多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋裂縫成因與加固技術(shù)研究

孫雅旺

山西平榆高速公路有限責(zé)任公司 山西太原 031800

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展，在公路交通系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)施工過(guò)程中，對(duì)于橋梁工程項(xiàng)目的施工重視程度越來(lái)越高。由于我國(guó)很多地區(qū)橋梁工程項(xiàng)目在初期的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)以及后續(xù)的管理等工作方面沒有得到充分落實(shí)，存在很多缺陷和不足，受到這些因素的影響，很多大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋梁產(chǎn)生了不同程度的病害情況，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，橋梁主體結(jié)構(gòu)裂縫、橋梁跨中下?lián)弦约皹蛄菏褂媚途眯韵陆?，橋梁上部結(jié)構(gòu)的主梁，梁體結(jié)構(gòu)裂縫問題會(huì)造成橋梁的基礎(chǔ)承載能力不足，整個(gè)橋梁的剛性程度不符合標(biāo)準(zhǔn)，因此會(huì)直接影響到橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋裂縫問題的產(chǎn)生，會(huì)加快橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土的碳化速率以及鋼筋材料的腐蝕程度，進(jìn)而會(huì)造成主梁結(jié)構(gòu)的耐久性下降，直接影響到橋梁的使用周期。對(duì)此，必須要對(duì)多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋內(nèi)部問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，同時(shí)提出針對(duì)性的加固處理工作策略來(lái)加以控制。

1 項(xiàng)目背景

此分離式橋跨徑是10m×30m，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，其截面采用的是單箱單室，底板和橋面的橫坡保持一致。箱梁的高度是1.5m，頂板的寬度是15.08m，底板的寬度是6.28m，跨中截面頂板的厚度是25cm，底板的厚度是20cm。此橋左幅橋的實(shí)測(cè)基頻和理論頻率比較小，局部裂縫寬度超限，且部分裂縫修補(bǔ)之后仍然具有延伸態(tài)勢(shì)，較少裂縫修補(bǔ)之后又重新開裂。針對(duì)11#跨左幅橋右側(cè)腹板和梗斜連接位置縱向裂縫實(shí)施鉆芯取樣，確定的裂縫長(zhǎng)度是8.9m，裂縫寬度是0.7mm，貫穿于整個(gè)腹板厚度。短時(shí)間之內(nèi)不會(huì)直接出現(xiàn)橋梁垮塌危害，但是受汽車荷載的沖擊會(huì)造成裂縫延伸，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度及行車安全性造成不利影響?；跇O限狀態(tài)下，鋼筋可能會(huì)屈服，引發(fā)梁體錯(cuò)位。經(jīng)過(guò)綜合評(píng)定主梁技術(shù)狀態(tài)屬于四類，且主梁結(jié)構(gòu)的承載能力減弱，已無(wú)法保證功能正常使用，所以必須實(shí)施維修加固。

2 裂縫成因分析

2.1 腹板縱向裂縫

裂縫分布。裂縫形成于承托和腹板外側(cè)交接位置，朝縱向延伸，主要分布在1/4跨至3/4跨。此類裂縫的數(shù)量是8條，其中11#跨與10#跨右幅一共是6條，3#跨與8#跨是2條。而11#跨左幅裂縫的長(zhǎng)度接近是8.8m，寬度是0.7mm，經(jīng)檢測(cè)深度貫穿腹板。結(jié)合檢測(cè)報(bào)告可知，此裂縫尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，仍然具有發(fā)展趨勢(shì)。2018年9月，11跨箱梁開孔后實(shí)施入箱檢測(cè)，確定箱內(nèi)對(duì)應(yīng)部位存在且較為嚴(yán)重。

成因分析。結(jié)合橋梁施工與監(jiān)理日志，此橋10#跨與11#跨箱梁豎向劃分成2次進(jìn)行澆筑，首次澆筑底板與腹板，二次實(shí)施頂板澆筑，倒角和腹板的交界面需要通過(guò)2次澆筑分界面，11#跨右幅2次澆筑施工需要將間隔時(shí)間控制為6d。考慮到交界面處理不當(dāng)，以致于新、舊混凝土沒有完全粘結(jié)，同時(shí)受混凝土收縮、徐變等條件的影響，使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。此橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，其中底板的寬度比較小，翼緣寬度偏大，造成腹板結(jié)構(gòu)抗彎剛度以及承載力比較弱，橋梁后期運(yùn)行階段，箱梁的撓度、行車振動(dòng)進(jìn)一步加劇了裂縫問題[1]。

