用纖維混凝土澆筑高耐久性橋頭搭板

趙東賓

(石家莊鼎盛交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司)

1 概述

常規(guī)的橋頭搭板是在引道土方上現(xiàn)澆混凝土板。橋臺背墻上設(shè)置牛腿，用預(yù)埋鋼筋將搭板前端錨固，后端則座落在枕梁上。然而在運(yùn)營過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種病害，需要修理和更換。出現(xiàn)病害的主要原因是，重型車輛的沖擊、路基壓實(shí)不足而引起搭板末端沉降;有時板下土體被沖刷掏空。這種搭板雖然應(yīng)用廣泛，但總是難以保證其耐久性，致使修理費(fèi)用增加。

橋臺是搭板前端的依托，它自身的縱橫向位移和轉(zhuǎn)角會引起背墻和搭板之間的連接破壞。橋臺后方的不良排水會沖刷板下填料，有時形成很大的空洞。而搭板最終的放棄是由于自身的破壞。搭板表面會出現(xiàn)縱橫向裂縫，累及鋼筋，降低了它的使用壽命。破壞了的搭板往往需要整體更換，按原來結(jié)構(gòu)重新澆筑。

在更換搭板時，需要關(guān)閉條或相鄰兩條車道。為了減少對交通的干擾，往往選在夜間進(jìn)行。先將原來搭板鋸開或破碎成大塊，用吊車移走，整平并壓實(shí)路基，綁扎鋼筋，澆筑快硬性混凝土。最理想的斷交時間可壓縮到6～8 h，但在實(shí)踐中，這樣多的工序，很難在這么短的時間內(nèi)完成。尤其在大交通量情況下，不可避免的會造成交通干擾。從使用觀點(diǎn)出發(fā)，必須要開發(fā)出一種高耐久性的搭板，以降低維修費(fèi)用。

2 使用性能標(biāo)準(zhǔn)

在工程實(shí)踐中，如何確定搭板該不該修理，需要一個標(biāo)準(zhǔn)。顯而易見，第一個標(biāo)準(zhǔn)是看搭板末端的沉降值;第二個標(biāo)準(zhǔn)則應(yīng)看搭板頂面的傾斜度。這些標(biāo)準(zhǔn)雖然是經(jīng)驗(yàn)性的，然而在沒有更好的標(biāo)準(zhǔn)的情況下，不失為一種簡單可行的方法。沉降值δ是指由于路基壓實(shí)不足引起的板端下沉量，也就是搭板兩端的沉降差;而斜度θ是指搭板的坡度變化率，即θ=δ/l(l為搭板長度)。按美國伊州的建議，把沉降值按舒適度分為3級:δ=25 mm時為輕微顛簸;δ=50 mm時為中等顛簸;δ=75 mm時為嚴(yán)重顛簸，需要進(jìn)行修理。

用沉降差確定是否需要修理是一個簡單易行的指標(biāo)，但并不完善，因?yàn)橄嗤母卟疃彘L不同則產(chǎn)生的顛簸效果也不相同。考慮到橋臺自身的轉(zhuǎn)角，從行車舒適性角度出發(fā)，認(rèn)為板的斜度θ值不超過1/200弧度是可以接受的。當(dāng)θ角大于1/100弧度時，將會引起行車明顯的不適，可做為開始修理的標(biāo)準(zhǔn)。

3 幾種搭板的試驗(yàn)比較

(1)常規(guī)的鋼筋混凝土搭板。

以下各種搭板的尺寸均相同，以資互相比較:板長9 m，寬3.6 m，厚0.3 m(參照美國加州的使用尺寸)。3.6 m 是一個車道的寬度。配筋也與實(shí)用的搭板相同。搭板的上層鋼筋網(wǎng)——縱向 φ20，間距 30 cm，橫向 φ16，間距 45 cm;下層鋼筋網(wǎng)——縱向 φ25，間距15 cm，橫向 φ16，間距30 cm。

(2)FRP網(wǎng)格混凝土搭板。

輪廓尺寸與鋼筋混凝土相同，只是用“纖維增強(qiáng)聚合物”(FRP)取代了鋼筋。第一次投資要大于普通鋼筋混凝土，但考慮到以后的維修和更換，則應(yīng)與總造價大體相同。FRP材料強(qiáng)度高，不生銹，從而保護(hù)層可以減至25 mm。行車方向布設(shè)受力主筋。主筋為高38 mm的工字形碳纖維棒，每根面積253 mm2，強(qiáng)度為551 MPa，彈模31 GPa。

