高性能灌漿料維修空心板橋鉸縫的足尺試驗(yàn)研究

閆衛(wèi)紅，付立軍，趙　軍

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450015； 2.公路橋梁安全檢測(cè)與加固技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450015； 3.鄭州大學(xué) 土木與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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高性能灌漿料維修空心板橋鉸縫的足尺試驗(yàn)研究

閆衛(wèi)紅1,2，付立軍1,2，趙軍3

(1.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450015； 2.公路橋梁安全檢測(cè)與加固技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450015； 3.鄭州大學(xué) 土木與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為了研究高性能灌漿料在空心板橋鉸縫中的維修加固效果，以實(shí)橋拆除的3片30 m跨空心板梁為對(duì)象，進(jìn)行了高性能灌漿料維修空心板橋鉸縫的足尺試驗(yàn)研究.通過(guò)對(duì)鉸縫修復(fù)后3片空心板組成的裝配式空心板橋進(jìn)行中板跨中集中加載，測(cè)量并分析了各板梁的荷載-撓度曲線，給出了試驗(yàn)的破壞模式.試驗(yàn)結(jié)果表明，加載初期各板梁撓度變化基本相同，各板梁間整體工作性能良好；極限狀態(tài)下破壞形態(tài)為灌漿料與板梁結(jié)合面的縱向脆性開(kāi)裂破壞；采用高性能灌漿料維修后對(duì)應(yīng)原橋設(shè)計(jì)荷載的超載儲(chǔ)備為1.74.

高性能；灌漿料；空心板；鉸縫；足尺試驗(yàn)

0　引言

裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋作為我國(guó)公路橋梁的主力橋型，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)及重載交通的影響，其鉸縫往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)單板受力甚至于板梁斷裂[1-2].

針對(duì)空心板橫向聯(lián)系不足問(wèn)題，工程界和學(xué)術(shù)界提出了一系列的加固維修方法，包括增強(qiáng)橋面鋪裝[3]、橫向預(yù)應(yīng)力加固[4-5]、減梁增肋法[6]、Π形鋼板法[7]等等，也對(duì)應(yīng)開(kāi)展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究[8-11].這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)改善橋梁的整體受力性能具有重要的作用.然而，這些方法在施工中也存在一些不便，如植筋易損壞空心板內(nèi)鋼絞線、板梁底板不平導(dǎo)致橫向粘貼鋼板困難等問(wèn)題.

為此，筆者在實(shí)際橋梁加固設(shè)計(jì)中提出了采用高性能灌漿料進(jìn)行鉸縫維修的加固技術(shù).該技術(shù)在工程應(yīng)用中一般無(wú)需中斷交通，若橋面鋪裝損壞較輕，不用整體翻新.若橋面鋪裝破損嚴(yán)重，僅需部分短暫封閉交通進(jìn)行面層修復(fù).因維修施工工作在橋下進(jìn)行，該技術(shù)具有無(wú)交通安全隱患，工期較短，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，并且后續(xù)維護(hù)期間若有破損，可較快速修復(fù)，有利于降低長(zhǎng)期全壽命周期養(yǎng)護(hù)成本.

筆者為研究高性能灌漿料在空心板橋鉸縫中的維修加固效果，以某高速公路拆除的3片30 m 跨空心板梁為對(duì)象，進(jìn)行高性能灌漿料維修空心板橋鉸縫的足尺破壞試驗(yàn)研究.

1　鉸縫維修方法

高性能灌漿料由專用外加劑添加多種礦物改性成分、高分子聚合物材料和低堿普通硅酸鹽水泥復(fù)合組成，具有高流動(dòng)性、低水膠比、微膨脹、零泌水、耐久性好等特點(diǎn).該灌漿料主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

采用灌漿料進(jìn)行破損鉸縫灌漿修復(fù)時(shí)主要工藝如下.

(1)清理：針對(duì)破損鉸縫，清理鉸縫內(nèi)積存的泥土及鉸縫底部的麻絲、破碎狀態(tài)混凝土等，再用特制鋼絲刷將鉸縫鉸縫內(nèi)壁上粘附的泥土浮漿刷除干凈，最后用高壓水槍對(duì)鉸縫內(nèi)部進(jìn)行沖洗.

