某中小跨徑空心板橋橋面鋪裝改造檢測與評估

蒙 軍

中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018

1 背景

某中小跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋位于珠三角高速公路交通干道，橋梁全長5556m，單幅橋面總寬為15.75m，凈寬14.75m，雙向六車道，設(shè)計荷載為汽車- 超20 級，掛車- 120 級，通車時間為1997 年5 月。橋梁上部結(jié)構(gòu)主要為連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力空心板，單孔跨徑均為20m，采用墩梁固結(jié)體系。為保障橋梁行車安全，提高橋梁結(jié)構(gòu)運營階段使用安全性及耐久性，管理單位委托相關(guān)單位對橋梁存在嚴(yán)重病害的橋面板進(jìn)行維修處治。處置過程中開展專項檢測工作，工作內(nèi)容主要包含病害普查、鉆芯取樣和處置前后的靜載試驗評估。

2 病害普查

空心板橋主要的關(guān)注重點為鉸縫的滲水結(jié)晶、梁體的縱向開裂、橫向開裂和破損露筋等，采用常規(guī)目視方法對全橋的病害進(jìn)行了普查空心板典型病害見圖1。

圖1 空心板典型病害

3 病害成因分析

3.1 空心板梁底板縱向裂縫

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁梁底縱向裂縫分為幾種情況：第一種是發(fā)生在梁端的縱向裂縫，此處多數(shù)由于梁端預(yù)應(yīng)力放張過快, 引起局部較大的壓應(yīng)力而使梁端混凝土沿縱向劈裂；第二種情況是發(fā)生在梁中間部位的縱向裂縫，一般由于鋼筋保護(hù)層厚度較薄,由預(yù)應(yīng)力引起的橫向泊松效應(yīng)產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力而使混凝土沿縱向開裂；第三種情況是鋼筋銹蝕膨脹導(dǎo)致梁底混凝土開裂，且裂縫兩側(cè)有明顯高差,此種裂縫危害較大。依據(jù)現(xiàn)場檢測情況，目前發(fā)現(xiàn)的空心板梁底縱向裂縫兩側(cè)無明顯高差，屬于第一或第二種情況。

3.2 鉸縫混凝土破損脫落

橋梁所屬路段屬于珠三角高速，車流量大，重車比例高，在車輛荷載往復(fù)作用、雨水浸泡、濕熱交替環(huán)境的綜合作用下，混凝土橋面鋪裝逐漸發(fā)生老化破損。最為典型的病害發(fā)生在鉸縫與車輪行走路線重合的位置，在車輪特別是重車車輪的反復(fù)作用下，橋面鋪裝層發(fā)生破壞，雨水的長時間浸泡導(dǎo)致鋪裝層下方的鉸縫浸水，鉸縫直接承受車輛的輪載作用，使鉸縫本身沿著輪跡線產(chǎn)生縱向開裂，雨水通過裂縫滲透到梁底，導(dǎo)致梁底出現(xiàn)大面積的滲水結(jié)晶痕跡，這是空心板橋最常見的病害。隨著運營時間的增長，開裂鉸縫的局部會出現(xiàn)混凝土嚴(yán)重破損的情況。由于鉸縫和主梁的澆筑本身存在一定的時間差，鉸縫的開裂很容易產(chǎn)生在混凝土澆筑結(jié)合面的薄弱位置，如果部分鉸縫本身的施工質(zhì)量不佳，鋼筋配置不合理，很容易因為開裂導(dǎo)致空心板之間的企口縫與主梁之間失去連接剛度，鉸縫出現(xiàn)分離脫落的情況，最終導(dǎo)致單板受力，嚴(yán)重危及行車安全。設(shè)計缺陷、施工質(zhì)量不合格及運營階段工作條件惡化均會導(dǎo)致該類病害的產(chǎn)生。

本橋梁的實際運營過程中出現(xiàn)過重車將空心板鉸縫直接壓潰的情況。從現(xiàn)場檢測情況及對橋梁近些年運營情況的初步了解，橋梁空心板梁鉸縫混凝土破損脫落產(chǎn)生原因包括設(shè)計缺陷、施工質(zhì)量缺陷及運營條件惡劣三個方面。

