注漿修復(fù)空心板橋破損鉸縫技術(shù)研究

姚嘉 靳昊 易忠來 王光明

(1.北京市市政工程研究院 100037；2.中國鐵道科學(xué)研究院 北京100081 )

引言

空心板橋結(jié)構(gòu)簡單, 造價(jià)經(jīng)濟(jì), 便于施工,因此自20 世紀(jì)80 年代起在我國公路小跨徑橋梁建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用。 受空心板橋結(jié)構(gòu)所限,需設(shè)置橫向連接構(gòu)造使各板梁共同承受外部荷載, 常用的橫向連接方式有企口混凝土鉸縫和鋼板焊接。 隨著時(shí)間增長, 在役空心板橋會(huì)出現(xiàn)不同形式的病害, 其中, 企口混凝土鉸縫病害是個(gè)普遍的現(xiàn)象。

企口混凝土鉸縫破壞起初表現(xiàn)為局部裂縫導(dǎo)致的滲水泛堿, 由此引發(fā)鉸縫鋼筋銹脹, 在長期動(dòng)荷載作用下, 鉸縫開裂、 脫落甚至發(fā)生錯(cuò)臺(tái), 最終形成單板受力狀態(tài), 嚴(yán)重影響橋梁的使用壽命。

采用注漿修復(fù)破損的企口混凝土鉸縫可最大限度地減小對(duì)橋面交通的影響, 且操作簡單, 施工快速, 近年來在空心板橋的養(yǎng)護(hù)維修工作中逐漸得到推廣。 該技術(shù)現(xiàn)有研究多集中于施工工藝, 但通過對(duì)部分現(xiàn)有注漿修復(fù)后的空心板橋進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè), 發(fā)現(xiàn)鉸縫修復(fù)結(jié)構(gòu)在恢復(fù)使用一段時(shí)期后仍有開裂、 脫落的現(xiàn)象。 我國已建的空心板橋的混凝土鉸縫形式按鉸縫在空心板中性軸的位置分為淺鉸縫、 中鉸縫及深鉸縫3 種, 本文通過有限元計(jì)算, 進(jìn)一步優(yōu)化注漿修復(fù)空心板破損鉸縫技術(shù)。

1 深鉸縫受力研究

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算分析采用通用有限元軟件ANSYS, 其中, 混凝土結(jié)構(gòu)采用solid65 單元模擬。 板梁計(jì)算長度10m, 共7 根, 自左向右編號(hào)1 ～7 號(hào)板梁, 上鋪厚度10cm 的橋面鋪裝。 鉸縫結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立建模, 自左向右編號(hào)1 ～6 號(hào)鉸縫, 與兩側(cè)板梁采用綁定接觸。 對(duì)全橋進(jìn)行簡支約束。 模型材料參數(shù)見表1, 計(jì)算構(gòu)件編號(hào)見圖1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖1 構(gòu)件編號(hào)Fig.1 Component code numbers

板梁截面及鉸縫尺寸參照《公路橋涵通用圖裝配式混凝土簡支空心板梁上部構(gòu)造》中深鉸縫構(gòu)造, 計(jì)算模型見圖2。 該模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu), 為方便對(duì)比, 在跨中位置自邊梁至中梁分別加載大小為 50kN 的豎向荷載。

圖2 有限元計(jì)算模型Fig.2 FEM model

1.2 鉸縫主應(yīng)力

現(xiàn)選取工況1(偏載工況, 集中力位于1 號(hào)板梁)及工況2(中載工況, 集中力位于4 號(hào)板梁)加以說明, 此兩種工況下, 全橋豎向變形見圖3。各鉸縫主應(yīng)力見圖4。

圖3 全橋豎向變形(單位: m)Fig.3 Vertical deformation(unit: m)

圖4 鉸縫主應(yīng)力(單位: Pa)Fig.4 Principal stress of hinged seam(unit: Pa)

由圖3、 圖4 可知, 在此兩個(gè)荷載工況下,鉸縫結(jié)構(gòu)以縱向下?lián)蠟橹? 但兼具橫向彎曲變形。 鉸縫頂面受壓應(yīng)力作用, 鉸縫底面受拉應(yīng)力作用, 且跨中截面為最不利位置, 工況1 鉸縫受力較工況2 明顯。 荷載傳遞趨勢(shì)大體相同, 即通過鉸縫傳遞至相鄰板梁, 靠近荷載作用位置的鉸縫受影響較為顯著。

