滿足開放交通條件；28 d齡期抗壓強度為94.55 MPa；尺寸為40 mm×40 mm、跨距為100 mm試塊的7 d齡期抗折強度為11.16 MPa。

6 模數(shù)橋梁伸縮縫梁鋁熱焊工藝

對模數(shù)橋梁伸縮縫焊接考慮引入鋼軌無縫焊接鋁熱焊技術(shù)，在安裝第二個半幅伸縮縫時，使用專門設(shè)計的伸縮縫鋁熱焊接裝備對伸縮縫進行無縫焊接。由于這是對加熱鋼水進行接縫澆鑄焊接，因此更好地解決了伸縮縫的整體性問題，與普通的點焊相比更不易被銹蝕而避免發(fā)生第二次斷裂。

(1)作業(yè)準備。①作業(yè)前檢查周圍環(huán)境，對有可能引起火災(zāi)或安全事故的隱患進行清除。②待焊伸縮縫梁端的要求：焊接處有氣割、損傷、缺口、磨損或伸縮縫梁切口不規(guī)整、有螺栓孔的伸縮縫梁端必須切除。③伸縮縫梁加熱：對伸縮縫梁兩端1 m的范圍進行加熱干燥，充分去除伸縮縫梁表面水分，在氣溫低的情況下要把伸縮縫梁加熱到37 ℃左右。④除銹去污：距離伸縮縫梁端≥100 mm的范圍內(nèi)，用角磨機安裝鋼絲輪對焊接伸縮縫梁的端面進行清污除銹，打磨完成后須將伸縮縫梁頂邊緣倒角1×45°。

(2)鋸切伸縮縫梁。伸縮縫梁端面與伸縮縫梁縱軸線垂直誤差不超限，對線上伸縮縫梁端進行除銹去污，扒開焊縫下道砟，預(yù)留足夠的工作空間。

(3)調(diào)整伸縮縫梁縫寬度。按照所用焊劑類型，根據(jù)所用的焊劑，對照相應(yīng)的焊接工藝要求調(diào)整好伸縮縫梁縫，然后鎖緊伸縮縫梁。

(4)水平對正。用1 m鋼直尺分別檢查焊縫兩端伸縮縫梁頭否平直，如有偏差或扭轉(zhuǎn)，則用鋼對正架及鋼楔行調(diào)整。

(5)尖點調(diào)整。將1 m鋼直尺的中點與焊接中點重合，用鋼楔子或?qū)φ苓M行高度調(diào)整，按照所用焊劑類型的工藝要求設(shè)置好伸縮縫梁起拱度，對好梁后嚴禁再擾動伸縮縫梁，直至熱打磨完畢。

(6)安裝底模。將底模前后、左右對正梁縫中心并扣緊，擰緊固定螺栓。底模安裝完成后要用直尺復(fù)查伸縮縫梁對正情況，如有變化需立即重新調(diào)整。

(7)安裝側(cè)模。①安裝前，先檢查一下側(cè)模有無損壞、受潮，澆道和通氣孔必須干凈通暢；將側(cè)模貼合伸縮縫梁輕輕研磨，以保證與伸縮縫梁貼合良好。②把側(cè)模的中心對準焊縫，先將一塊砂模裝在伸縮縫梁外側(cè)，再將另一塊砂模安裝在伸縮縫梁內(nèi)側(cè)，使其與第一塊砂模接合良好，并用夾具夾緊，同時檢查梁底部砂模的接合狀況。最后用紙片蓋住砂模上方，以免雜物掉落在砂箱內(nèi)。

(8)封箱。先均勻封好第一道沙或泥，用搗實棒夯實后再封第二道，并仔細檢查封箱砂是否密封緊密，檢查整體情況。如遇伸縮縫梁側(cè)模嚴重時可先用紙片塞實側(cè)模部分后再封鎖，紙片不宜超出側(cè)模。封完箱后在砂型外側(cè)安裝灰渣盤并注意檢查是否放穩(wěn)。

(9)裝填焊劑。將焊劑在焊劑袋內(nèi)搖勻，把焊劑一次性倒入堝內(nèi)，使其成一錐形，準備好高溫火柴，蓋上堝蓋，防止焊劑受潮。

(10)預(yù)熱。①預(yù)熱前應(yīng)復(fù)查預(yù)熱槍的高度是否符合要求，預(yù)熱槍應(yīng)安裝在上風位置，極低氣溫下焊接時應(yīng)對氣瓶做好保溫措施。②按工藝手冊設(shè)定好氣表壓力，正確調(diào)整好預(yù)熱火焰，預(yù)熱槍放入砂箱前用火焰烘烤一下灰渣盤，以烘干灰渣盤殘留的水分。③將預(yù)熱槍頭放置在預(yù)熱器支架上，對準砂型中心，旋緊螺絲固定。④按工藝手冊要求控制好預(yù)熱時間，預(yù)熱過程中要時刻注意觀察梁端情況，避免燒融梁端。