3.3 邊梁翼緣板及腹板斜向裂縫

一般情況下出現(xiàn)這種斜裂縫主要原因為設(shè)計不足,腹板厚度偏小,箍筋間距偏大。早期建造的橋梁，設(shè)計單位給出的安全富裕度一般較小，導(dǎo)致主梁的腹板較薄、箍筋數(shù)量不足，梁體的抗剪能力儲備不夠，再加上我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，高速公路一直處于高負(fù)荷的運營狀態(tài)，持續(xù)重荷載的作用下導(dǎo)致梁體的抗剪承載能力不足，產(chǎn)生腹板斜裂縫，結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步降低，隨著時間的推移，病害狀況進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致梁體破壞。結(jié)合現(xiàn)場檢測實際情況，出現(xiàn)該病害的梁體占同類梁型總數(shù)的比例很小，因此由于設(shè)計缺陷導(dǎo)致該病害的概率較小。

3.4 滲水結(jié)晶

空心板梁滲水結(jié)晶絕大多數(shù)出現(xiàn)在鉸縫，極少數(shù)出現(xiàn)在空心板梁底板。該病害出現(xiàn)在濕接縫的原因為：橋面鋪裝破損，導(dǎo)致橋面雨水向下滲流到空心板梁頂面，沿著破損的鉸縫向下蔓延，最終在梁底鉸縫處出現(xiàn)滲水結(jié)晶現(xiàn)象。空心板梁底板出現(xiàn)該病害的原因：個別空心板受到超重車輛作用可能導(dǎo)致空心板頂板出現(xiàn)了上、下貫通的縱向裂縫或者空心板梁梁端連接部位混凝土破損，致使橋面雨水沿頂板裂縫或端部破損部位向下滲流，進(jìn)入空心板內(nèi)部，再沿空心板底板貫通裂縫向下蔓延，最終在空心板梁底板出現(xiàn)滲水結(jié)晶現(xiàn)象。

4 鉆芯取樣

根據(jù)鉸縫取芯結(jié)果，鉸縫表面有裂縫和無裂縫位置處的芯樣完整性均良好，芯樣混凝土的密實性良好，裂縫未延伸至鉸縫內(nèi)部。空心板底鉸縫位置漏水是由于鉸縫與梁體之間的混凝土齡期不同，收縮徐變不同步造成兩次澆筑的混凝土界面產(chǎn)生微裂隙，橋面鋪裝發(fā)生破損后，雨水通過微裂隙緩慢滲透到梁底，鉸縫本身的質(zhì)量良好。

同時，根據(jù)取芯結(jié)果，鋪裝層下面的混凝土調(diào)平層厚度約2～8cm，厚度較薄的位置均已出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象，建議將剝離層鑿掉后再進(jìn)行新的混凝土澆筑；厚度較厚的位置，調(diào)平層芯樣完好，混凝土密實性良好，但是調(diào)平層混凝土與梁頂混凝土之間黏結(jié)較差，個別位置存在明顯的脫空現(xiàn)象，建議將脫空位置鑿除后重新澆筑，未脫空位置可繼續(xù)使用。

5 橋面鋪裝改造設(shè)計方案

（1）考慮到空心板實際厚度普遍小于設(shè)計值，且配筋較弱，對空心板鉸縫和鋪裝同時進(jìn)行鑿除重做，鉸縫和鋪裝層均采用C50 混凝土，同時加強(qiáng)鋪裝配筋以增強(qiáng)梁片橫向整體性。

（2）鋪裝改造中使用聚丙烯纖維，聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度大于500MPa，彈性模量大于5GPa，與水浸潤，可有效提高橋面鋪裝的抗裂性能。

（3）剛構(gòu)墩墩頂附近16m 范圍，在梁體頂板加強(qiáng)負(fù)彎矩配筋，并將負(fù)彎矩鋼筋與頂板植筋焊接，使負(fù)彎矩鋼筋盡可能參與受力。

6 改造前后靜載試驗評估

（1）通過測試目標(biāo)橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的實際受力狀態(tài)和工作狀況，與理論計算值比較，驗證結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、工作性能及承載能力是否與設(shè)計要求相符；

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)實際響應(yīng)，確定橋梁結(jié)構(gòu)正常使用的承載能力范圍，為該橋的維修改造提供依據(jù)；

