空心板梁裂縫形成機理及防治對策

李秉千,顧 笑,孟照靜,林雪花,吳小會,劉玉芳

(1.中鐵建山東京滬高速公路濟樂有限公司,山東 濟南 250000;2.山東交通學院,山東 濟南 250357)

1 引 言

在我國橋梁建設項目中,空心板應用時間較早,因其抗震性能良好、結構簡單、施工方便、工藝成熟,在橋梁建設項目中應用廣泛。由于環境、荷載等不利因素,空心板橋梁在運營期間常出現裂縫,進而影響整個空心板主梁結構的安全性和穩定性[1]。

空心板裂縫的產生與當時的設計規范、地區的自然條件、混凝土強度等因素有關。在服役期出現裂縫具有一定的普遍性,因此國內外學者對于裂縫的成因和機理進行了研究。陳瑋等[2]利用有限元軟件對預應力空心板的力學行為進行了研究,研究表明縱向裂縫的出現會使橋梁局部抗彎剛度降低,進而導致整個橋梁的承載力降低。徐建紅[3]運用Ansys有限元軟件,深入研究了荷載作用下空心板橋開裂機理。結果表明,橋梁縱向裂縫的成因主要與汽車荷載所產生的側向撓曲力有關。袁國泰[4]對現場荷載試驗和橋梁狀態進行了調查,研究了裂縫對空心板的影響,并從施工、運營等方面分析裂縫的形成機理。Zhao等[5]通過對30 m跨度的空心板橋梁進行循環荷載試驗,得出了裂縫寬度與循環荷載之間的規律。綜上所述,空心板的開裂病害已引起學術界的廣泛關注,針對橋梁空心板裂縫形成機理的研究相對較多,但大多是針對其中的一項內容或是宏觀研究,對不同裂縫采用的修補工藝研究得不夠深入。

在施工和運營環節,溫度應力變化、荷載、混凝土強度、施工工藝等方面,均可導致空心板出現裂縫[6-9]。以青島膠州灣大橋項目、濰萊高速項目和濟樂高速項目為工程依托,針對空心板橋梁出現裂縫的狀況和分布形態,研究空心板梁裂縫形成機理,并根據不同類型的修補工藝進行比對研究。

2 裂縫統計分析

2.1 裂縫數量總體分布情況

以青島膠州灣大橋項目、濰萊高速項目和濟樂高速項目為工程依托,開展了空心板橋梁裂縫分布規律及特征的研究,對84座服役空心板橋梁的外觀病害進行調查,共檢測到1 642條裂縫病害。對裂縫所處位置及出現頻次進行統計分析,得到空心板典型裂縫的時空分布。檢測結果表明,最常出現的裂縫形態為橫向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫,分別占42.2%、54.6%和2.6%。空心板各類裂縫數量見表1。

表1 裂縫數量分布統計

2.2 裂縫寬度分布特征

為了具體分析裂縫的分布特征,對青島膠州灣大橋、濰萊高速和濟樂高速檢測到的1 642條裂縫所在梁體裂縫寬度進行了分析。由圖1和圖2可見,空心板梁縱向裂縫和橫向裂縫寬度大多分布在0.05～0.10 mm范圍內,占比分別為80%和85%,但縱向裂縫和橫向裂縫中,分別有4%和3%的裂縫甚至超過0.20 mm。裂縫寬度增大,會減弱鋼筋與混凝土之間的握裹力,同時由于水汽、化學物質等的進入,將導致鋼筋銹蝕,進而影響結構的耐久性和安全性。

