鋼管混凝土拱橋拱肋密實(shí)度缺陷診斷及加固修復(fù)技術(shù)

程浩 中交二航局建筑科技有限公司

1.鋼管混凝土拱肋概述

鋼管混凝土拱肋是拱橋中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，基本結(jié)構(gòu)是鋼管內(nèi)填混凝土，此方式可有效維持鋼管管壁的穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的承載性能。鋼管通常以型材或鋼板卷制焊接的方法設(shè)置成型，管內(nèi)澆筑C30至C60強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。通常，混凝土拌和時(shí)摻入適量的膨脹劑，以保證填充至鋼管內(nèi)的混凝土有足夠的密實(shí)性，避免混凝土出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。但膨脹劑用量的控制較為微妙，若偏少，混凝土往往有較為明顯的收縮現(xiàn)象，鋼管內(nèi)混凝土的密實(shí)度欠佳，容易出現(xiàn)缺陷；若偏多，混凝土異常膨脹，可能由于較強(qiáng)的膨脹作用而導(dǎo)致鋼管結(jié)構(gòu)受損。因此，需靈活控制膨脹劑的使用量。

在保證混凝土和鋼管的質(zhì)量均無(wú)誤后，泵送頂升澆灌混凝土，但施工期間可能出現(xiàn)混凝土密實(shí)度不足的問(wèn)題，導(dǎo)致成型的鋼管混凝土拱肋存在缺陷，無(wú)法正常使用。為此，以科學(xué)的方法做好鋼管混凝土拱肋密實(shí)度的診斷工作具有必要性，若確實(shí)存在密實(shí)度缺陷，則及時(shí)處理，直至鋼管混凝土拱肋有足夠的密實(shí)性為止。

2.項(xiàng)目概況

龍?zhí)逗犹卮髽蛭挥谝瞬酗鰵w縣S334武大線，其中心樁號(hào)為K472+192。全橋孔跨布置為(20+20+208+20)m，其中主跨為208m中承式鋼管混凝土無(wú)鉸拱，邊跨為3孔20m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T梁，全橋橋面連續(xù)，在梁端與橋臺(tái)接縫處設(shè)置伸縮縫。該橋于2000年建成通車(chē)。

3.鋼管混凝土拱肋質(zhì)量診斷的常見(jiàn)方法

3.1 人工敲擊法

人工敲擊法主要以鋼管混凝土拱肋被敲擊后產(chǎn)生的回響進(jìn)行質(zhì)量判斷，明確混凝土是否與鋼管脫落。人工敲擊法的操作具有便捷性，主要依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，但缺乏扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，屬于粗放化的檢測(cè)方法，難以準(zhǔn)確地判斷缺陷的類(lèi)型。由于人工敲擊法的局限性，不宜將其作為鋼管混凝土拱肋缺陷診斷的關(guān)鍵方法，僅能夠作為輔助手段。例如，先以人工敲擊的方法初步確定質(zhì)量缺陷的部位，再采取其它高精度的方法，精準(zhǔn)鎖定缺陷部位，判斷缺陷的類(lèi)型。

3.2 超聲波檢測(cè)法

在鋼管混凝土的缺陷診斷中采用超聲波檢測(cè)法時(shí)，該結(jié)構(gòu)在有無(wú)缺陷時(shí)對(duì)應(yīng)的聲時(shí)、波幅、相位等參數(shù)均不盡相同(見(jiàn)圖1)，因此可根據(jù)此類(lèi)參數(shù)判斷是否存在缺陷。

圖1 超聲波在無(wú)缺陷鋼管混凝土中傳播示意圖

在應(yīng)用超聲波檢測(cè)法時(shí)，需滿足如下基本前提：相比于超聲波在鋼管壁繞射的聲時(shí)值（見(jiàn)圖2），超聲波通過(guò)混凝土的聲時(shí)值應(yīng)更小。若不具備此條件，超聲波首波無(wú)法穿過(guò)混凝土，此時(shí)探頭接收到的僅是沿鋼管壁傳遞的超聲波，自然無(wú)法判斷鋼管混凝土的內(nèi)部缺陷。

圖2 超聲波沿鋼管壁傳播示意圖

在鋼管混凝土無(wú)缺陷時(shí)，具有如下關(guān)系：

式中：T-超聲波直接透射穿過(guò)鋼管混凝土的時(shí)間（s）；V-超聲波透射穿過(guò)鋼管混凝土的速度（m/s）；T-超聲波沿鋼管壁繞射的時(shí)間（s）；V-超聲波沿鋼管壁繞射的速度（m/s）。

值得說(shuō)明的是，鋼管壁厚相較于鋼管內(nèi)徑明顯偏小，為了便于分析，可直接省去鋼管壁的厚度，此時(shí)混凝土路徑等同于鋼管外徑。

4.鋼管混凝土拱肋密實(shí)度缺陷的診斷

在本工程的鋼管混凝土拱肋密實(shí)度缺陷診斷中，聯(lián)合應(yīng)用到便捷性較好的敲擊法和準(zhǔn)確度較高的超聲波法。先以敲擊法檢測(cè)拱肋，確定回聲異常的部位，再用超聲法針對(duì)此類(lèi)部位以及關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，具體的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鋼管混凝土拱肋密實(shí)度缺陷診斷結(jié)果