(11)澆鑄。①預(yù)熱完成后，把預(yù)熱槍頭從支架上移開，將分流塞放入砂模中。②點火澆鑄前準備好堵漏棒，以便發(fā)生鋼水泄漏時能夠及時堵塞。③將堝放置于砂模頂部的中心位置上，引燃高溫火柴(預(yù)熱結(jié)束30 s內(nèi))，打開堝蓋，將高溫火柴斜插入焊劑中，蓋上堝蓋，觀察焊劑反應(yīng)過程。④反應(yīng)完畢后，易熔塞將會自動熔化，鋼水注入砂模，當灰渣盤無灰渣流入時，用秒表開始計時。

(12)移除堝、灰渣盤。澆鑄完成2 min后，移除堝、灰渣盤，并放置在干燥的地方，待灰渣冷卻后，移出線路外，收回灰渣盤。

(13)拆除砂模及推瘤。按照工藝手冊要求，到時間后開始拆除砂模和推瘤，拆除砂模后將梁面殘砂清理干凈，避免推瘤時刀頭劃傷梁面，推完瘤后使用撬棍將澆鑄棒向外側(cè)下方扳曲。

(14)熱打磨。①推瘤完畢后即可開始熱打磨，用仿型打磨機將焊頭頂部表面打磨至距梁面0.8～1.0 mm。②將焊頭頂部與梁頭側(cè)面過渡圓弧處打磨至與既有伸縮縫梁平齊，將焊頭內(nèi)外兩側(cè)打磨至與既有伸縮縫梁平齊。③拆除對正架，待澆鑄15 min后方可拆除鋼楔子或?qū)φ?夏天為20 min)。④澆鑄完20 min后方可切掉澆鑄棒(夏天為25 min)，嚴禁用大錘打掉澆鑄棒。⑤澆鑄完30 min后方可起道恢復(fù)焊前撤除的墊板(夏天為35 min)。

(15)細打磨。①細打磨時嚴禁在同一個位置一直打磨，避免梁面過熱發(fā)藍。嚴禁沿伸縮縫梁橫向進行打磨。梁底焊筋上的冒口位置以及梁底角側(cè)面要打磨平整、圓順，打磨質(zhì)量符合《鋼軌焊接》(TB/T1632-2014)要求[2]。②清除焊筋兩側(cè)的溢流金屬飛邊，以避免在這些位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(16)恢復(fù)工作。清除焊縫上的殘留物，做好焊縫標記；恢復(fù)松卸的伸縮縫梁扣件；檢查換梁前后20 m范圍內(nèi)梁道幾何尺寸，按照作業(yè)驗收標準整正；整理道床，全面恢復(fù)線路外觀。

7 模數(shù)橋梁伸縮縫梁鋁熱焊強度

中國鐵道科學(xué)有研究表明，利用鋁熱焊軌焊接軌縫時最優(yōu)的焊縫范圍為24～30 mm，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱時間，均能使待焊鋼軌的端面加熱到暗紅色，達到焊接預(yù)熱溫度的要求。高溫的鋁熱鋼水能夠熔合待焊鋼軌端面金屬，達到完全焊合，焊接接頭的靜彎載荷和撓度均能達到標準要求，新口沒有焊接缺陷，靜彎載荷達到1 400 kN，鋼軌的撓度滿足標準要求。所以利用鋁熱焊焊接伸縮縫時，焊縫應(yīng)當控制在24～30 mm，使得模數(shù)橋梁伸縮縫焊接位置靜彎載荷達到最大值，最大程度保證伸縮縫的結(jié)構(gòu)性能以及延長使用壽命[3]。見圖1。

圖1 焊頭縫寬與靜彎載荷關(guān)系曲線圖

8 結(jié)語

本文通過對模數(shù)橋梁伸縮縫結(jié)構(gòu)的認識，結(jié)合實際模數(shù)橋梁伸縮縫更換的經(jīng)驗，闡述了傳統(tǒng)的模數(shù)橋梁伸縮縫更換方法以及分析其優(yōu)缺點，傳統(tǒng)的更換方法施工工期較長，并且對途經(jīng)的車流影響較大，也會存在較大安全隱患。通過運用半幅式更換方法，使用新型高強速凝混凝土材料以及考慮引進鋼軌焊接技術(shù)對伸縮縫進行焊接，在保證質(zhì)量、安全的同時有效縮短施工時間，也降低了施工對大交通流道路的影響，為快速更換橋梁伸縮縫提供了解決方案以及新的思路。在提升模數(shù)橋梁伸縮縫更換技術(shù)的同時，也應(yīng)思考模數(shù)橋梁伸縮縫本身結(jié)構(gòu)的不足，通常在更換橋梁伸縮縫困難時對錨固區(qū)進行開鑿。由于錨固區(qū)路面水泥混凝土強度較大，開鑿的難度很大，在建設(shè)時已經(jīng)與橋梁梁體密切結(jié)合，因此錨固區(qū)與邊梁、中梁分離變得尤為重要，在結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)對邊梁、中梁、位移控制箱的更換或焊接修復(fù)，從而不破壞錨固區(qū)結(jié)構(gòu)，使今后的模數(shù)橋梁伸縮維修變得更為方便經(jīng)濟。