2.2 底板橫向裂縫

裂縫分布。箱梁底板中橫向裂縫的數(shù)量是136條，各跨均形成了裂縫，主要分布于1/4跨至3/4跨。新形成的裂縫接近為45條，實(shí)施修補(bǔ)的裂縫數(shù)量接近是72條，修補(bǔ)之后重新開裂的裂縫數(shù)量是3條，修補(bǔ)處理后延伸的裂縫16條。

成因分析。此橋梁的高度與底板厚度都比較小，造成其結(jié)構(gòu)承載力不足。與此同時(shí)，此橋日行車量接近為2.3萬(wàn)輛，其中超載車輛接近為2800輛，橋梁處在超負(fù)荷狀態(tài)，使得箱梁底板彎曲變形，從而砼縱向拉應(yīng)力＞抗拉強(qiáng)度，造成箱梁底板形成橫向裂縫（屬于受力裂縫）。

2.3 垂直接縫

與支座相距6m位置的箱梁形成了環(huán)形裂縫，局部裂縫貫通底板、腹板以及翼緣板。此橋一共包含8個(gè)梁段現(xiàn)場(chǎng)澆筑，確定的節(jié)段接縫與支座相距6m。所以判斷得出此裂縫是因?yàn)槭┕み^(guò)程中節(jié)段接縫處理不當(dāng)，以及前后節(jié)段砼材料性能存在差異而引發(fā)的。

2.4 剛度退化

橋梁正常運(yùn)營(yíng)條件下經(jīng)過(guò)檢測(cè)得出最大動(dòng)撓度形成于11#跨左幅，具體數(shù)值是5.628mm，最大沖擊系數(shù)形成于11#跨左幅，具體數(shù)值是1.229，超過(guò)了理論基頻計(jì)算數(shù)值1.189。同時(shí)11#跨左幅橋的基頻實(shí)際測(cè)量數(shù)值是2.88Hz，低于理論數(shù)值3.11Hz。由此說(shuō)明此橋整體剛度出現(xiàn)了退化。從本質(zhì)上分析，剛度是評(píng)價(jià)箱梁的一項(xiàng)關(guān)鍵性力學(xué)指標(biāo)，其能夠直觀反映出箱梁結(jié)構(gòu)承載性與整體性。11#跨裂縫相對(duì)較為嚴(yán)重，同時(shí)裂縫具有發(fā)展態(tài)勢(shì)，這就造成箱梁剛度弱化，直接影響了箱梁應(yīng)力狀態(tài)與動(dòng)力特性。

3 加固技術(shù)

3.1 整體加固工作方案

針對(duì)本次橋梁工程項(xiàng)目的實(shí)際使用工作情況，為了有效改善結(jié)構(gòu)受力性能，有效降低橋梁覆板的主拉應(yīng)力作用，提高橋梁上部結(jié)構(gòu)相良的承載能力，在整體加固工作方案上使用體外運(yùn)用力加固設(shè)計(jì)工作方案，各話均使用8束15.24-15的預(yù)應(yīng)力鋼束來(lái)進(jìn)行加固處理，同時(shí)有效配合張啦錨固錨具，張拉控制力大小為1209MPa，體外預(yù)應(yīng)力鋼束使用的是沿著項(xiàng)梁的底板和頂板的分散位置加固處理方法。通過(guò)使用墩體頂部的橫梁進(jìn)行張拉錨固處理，邊跨體外束使用的是墩頂，一端張拉處理工作方法，次邊跨和中跨位置使用兩端直接張拉的處理工作方法，轉(zhuǎn)向位置使用后加轉(zhuǎn)向橫梁支撐結(jié)構(gòu)形式。在對(duì)應(yīng)位置的頂板底板位置，設(shè)置出減震器設(shè)備，轉(zhuǎn)向橫梁位置使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩體頂部位置采用的是預(yù)應(yīng)力鋼筋交叉錨固處理方法，因?yàn)殄^塊的受力程度相比較大，因此需要將兩個(gè)墩體頂部的橫梁之間通過(guò)使用混凝土對(duì)其進(jìn)行直接連接，使得兩個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的整體實(shí)現(xiàn)共同受力。