1.3 鉸縫橫向受力

鉸接板理論偏重鉸縫受剪而忽視其受拉, 實(shí)際工程中亦發(fā)現(xiàn)鉸縫破損多為受拉開裂, 故在此重點(diǎn)討論鉸縫橫向受力。 鉸縫底部距其兩側(cè)板梁底面最近, 因此橫向拉應(yīng)力極值應(yīng)位于該區(qū)域。由圖5 可知, 鉸縫底部在跨中位置及支座處的橫向受力較大。

工況1 作用下, 1 號(hào)鉸縫底部跨中截面所受拉應(yīng)力最大, 其值為0.68MPa, 2 號(hào)～6 號(hào)鉸縫底部跨中截面受壓, 壓應(yīng)力向遠(yuǎn)離荷載方向減小。 造成此現(xiàn)象的原因是在偏載作用下, 跨中截面的橫向受力狀態(tài)可認(rèn)為是7 個(gè)梁段, 各梁段間采用半剛性連接, 各梁段下為彈簧支撐, 在一側(cè)作用偏載時(shí), 遠(yuǎn)離荷載側(cè)所受影響微小。 因此,跨中截面靠近偏載側(cè)區(qū)域的橫向受力近似于懸臂梁懸臂端受力結(jié)構(gòu), 即上緣受拉, 下緣受壓, 見圖6。 其中, 偏載作用側(cè)為懸臂端(由于邊梁缺乏約束), 遠(yuǎn)離荷載側(cè)為固定端(因遠(yuǎn)離荷載側(cè)所受影響微小), 因此在跨中截面鉸縫底部會(huì)出現(xiàn)橫向壓應(yīng)力。 靠近荷載作用的鉸縫所受影響較大, 故偏載作用側(cè)的邊梁鉸縫跨中截面受橫向彎扭效應(yīng)影響最大, 此現(xiàn)象也充分說明了鉸縫對(duì)荷載傳遞能力的重要性。

圖5 各鉸縫底部橫向應(yīng)力Fig.5 Horizontal stress at the bottom of hinged seam

圖6 工況1 跨中截面橫向位移(單位: m)Fig.6 Horizontal displacement of midspan section in case 1(unit: m)

工況2 作用下, 3 號(hào)及4 號(hào)鉸縫底部跨中截面所受拉應(yīng)力最大, 其值均接近2MPa, 2 號(hào)～6號(hào)鉸縫底部跨中截面受拉, 拉應(yīng)力向遠(yuǎn)離荷載方向?qū)ΨQ減小。

由上述計(jì)算可知, 板梁承受偏心載荷時(shí), 其變形既有撓曲又有轉(zhuǎn)動(dòng), 鉸縫連接各空心板會(huì)牽連相鄰板梁的撓曲及轉(zhuǎn)動(dòng)。 板梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生橫向水平位移, 通過鉸縫和橋面鋪裝對(duì)相鄰板梁作用水平應(yīng)力(拉力或壓力)。 在行車荷載作用下, 結(jié)構(gòu)發(fā)生變形隨后恢復(fù)會(huì)交替產(chǎn)生相反的作用力, 反復(fù)作用下會(huì)加劇鉸縫損傷。

2 鉸縫構(gòu)造研究

2.1 鉸縫形式影響

荷載工況不變, 空心板梁尺寸參照《公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板》,僅修改鉸縫形式,建立一淺鉸縫模型, 計(jì)算模型見圖7。

兩種荷載工況下, 板梁底部豎向位移見圖8。

圖7 有限元計(jì)算模型Fig.7 FEM model

圖8 各板梁底部豎向位移Fig.8 Vertical displacement at the bottom of plate beam

由圖8 可以看出, 采用深鉸縫的空心板橋,在兩種工況作用下, 各主梁跨中截面梁底的撓度相差較小, 橫向變化較為平緩, 全橋受力均勻；而采用淺鉸縫的空心板橋在此兩種工況下, 各板跨中截面的撓度相差較大, 橫向變化較為陡峭,各主梁受力的差異較大, 處于荷載直接作用下的主梁, 其受力最不利, 遠(yuǎn)離荷載的主梁受力較小。

計(jì)算對(duì)比結(jié)果說明深鉸縫的橫向傳力性能比淺鉸縫好, 因此, 應(yīng)盡可能采用深鉸縫形式, 從而提高全橋共同受力能力。

2.2 鉸縫構(gòu)造改進(jìn)建議

(1)修復(fù)破損鉸縫時(shí), 應(yīng)考慮鉸縫所受橫向應(yīng)力(特別是橫向拉力)影響, 注漿修復(fù)應(yīng)增設(shè)橫向受力筋, 條件允許下, 鉸縫底面應(yīng)與兩側(cè)板梁錨固, 鉸縫頂面應(yīng)與其上橋面鋪裝錨固, 鉸縫內(nèi)應(yīng)布置交叉受力鋼筋, 沿行車方向應(yīng)布設(shè)通長鋼筋, 見圖9。