圖1 縱向裂縫寬度分布

圖2 橫向裂縫寬度分布

3 裂縫形成機理及規范要求

3.1 底板裂縫

底板裂縫分為縱向裂縫、橫向裂縫和斜向裂縫3種。

斜向裂縫比較少見,斜向裂縫一般是由底板受到集中力作用或者底板的保護層過薄導致;橫向裂縫通常是結構性裂縫,會對空心板梁結構承載能力產生影響。橫向裂縫的形成一般是由于荷載承載力、預應力布置不當和環境溫度等因素造成,底板橫向裂縫超過規定限值時會向兩側腹板延伸,形成U形裂縫;橫向裂縫的出現也可能是空心板預應力不足導致;縱向裂縫是最常見的裂縫,產生的原因通常包括設計、施工和運營[10]幾個方面。

(1)設計方面:在設計過程中,因預算成本等因素,導致保護層厚度設計過薄;另外,預應力布束考慮不周全[11]、預應力布束不合理也可能引起底板產生縱向裂縫。(2)施工方面:由于空心板梁底鋼筋的間距較小,機器振搗時粗骨料不易到達空心板梁的底部,導致底板強度過低而開裂;由于施工工期較長,將分批次把原材料運進場地,造成施工實際配比與試驗配比有差別,導致混凝土強度偏低,進而造成空心板開裂。(3)運營方面:交通量增加,車輛荷載也隨著增大,空心板底部混凝土受到橫向的拉應力導致底板出現縱向裂縫;空心板梁受到陽光照射、溫差過大等影響出現冷熱變化時,會發生膨脹和收縮導致裂縫的產生。

3.2 腹板裂縫

腹板裂縫也分為縱向裂縫、橫向裂縫和斜向裂縫3種。其中,腹板斜裂縫產生的原因一般是由于空心板梁端抗剪能力不夠。腹板橫向裂縫產生的原因主要是預應力不足或者混凝土收縮。腹板出現的縱向裂縫病害較少,主要是空心板梁受到的內外溫差影響大,產生的橫向溫差應力導致腹板縱向開裂。

3.3 底板和腹板裂縫對比

以上總結了底板裂縫和腹板裂縫的形成機理,可知在空心板不同位置,不同的裂縫形式開裂原因是不同的,將其歸類分析,如表2所示。

表2 裂縫產生機理

3.4 規范對各類裂縫寬度要求

《公路橋梁承載能力檢測評定規程》[12]和《城市橋梁養護技術標準》[13]對橋梁各部件的裂縫寬度作出了明確的限制,兩規范對混凝土拱結構和墩臺結構的裂縫寬度限值要求基本一致,但對鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構的裂縫寬度限值要求不同[14],見表3和表4。

表3 鋼筋混凝土裂縫寬度允許值對比

表4 與預應力混凝土結構類型對應的裂縫寬度允許值對比

通過兩規范的對比發現,盡管規范的要求不同,但是對裂縫的分級都有完整的標準,并提出了不同控制指標下裂縫的允許值。其中,《公路橋梁承載能力檢測評定規程》的裂縫分類更加詳細,公路規范根據裂縫所在橋梁的位置進行劃分,比城市橋梁規范的分類更具體,且實際操作性強,在現場檢測時能及時對裂縫的危害進行評估。而《城市橋梁養護技術標準》根據橋梁所在壞境進行劃分,但規范中未能考慮構件出現的裂縫部位,可能導致裂縫評估的不準確。

4 裂縫修補工藝分析

當裂縫出現后,會給空心板橋耐久性和安全性造成損傷,并產生不利影響。在《公路橋梁承載能力檢測評定規程》和《城市橋梁養護技術標準》中規定了橋梁裂縫寬度限值,對橋梁裂縫修補提出了相應的要求,但是目前存在多種修補方法,并沒有形成統一的標準體系,導致修補工藝、施工質量參差不齊,為此將對常見的裂縫修補方法及其特點進行分析、優選。裂縫修補工藝主要包括表面封閉法、自動低壓滲注法、壓力灌注法、粘貼鋼板加固法和粘貼碳纖維加固法。