3.2 砼裂縫與缺陷處理

維修加固之前必須全面檢查橋梁裂縫情況，認(rèn)真復(fù)核裂縫的長(zhǎng)度、寬度以及分布等，然后繪制完善的裂縫分布圖，以便于實(shí)施工程計(jì)量與分類處理。其中裂縫寬度超過(guò)0.15mm，采用的是壓力灌漿處理方式；裂縫寬度低于0.15mm，采用的是表面封閉處理方式。而箱梁底板實(shí)施碳纖維布粘貼位置，裂縫寬度低于0.15mm不作處理[2]。針對(duì)砼表面缺陷而言，選擇聚合物砂漿實(shí)施修補(bǔ)；針對(duì)鋼筋與預(yù)埋板的外露現(xiàn)象，則采用表面除銹處理，然后均勻地涂抹一層阻銹劑，并選擇聚合物砂漿實(shí)施修補(bǔ)。

3.3 箱梁腹板縱向裂縫處理

此橋11#跨縱向裂縫發(fā)展尤為嚴(yán)重，長(zhǎng)度接近為8.8m，同時(shí)開孔位置貫穿腹板。通過(guò)荷載試驗(yàn)可知，11#跨剛度減弱，箱梁內(nèi)檢得出箱內(nèi)病害更加嚴(yán)重。經(jīng)綜合分析11#跨實(shí)際情況，需要對(duì)10#跨與11#跨箱梁腹板的縱向裂縫實(shí)施加固處理，具體措施是：腹板縱向裂縫采用壓力灌漿處理措施；從腹板內(nèi)側(cè)與外側(cè)以對(duì)稱方式粘貼加勁鋼板（選擇的是Q345B級(jí)鋼板），寬度是200mm，厚度是8mm[3]。為了能夠更好適應(yīng)箱內(nèi)倒角，所以決定選擇熔透對(duì)接焊方式，把加勁鋼板條和粘貼鋼板焊接成為一體，然后實(shí)施粘貼作業(yè)。此項(xiàng)目中鋼板粘貼采取的是壓力灌注方式。

實(shí)施鉆孔之前，應(yīng)對(duì)箱梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束和主筋位置進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，結(jié)合具體狀況設(shè)置螺桿，通過(guò)調(diào)整有效避開箱梁中的預(yù)應(yīng)力鋼束與主筋，從而提升鉆孔成功率。砼基體內(nèi)孔位鉆制結(jié)束且檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)之后，結(jié)合砼孔位放樣進(jìn)行鋼板孔位的粘貼，同時(shí)確保孔位準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。設(shè)置的螺桿選擇的是Q345級(jí)鋼材，其直徑φ=12mm，植入的深度控制是120mm[4]。待鋼板粘貼結(jié)束后，采用壓力灌漿方式處理箱梁腹板的縱向裂縫，針對(duì)粘貼鋼板的外路面則要設(shè)置防腐涂裝，具體涂裝防護(hù)詳見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)涂裝防護(hù)