（3）通過對左、右幅橋梁荷載試驗結(jié)果進(jìn)行對比，評估橋面鋪裝改造工程的效果。

6.1 靜載試驗工況

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采用有限元計算軟件建立橋梁的桿系模型。根據(jù)設(shè)計圖紙，建立橋梁66# 跨～72# 跨的有限元模型，見圖2。

圖2 66#跨～72#跨有限元模型

本項目建模過程中需要注意的是設(shè)計圖紙中明確指出，本項目中涉及的空心板橋不是簡單的結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)，而是橋墩位置主梁與主梁、主梁與墩頂之間均設(shè)置了預(yù)留鋼筋，一次性澆筑，因此本項目中的空心板橋?qū)儆谶B續(xù)剛構(gòu)橋梁，這與常規(guī)的空心板橋差別較大。

靜載試驗首先是要確定試驗的工況，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，試驗工況的確定主要是依據(jù)受力最不利截面的加載效率確定的，即首先根據(jù)規(guī)范規(guī)定確定受力最不利的斷面，然后通過控制三軸車輛加載作用下的結(jié)構(gòu)實際受力與設(shè)計最不利荷載效應(yīng)的比值來確定加載車輛的數(shù)量，一般要求加載效率在0.95～1.05 之間。

本項目中主要以跨中和墩頂位置的彎矩作為主要控制內(nèi)力，最終確定10 個加載工況，其中改造前和改造后各有5 個相對應(yīng)的工況，包括邊跨跨中正彎矩工況、邊墩墩頂負(fù)彎矩工況、次邊跨跨中正彎矩工況、次邊跨墩頂負(fù)彎矩工況和中跨跨中正彎矩工況，考慮到本項目中的靜載試驗工況較多，高速公路荷載試驗給出的窗口期比較短，因此在保證試驗效果的情況下對試驗工況進(jìn)行了合并，即同一個加載工況下同時采集兩個控制截面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。靜載試驗的實際加載采用三軸標(biāo)準(zhǔn)車進(jìn)行加載，車輛總重35t，試驗開始前所有車輛必須通過地磅進(jìn)行稱重，控制試驗細(xì)節(jié)，保證試驗效果。

6.2 改造前后靜載試驗結(jié)果對比

試驗完成以后，需要參照現(xiàn)行規(guī)范對試驗結(jié)果進(jìn)行評定，用于判斷結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足設(shè)計要求和橋面鋪裝改造工程對結(jié)構(gòu)的承載能力影響如何。

應(yīng)變結(jié)果：各工況的試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值小于理論值，表明結(jié)構(gòu)本身處于彈性工作狀態(tài)。

撓度結(jié)果：各工況的試驗荷載作用下，結(jié)構(gòu)的撓度值小于理論值，表明結(jié)構(gòu)本身的剛度滿足設(shè)計要求。

通過對橋面鋪裝改造前后相應(yīng)工況下的應(yīng)變測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)改造后各試驗工況下的梁底應(yīng)變較改造前更均勻，應(yīng)變分布曲線更為平滑，說明經(jīng)橋面鋪裝改造后，橫向剛度有所增強(qiáng)，改造效果良好。

7 結(jié)語

（1）空心板橋的主要病害類型為鉸縫滲水結(jié)晶、鉸縫破損、梁底縱向開裂、單板受力等；

（2）早期建造橋梁的鋪裝調(diào)平層普遍存在厚度不均勻不一致的情況，導(dǎo)致鋪裝質(zhì)量不良，橋面平整度差；

（3）通過鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，空心板橋普遍存在的鉸縫滲水結(jié)晶，主要是由于鉸縫的混凝土澆筑與主梁的澆筑時間不一致，在混凝土結(jié)合面上容易產(chǎn)生微裂隙，鋪裝層破損后雨水沿著微裂隙緩慢滲透到梁底，此時鉸縫的整體質(zhì)量良好，對結(jié)構(gòu)整體受力的影響不大；

（4）通過改造前后的靜載試驗對比發(fā)現(xiàn)，改造后各試驗工況下的梁底應(yīng)變較改造前更均勻，應(yīng)變分布曲線更為平滑，說明經(jīng)橋面鋪裝改造后，橋梁橫向剛度有所增強(qiáng)，改造效果良好。