(2)封堵：在鉸縫左右端頭，分別用聚氨酯發(fā)泡劑進(jìn)行封堵，防止注漿過(guò)程中漿料從鉸縫兩頭滲出.

(3)設(shè)置注膠管：鉸縫每隔5 m設(shè)置一道注膠管，并在鉸縫高端的端頭埋設(shè)一根測(cè)量管.

(4)板底封縫：用罐裝聚氨酯發(fā)泡材料沿板底縱向，由一端向另一端均勻封堵3～5 cm高度.

(5)封閉檢查：可通過(guò)加壓空氣試驗(yàn)或閉水試驗(yàn)檢驗(yàn)封縫質(zhì)量.如果沒(méi)有達(dá)到要求，對(duì)滲漏處進(jìn)行修補(bǔ).

(6)壓力灌注：使用灌漿機(jī)向鉸縫內(nèi)以0.3～0.5 MPa的壓力連續(xù)、緩慢、勻速地向縫內(nèi)壓入灌漿料，以漿體與板頂部持平并無(wú)氣泡為原則.

表1　高性能灌漿料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1　Main technical indexes of high-performance grouting material

2　試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)構(gòu)件

試驗(yàn)構(gòu)件采用某高速公路拆除的3片30 m跨空心板，見(jiàn)圖1，其斷面尺寸如圖2所示.板梁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C50，實(shí)測(cè)強(qiáng)度為54 MPa.檢測(cè)發(fā)現(xiàn)板梁主要病害為端部腹板斜裂縫和跨中底板橫向裂縫.因裂縫寬度不超過(guò)0.05 mm，試驗(yàn)前首先對(duì)板梁裂縫采用灌縫膠進(jìn)行封閉處理.

將板梁按照實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)板梁間距吊裝就位后，采用高性能灌漿料進(jìn)行灌縫處理，形成由3片板梁組成的裝配式空心板橋.

2.2試驗(yàn)加載及測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載照片如圖3所示，由傳感器、千斤頂、工字鋼、支墩、反力梁和混凝土配重等組成.加載方式為中板跨中的集中力加載，初始加載階段按照50 kN的增量進(jìn)行，后期根據(jù)試驗(yàn)情況逐步調(diào)整.

為研究各板梁的整體工作性能，加載過(guò)程中主要測(cè)試各空心板四分點(diǎn)及跨中豎向撓度，如圖4所示，每片板梁共布置6個(gè)撓度計(jì).

圖1　試驗(yàn)空心板Fig.1　Test hollow slab

圖2　試驗(yàn)空心板橫斷面圖(單位：cm)Fig.2　Cross section of test hollow slab (unit: cm)

圖3　試驗(yàn)加載照片F(xiàn)ig.3　Loading test picture

圖4　撓度計(jì)布置示意圖Fig.4　Schematic layout of deflection sensors

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1破壞過(guò)程和形態(tài)

加載初期板梁和鉸縫無(wú)異常，試驗(yàn)加載至806 kN時(shí)板縫有響動(dòng)，2號(hào)鉸縫頂面跨中至3/4跨有表觀裂縫出現(xiàn)，最大縫寬1 mm，局部發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，如圖5所示.

圖5　加載值806 kN時(shí)鉸縫開(kāi)裂Fig.5　Crack of hinge joint under load of 806 kN

當(dāng)荷載增大至829 kN時(shí)，裂縫持續(xù)增大，隨即伴有“砰”的響聲，鉸縫沿結(jié)合面破壞.鉸縫從表觀開(kāi)裂到破壞的過(guò)程極短，幾乎是結(jié)合面處裂縫產(chǎn)生時(shí)即發(fā)生破壞，屬于明顯的脆性破壞.圖6為2號(hào)鉸縫破壞后板梁底部的破壞形態(tài)，可以看出相鄰板梁間出現(xiàn)明顯的位移錯(cuò)動(dòng).