對(duì)于頂板縱向裂縫處理工作而言，通過(guò)使用重做橋面進(jìn)行混凝土鋪裝加固施工處理效果非常明顯。通過(guò)拆除原有的鋪裝結(jié)構(gòu)，并且現(xiàn)澆10cm厚度的混凝土，鋪裝層涂抹防水層材料，然后再鋪設(shè)5cm厚度的瀝青混凝土材料作為面層結(jié)構(gòu).在拆除原有橋梁的鋪裝層材料之后，首先需要使用結(jié)構(gòu)膠密封箱梁頂板的裂縫，然后箱梁的頂面位置需要植入直徑大小為12mm的鋼筋材料，通過(guò)現(xiàn)澆10cm厚度的混凝土鋪裝層，保證箱梁的頂板和鋪裝混凝土之間形成疊合梁共同受力條件，防水層部分使用統(tǒng)一的防水涂料。在本次工程施工過(guò)程中使用的是聚合物改性瀝青材料，對(duì)于材料的性能必須要符合現(xiàn)行的道橋用水土料控制工作標(biāo)準(zhǔn)，最后通過(guò)鋪設(shè)5cm厚度的細(xì)顆?；炷敛牧蟻?lái)作為基礎(chǔ)層材料。新做的橋面鋪裝層和箱梁頂板位置組合成新型的疊合梁結(jié)構(gòu)，可以有效解決以往鋪裝層頂板位置材料較薄問題的影響，可以有效增加頂板的抗彎折能力，兩層鋪裝層之間需要做好防水處理，有效解決頂板產(chǎn)生的滲水和漏水問題，同時(shí)瀝青鋪裝施工可以有效降低汽車行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的路面沖擊效應(yīng)，可以延長(zhǎng)道路基礎(chǔ)面結(jié)構(gòu)的使用耐久度和穩(wěn)定性[5]。

3.4 箱梁底板開制進(jìn)入孔

為了增強(qiáng)加固性，需要從11#跨、10#跨的左幅、右幅箱梁底板位置開制進(jìn)入孔，數(shù)量一共是4個(gè)。進(jìn)入孔與墩中心相距6.2m，確定的開孔直徑φ=800mm。開孔施工之前，應(yīng)從開孔部位粘貼鋼板實(shí)施預(yù)加固處理，其中鋼板選擇的是Q345B，確定的厚度是8mm。

3.5 箱梁底板橫向裂縫處理

此項(xiàng)目中箱梁底板的橫向裂縫處理使用加固的措施是粘貼碳纖維布，當(dāng)?shù)装屙湃毕菖c裂縫處理結(jié)束后才能夠粘貼碳纖維布，同時(shí)按照規(guī)定要求認(rèn)真、仔細(xì)檢查，保證合格后需要實(shí)施防護(hù)涂裝，具體防護(hù)體系詳見表2。

表2 碳纖維布防護(hù)

可以通過(guò)使用結(jié)構(gòu)膠對(duì)底板的裂縫位置進(jìn)行灌漿處理，然后通過(guò)使用橫向張拉運(yùn)力纖維板的處理工作方法，提高橫向連接材料的剛性程度。預(yù)應(yīng)力碳纖維板材料型號(hào)為CFP100-20材料的寬度為100mm，厚度大小為兩mm，材料縱向間距大小為50cm，這種加固處理方法屬于一種主動(dòng)加固處理形式，通過(guò)橫向預(yù)應(yīng)力作用可以保證裂縫問題完全閉合，提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛性程度和耐久性，同時(shí)還可以進(jìn)一步限制裂縫問題的進(jìn)一步發(fā)展。

3.6 節(jié)段接縫處理

此項(xiàng)目選擇的是分段滿堂支架現(xiàn)澆施工方式，與墩中心相距6m位置建立節(jié)段接縫。考慮到接縫位置開裂現(xiàn)象較為嚴(yán)重，局部裂縫貫通底板、腹板以及翼緣板，所以需要從接縫位置設(shè)置U形槽，然后填充水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，其中槽的寬度是20mm，深度是200mm，騎縫開制詳見圖1所示，同時(shí)要實(shí)施養(yǎng)護(hù)處理，保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥72h。

圖1 節(jié)段接縫處理

3.7 砼表面涂裝

此項(xiàng)目砼涂裝防護(hù)體系采用的是長(zhǎng)效型設(shè)計(jì)，防護(hù)年限是20年。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合橋梁工程項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合分析了多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋加固技術(shù)，主要包含了砼裂縫與缺陷處理、箱梁腹板縱向裂縫處理、箱梁底板橫向裂縫處理、節(jié)段接縫處理以及砼表面防護(hù)涂裝等。研究表明，此項(xiàng)目采用的加固技術(shù)合理、可行，確保了多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)安全。