(2)對(duì)早期建造的淺鉸縫空心板橋, 條件允許下, 可適當(dāng)將鉸縫擴(kuò)大為深鉸縫, 再進(jìn)行注漿修復(fù)。

圖9 鉸縫植筋構(gòu)造Fig.9 Reinforcing bar in hinged seam

3 鉸縫材料研究

3.1 鉸縫材料彈性模量

荷載工況不變, 計(jì)算模型同圖2, 僅改變鉸縫材料性能, 分別模擬 C40、 C60、 C80 混凝土及環(huán)氧樹脂材料鉸縫, 計(jì)算得到在偏載及中載工況下跨中截面各板梁梁底撓度如圖10 所示。

圖10 各板梁梁底豎向位移Fig.10 Vertical displacement at the bottom of plate beam

由圖10 可知, 工況1、 工況2 荷載作用下,隨著鉸縫材料彈性模量的增大, 空心板橋跨中截面各板梁梁底的撓度變化減小, 全橋橫向撓度曲線也隨之變的平緩, 但撓度減少幅度微小。 因此, 在其他條件相同的前提下, 采用模量較高的材料填充鉸縫雖能提高空心板梁橋的整體剛度,但是效果不佳。

3.2 鉸縫材料粘接性能

板梁與鉸縫修復(fù)結(jié)構(gòu)不能同時(shí)成形, 兩者通過接觸面粘接。 規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367 -2006)規(guī)定, 混凝土修復(fù)材料的粘接強(qiáng)度應(yīng)滿足≥2.5MPa 且底材(板梁混凝土)發(fā)生破壞。 但在實(shí)際工程中, 鉸縫修復(fù)結(jié)構(gòu)脫落, 而相鄰板梁接觸面卻未發(fā)生破壞的現(xiàn)象較為常見。因此, 可以斷定兩者的粘接強(qiáng)度并不滿足設(shè)計(jì)要求, 提高接觸面粘結(jié)強(qiáng)度是增強(qiáng)鉸縫承載力的關(guān)鍵。

采用水泥基注漿材料時(shí), 受場地所限, 往往無法做到振搗密實(shí)。 此外, 水泥混凝土的收縮徐變會(huì)使新舊結(jié)構(gòu)的粘接發(fā)生弱化, 修復(fù)質(zhì)量難以保障。 近年來, 環(huán)氧樹脂材料逐步應(yīng)用于板梁鉸縫修復(fù)工程, 該類材料具有強(qiáng)度高、粘接性能好、 固化收縮小等優(yōu)點(diǎn), 其主要材料參數(shù)見表2。

表2 環(huán)氧樹脂的材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of epoxy resin

環(huán)氧樹脂材料具有反應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn), 實(shí)際修復(fù)工程中, 往往要求不中斷或少中斷橋上交通。 一旦開放行車, 動(dòng)荷載勢(shì)必會(huì)對(duì)未能反應(yīng)充分的鉸縫修復(fù)材料造成擾動(dòng)。 尤其在環(huán)氧樹脂進(jìn)入凝膠階段時(shí), 漿液進(jìn)入固化相, 但此時(shí)環(huán)氧樹脂只是局部發(fā)生固化, 其性狀為類似橡膠的軟膠凝物, 在此階段應(yīng)避免干擾。 因此, 在滿足材料性能要求的前提下, 應(yīng)對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性, 加快反應(yīng)速度, 形成早期強(qiáng)度, 減少行車影響。

3.3 鉸縫材料改進(jìn)建議

(1)鉸縫修復(fù)材料的彈性模量不是修復(fù)效果的主因, 一味選取模量大的材料既不經(jīng)濟(jì), 效果亦不佳。

(2)粘接性能是鉸縫修復(fù)材料的關(guān)鍵, 對(duì)中斷交通困難的修復(fù)工程, 早期強(qiáng)度應(yīng)納入重點(diǎn)考量。

(3)提高粘接性能并不只局限于材料性能,應(yīng)配合接觸面改造、 植筋等措施綜合改善。

5 結(jié)語

采用注漿修復(fù)空心板破損鉸縫可增強(qiáng)各板梁間的橫向荷載傳遞能力, 但增強(qiáng)效果取決于鉸縫修復(fù)結(jié)構(gòu)與空心板的粘接能力。 本文通過理論計(jì)算, 對(duì)空心板橋鉸縫受力進(jìn)行分析, 從鉸縫構(gòu)造和鉸縫材料兩方面提出改進(jìn)建議, 可在同類橋梁修復(fù)工程中推廣使用。