FRP網(wǎng)格架由工廠制作，頂層和底層網(wǎng)格相同。網(wǎng)格構(gòu)造:縱向設(shè)工字形FRP筋棒，間距10 cm;橫向設(shè)FRP細(xì)撐桿，間距10 cm;豎向由尼龍格柵支撐，保持上下網(wǎng)片凈距178 mm。為運(yùn)輸方便，網(wǎng)格在橫向分成梁片，再在工地拼成整片，在接頭處增設(shè) φ38FRP傳力桿。傳力桿抗拉強(qiáng)度551 MPa，抗剪強(qiáng)度 124 MPa。

(3)玻璃纖維棒(GFRP)配筋搭板。

玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)已成功的應(yīng)用在土木工程建筑中，尤其是暴露在惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)。由于它優(yōu)越的抗化學(xué)腐蝕能力，在遭受到氯鹽和低pH值介質(zhì)的侵襲時，用GFRP棒取代鋼筋能顯著的延長結(jié)構(gòu)使用壽命。在國外已制定出了用GFRP棒作為受力筋的規(guī)范。

將傳統(tǒng)搭板中的鋼筋全部用GFRP筋取代，生產(chǎn)廠家把GFRP制成酷似鋼筋的形狀，搭板上下層均采用GFRP網(wǎng)片，頂層網(wǎng)片——縱向φ19，間距15 cm，橫向 φ16，間距45 cm;底層網(wǎng)片——縱向φ28，間距10 cm，橫向 φ16，間距30 cm。

這些筋棒的抗拉強(qiáng)度為565～723 MPa，彈性模量為44 GPa。

(4)纖維混凝土搭板。

將不連續(xù)的短纖維加入混凝土拌和機(jī)內(nèi)，可以提高混凝土開裂后的延性，使裂縫處藕斷絲連。它雖不能取代鋼筋混凝土中的鋼筋(鋼筋還擔(dān)負(fù)著受力的重任)，但能改善混凝土的裂縫控制。

搭板混凝土內(nèi)摻入了兩種纖維:①鋼纖維——直徑為0.76 mm，長 60 mm，用量 39.2 kg/m3，抗拉強(qiáng)度不小于1 034 MPa;②聚乙烯醇細(xì)纖維——直徑 0.064 mm，長8.5 mm，用量 2.61 kg/m3，抗拉強(qiáng)度1 100 ～1 400 MPa。

混凝土中加入了纖維就可以滿意地控制裂縫，頂層鋼筋可以取消。當(dāng)然，頂層鋼筋出掉與否還應(yīng)視板頂會不會出現(xiàn)負(fù)彎矩而定。底層鋼筋與常規(guī)的鋼筋混凝土搭板相同。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

為改善常規(guī)的鋼筋混凝土搭板的使用性能和耐久性，提出了三種替代方案:(1)用FRP筋棒取代鋼筋，制成網(wǎng)格作為搭板的主要受力部件。FRP筋強(qiáng)度高、不生銹，是一種很有發(fā)展前途的加筋材料;(2)用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)制成酷似鋼筋的筋棒，完全取代鋼筋，制成GFRP筋混凝土搭板。GFRP強(qiáng)度高、不銹蝕，價格可以接受(GFRP俗稱玻璃鋼);(3)纖維混凝土搭板是把鋼纖維或其他細(xì)纖維摻入混凝土內(nèi)，以改善混凝土開裂后的延性，它可以有效地阻止裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而以防裂為主的上層鋼筋可以去掉。

對以上各種搭板進(jìn)行了加重車的荷載試驗(yàn)。在搭板座落在壓實(shí)良好土基上的情況下，搭板重量均勻地壓在土基上，各種搭板基本上不產(chǎn)生彎矩，變形和裂縫性能無多大差異。從而當(dāng)板下有掏空現(xiàn)象時，各種板的表現(xiàn)差異很大。尤其是掏空距離較長時，豎向剛度下降，會產(chǎn)生較大的撓度。從容易修復(fù)的角度出發(fā)，最大能容忍的掏空長度為1.8 m，此時剩余的剛度為95%。

在搭板掏空的情況下，不同搭板的裂縫寬度和分布情況有很大差別。當(dāng)摻入鋼纖維和聚乙烯醇纖維時，會產(chǎn)生最好的裂縫控制效果(鋼纖維用量39.2 kg/m3，聚乙烯醇纖維含量2.6 kg/m3)。盡管上層鋼筋已經(jīng)取消，但與那些配筋的搭板相比，裂縫要少得多，出現(xiàn)裂縫的試件也較晚，它的撓度和搭板轉(zhuǎn)角也最小，是一種最有前途的搭板形式。