圖6　加載值829 kN時(shí)板梁明顯錯(cuò)動(dòng)Fig.6　Relative moving of hollow slab under load of 829 kN

3.2荷載-撓度曲線

試驗(yàn)過(guò)程中空心板各測(cè)試截面(沿空心板縱向設(shè)置5個(gè)截面，編號(hào)為1～5，其中1號(hào)、5號(hào)截面為支點(diǎn)截面，2號(hào)截面為L(zhǎng)/4跨截面，3號(hào)截面為跨中截面，4號(hào)截面為3L/4跨截面)荷載-撓度曲線如圖7所示，由圖7可知，加載初期，各空心板變形基本重合，整體受力性能良好.當(dāng)荷載增大至700 kN時(shí)，跨中截面和3/4截面2號(hào)鉸縫處兩板梁的位移變化開(kāi)始不協(xié)調(diào)；隨著荷載增大至806 kN時(shí)，1～3號(hào)板變形分別是30.3、29.2和28.7 mm；當(dāng)荷載增大至829 kN時(shí)，依次增加為31.5、29.5和29.1 mm；隨后荷載稍增大，2號(hào)鉸縫發(fā)生破壞，千斤頂讀數(shù)迅速降至665 kN，3號(hào)板撓度恢復(fù)至0.96 mm，1號(hào)板撓度增大至35.1 mm，2號(hào)板撓度增大至31.1 mm，表明鉸縫破壞后受力重分布效應(yīng)明顯.從荷載-撓度曲線變化的總體趨勢(shì)看，整個(gè)加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)基本處于線彈性狀態(tài)，彈塑性階段較短，其破壞帶有脆性特征.

圖7　各測(cè)試截面荷載-撓度曲線Fig.7　Load-deflection curves for the measured cross sections

3.3鉸縫兩側(cè)相對(duì)位移分析

圖8為試驗(yàn)過(guò)程中鉸縫兩側(cè)板梁相對(duì)位移隨荷載的變化曲線.由圖8可以看出，初始階段各斷面板梁的相對(duì)位移均較小，隨著荷載增大，相對(duì)位移呈增大趨勢(shì)，但2號(hào)鉸縫處的增大速度明顯大于1號(hào)鉸縫.當(dāng)荷載達(dá)到758 kN后，2號(hào)鉸縫處各測(cè)試斷面板梁相對(duì)位移出現(xiàn)明顯突變，表明鉸縫的剪切剛度快速退化，失去豎向傳力功能.

圖8　各測(cè)試截面荷載-板梁相對(duì)位移曲線Fig.8　Load-relative deflection curves for the measured cross sections

3.4與設(shè)計(jì)荷載的比較

試驗(yàn)板梁原橋橫向由8片板梁組成，設(shè)計(jì)荷載為汽超-20，掛車-120，對(duì)應(yīng)折算到單梁跨中集中荷載以及與試驗(yàn)結(jié)果的比較如表2所示.可以看出，以試驗(yàn)鉸縫開(kāi)裂荷載80.6 t作為對(duì)比依據(jù)，采用高性能灌漿料進(jìn)行鉸縫維修后對(duì)應(yīng)原橋設(shè)計(jì)荷載的超載儲(chǔ)備為1.74，表明了該維修技術(shù)能夠滿足實(shí)際工程的需要.

表2　折算后單梁試驗(yàn)與設(shè)計(jì)荷載的比較Tab.2　Comparison of equivalent test and design loads for single hollow slab

4　結(jié)論

筆者以實(shí)橋拆除的3片30 m跨空心板梁為對(duì)象，進(jìn)行了高性能灌漿料維修空心板橋鉸縫的足尺試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1)采用高性能灌漿料進(jìn)行鉸縫維修后，加載初期各板梁整體工作性能良好，極限狀態(tài)下破壞形態(tài)為鉸縫灌漿料與空心板結(jié)合面的縱向開(kāi)裂破壞，且具有明顯的脆性破壞特征.

(2)試驗(yàn)加載初期階段，各板梁豎向撓度基本相同，各板梁間相對(duì)位移較小，但在鉸縫裂縫出現(xiàn)后，荷載-撓度曲線和荷載-相對(duì)位移曲線均發(fā)生突變，鉸縫開(kāi)裂導(dǎo)致各板梁內(nèi)力重分布效應(yīng)明顯.