(1)灌漿、涂抹法。

按裂縫不同的寬度分為以下三種情況,并將其歸類,見表5。

表5 裂縫修補方案優選

①表面封閉法:對于寬度<0.15 mm的裂縫,通常使用環氧樹脂、環氧砂漿等材料進行表面封閉,但這種方法只針對表面或細小、淺顯的裂縫有效,而對于深而寬的裂縫,修補材料無法到達并充滿裂縫內部,修補一段時間后裂縫再次開裂,不能很好地抑制裂縫的發展。

②自動低壓滲注法:對于寬度在0.10～0.15 mm之間的裂縫,一般采用自動低壓滲注法,低壓注入環氧樹脂。這種方法能有效恢復空心板結構的整體性,能避免水及侵蝕物進入裂縫,進而提高結構的受力性能。采用該施工工藝處理空心板裂縫,產生的長期效益是顯著的。

③壓力灌注法:當裂縫的寬度>0.15 mm時,可使用壓力灌注的方法,通過加壓設備將環氧樹脂壓入裂縫中,環氧樹脂固化后與空心板結構形成閉合的整體,進而達到封閉裂縫的目的。這種方法容易控制材料的注入量且可以注入到裂縫的深處,解決了傳統工藝注入不滿的缺陷,但環氧樹脂具有揮發性,容易對人體造成不良影響。

(2)粘貼加固法。

粘貼加固法是使用粘接劑將材料粘貼在空心板裂縫處,與原來的結構形成一個整體并一起承受荷載。按修補材料不同分為以下兩種情況。

①粘貼鋼板加固法:當空心板梁出現主拉應力導致的裂縫時,首先對裂縫進行處理,將環氧粘接劑涂抹在鋼板上,并壓貼在裂縫處。但在修補空心板裂縫時,為連接梁底與鋼板,在粘貼鋼板時需要為膨脹螺栓打孔,會造成原結構的破壞,維修時需要較高的費用,一般在修補裂縫時很少采用粘貼鋼板加固法。

②粘貼碳纖維加固法:粘貼碳纖維方法的基本原理與粘貼鋼板法基本相同,將浸漬過環氧樹脂的碳纖維布粘貼在空心板裂縫處并與混凝土組成受力整體,起到阻止裂縫開裂的目的。該方法在修補裂縫的同時提高了空心板結構的強度。

5 修補材料經濟性分析

將環氧砂漿、環氧樹脂、碳纖維布和鋼材四種不同的修補材料進行經濟性分析,調研了四種修補材料的市場成本,并將各種修補材料的市場價格進行對比分析,其中單價約為市場調研中同類品的均價,各類價格見表6、表7。從成本結果得出,環氧砂漿相較于環氧樹脂修補材料有更明顯的市場價格優勢,環氧砂漿的成本比環氧樹脂成本低約78%。通常情況下,粘貼兩層碳纖維布的修補效果與粘貼4 mm厚的鋼板相當,但單位面積下粘貼碳纖維布比粘貼鋼板的價格高,粘貼鋼板相對粘貼碳纖維節省約34%的成本。

表6 環氧砂漿和環氧樹脂經濟性分析

表7 碳纖維布和鋼板經濟性分析

針對底板出現的橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫等病害形式,為了使其盡快封閉,防止外界中的水、氣體等物質侵蝕裂縫,導致空心板進一步損傷,從方案的選擇以及經濟性分析的角度可知,最為合理的方法為表面封閉法和自動低壓滲注法。

6 結 論

以青島膠州灣大橋、濰萊高速和濟樂高速工程中空心板底板、腹板開裂問題為工程背景,對裂縫所處位置及出現頻次進行數據統計分析,總結了不同裂縫寬度的分布特征,針對不同部位裂縫形成機理進行分析對比,提出了合理、有效的修補對策,并對各個方法的優缺點做了總結和歸納,優選出針對不同裂縫的修補方法。基于成本經濟性分析,對在役空心板橋裂縫建議采用表面封閉法和自動低壓滲注法進行修補加固。