(3)通過(guò)與實(shí)橋設(shè)計(jì)荷載相比，采用高性能灌漿料進(jìn)行鉸縫維修后對(duì)應(yīng)原橋設(shè)計(jì)荷載的超載儲(chǔ)備為1.74.

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，在橋梁正常使用階段，采用高性能灌漿料進(jìn)行破損鉸縫修復(fù)后各板梁整體工作性能良好.考慮到實(shí)際空心板橋梁存在鉸縫鋼筋以及鋪裝層的共同作用，采用高性能灌漿料進(jìn)行空心板橋破損鉸縫的維修能夠滿足工程應(yīng)用的要求.

[1]黃民水, 朱宏平. 空心板梁橋“單板受力”病害機(jī)理及其加固處治研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(2):118-121.

[2]衛(wèi)軍,李沛,徐岳,等. 空心板鉸縫協(xié)同工作性能影響因素分析[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào),2011,24(2):29-33.

[3]唐國(guó)斌,項(xiàng)貽強(qiáng),管品武. 橋面鋪裝對(duì)中小跨徑橋梁力學(xué)性能影響研究[J]. 公路交通科技,2010,27(12):94-98.

[4]陳淮,張?jiān)颇?施加橫向預(yù)應(yīng)力加固裝配式空心板橋研究[J]. 公路交通科技,2008,25(10):58-62.

[5]李莎,戎賢,李鵬飛. 簡(jiǎn)支空心板梁橋橫向預(yù)應(yīng)力加固方法及效果研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2015,36(5): 73-77.

[6]蒲廣寧. 減梁增肋法加固空心板橋力學(xué)原理與工程應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院, 2012.

[7]胡慶安,張同舟,鄔曉光,等. Π形鋼板在橋梁加固工程中的應(yīng)用[J]. 公路,2011(10):98-101.

[8]葉見(jiàn)曙,劉九生,俞博,等. 空心板混凝土鉸縫抗剪性能試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技,2013,30(6):33-39.

[9]韓根生,張娟秀,葉見(jiàn)曙.空心板自密實(shí)微膨脹混凝土鉸縫抗剪性能研究[J]. 公路,2014(3):53-57.

[10]王渠,吳慶雄,陳寶春. 裝配式空心板橋鉸縫破壞模式試驗(yàn)研究[J]. 工程力學(xué),2014,31(S1):115-120.

[11]王銀輝,羅征,周懷治,等. 型鋼-混凝土組合加固裝配式板梁橋鉸縫試驗(yàn)[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2015,28(9):38-45.

Full-scale Experimental Study on Hinge Joint Repair of Hollow Slab Bridge with High-performance Grouting Material

YAN Weihong1,2，F(xiàn)U Lijun1,2，ZHAO Jun3

(1.Henan Transportation Research Institute CO., LTD, Zhengzhou 450015, China; 2.Research and Development Center on Bridge Safety Detection & Reinforcement Technology, Ministry of Transport, Zhengzhou 450015, China; 3.School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450015, China)

For the purpose of assessing the repair effect of hinge joint of hollow slab bridge with high-performance grouting material, a full-scale failure test of three hollow slabs with a span of 30m removed from highway bridges is conducted. The middle slab is concentrated loading after assembling these three hollow slabs and repairing the hinge joints using high-performance grouting material. Load-deflection curves for all the slabs are measured and analyzed, and the failure pattern is also presented. The test results show that the deflection of each slab is basically the same in the initial loading stage, which means the three slabs have a good overall working performance. At the ultimate loading stage, a longitudinal brittle fracture failure occurs in the interface between slab and grouting material. Compared with the design vehicle load, the overload safety factor is 1.74 when we adopt the repair technology of high-performance grouting material.

high-performance; grouting material; hollow slab; hinge joints; full-scale experiment

2016-03-30；

2016-06-19

河南省交通運(yùn)輸科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014K37-1)

閆衛(wèi)紅(1977—)，男，河南溫縣人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事公路及橋梁設(shè)計(jì)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)與加固技術(shù)等方面的研究， E-mail:394240484@qq.com．

1671-6833(2016)04-0077-05

U448.35

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.017