在關(guān)鍵截面的檢測(cè)中，局部的聲速值存在異常，例如：4根主拱肋拱頂和2/8L截面（L為橋梁計(jì)算跨度）的聲速值偏低，認(rèn)為該處有混凝土脫粘的情況；4/8L截面處也有異常，主要表現(xiàn)為混凝土沿截面拱頂向兩側(cè)脫粘。究其原因，與混凝土齡期的增加有關(guān)，此時(shí)混凝土呈現(xiàn)出收縮變化，與鋼管壁的粘附性下降。不僅于此，鋼管側(cè)面、鋼管與立柱交接處等多個(gè)部位也有不同程度的脫粘。

5.靜載試驗(yàn)

靜力加載試驗(yàn)中，采用汽-超20級(jí)荷載，測(cè)試部位包含拱肋的跨中截面、L/8截面、L/4 截面、3L/8截面、拱腳截面，分別測(cè)試此類(lèi)部位在加載時(shí)的應(yīng)力、變形量，系統(tǒng)性地判斷結(jié)構(gòu)在荷載作用下的具體狀態(tài)。

拱肋拱腳截面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為0.81～1.15，認(rèn)為拱腳截面的強(qiáng)度偏弱；L/4 截面的該值在0.78～1.00，截面強(qiáng)度相對(duì)較高，基本可以達(dá)到要求?？缰薪孛嬖谧畲髲澗丶虞d工況時(shí)的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)為1.80～3.28，判斷跨中拱肋截面強(qiáng)度不足，無(wú)法達(dá)到要求。從各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變率來(lái)看，該值均在20%以內(nèi)，在整個(gè)加載期間，應(yīng)力呈線性變化，即便試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示該截面的應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)較大，但結(jié)構(gòu)仍維持彈性工作狀態(tài)。各工況下，拱肋的豎向位移校驗(yàn)系數(shù)為0.53～1.00，順橋向變形校驗(yàn)系數(shù)最大為0.83，在各級(jí)荷載作用下，拱肋均呈彈性變形狀態(tài)。卸載后，殘余變形值減小，橋梁的結(jié)構(gòu)豎向靜力剛度達(dá)到要求，總體來(lái)看，跨中拱頂截面應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)偏大，此數(shù)據(jù)揭示的現(xiàn)象是鋼管和混凝土有較為明顯的脫黏，有必要采取加固維修措施，保證鋼管混凝土的密實(shí)度。

6.鋼管混凝土拱肋密實(shí)度缺陷的加固修復(fù)技術(shù)

6.1 基本思路

經(jīng)過(guò)密實(shí)度缺陷診斷后，確定缺陷的分布范圍，以負(fù)壓輔助注漿的方法做加固處理。先抽走混凝土孔洞部位的空氣，使該處保持負(fù)壓，再向其中灌注膠液。拱肋密實(shí)度缺陷的處理按照由拱腳到拱頂?shù)捻樞蛞来芜M(jìn)行，最終確保拱肋缺陷部位有足夠的密實(shí)性。

6.2 準(zhǔn)備工作

結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步精準(zhǔn)確定縫隙的位置和寬度；根據(jù)局部密實(shí)度不足的情況，合理規(guī)劃鉆孔位置，控制鉆孔的數(shù)量；準(zhǔn)備加固修復(fù)所需的材料和機(jī)具，檢驗(yàn)材料的質(zhì)量和機(jī)具的性能，要求各自均無(wú)異常。

6.3 壓漿管道的預(yù)埋

在待加固構(gòu)件上畫(huà)出網(wǎng)格，網(wǎng)格間距以80cm為宜，具體根據(jù)構(gòu)件的尺寸、密實(shí)度缺陷實(shí)際情況等方面做合理的調(diào)整。

以網(wǎng)格位置為準(zhǔn)，按6mm的孔徑要求鉆孔，在不影響鉆孔注漿加固效果的前提下，盡可能減小孔徑，以免拱肋遭到嚴(yán)重的破壞。不密實(shí)范圍內(nèi)，鉆孔距離底部邊緣5cm，靠拱腳向?yàn)樽{孔，靠拱頂向?yàn)榕艢饪?，相鄰兩孔視為一組，每組間隔控制在10cm?？拙酂o(wú)明確的限定，主要根據(jù)脫空部位和壓漿試驗(yàn)結(jié)果而定。在合適孔位鉆孔后，判斷成孔尺寸是否滿足要求，若合理則在孔位處配套注漿嘴。

6.4 基礎(chǔ)設(shè)施的檢查

注漿嘴安裝結(jié)束且經(jīng)過(guò)1d后，做詳細(xì)的檢查，判斷連通性和密封性。具體考慮如下幾點(diǎn)：

（1）空壓機(jī)連接一根注漿嘴，在連接部位涂抹肥皂水，啟用空壓機(jī)，加強(qiáng)對(duì)連接部位的觀察，根據(jù)是否有氣泡判斷連接的嚴(yán)密程度。

（2）真空泵與一個(gè)注漿嘴相連，關(guān)閉剩余的注漿嘴，運(yùn)行真空泵，待加固部位產(chǎn)生負(fù)壓且達(dá)到要求后（-0.09MPa），關(guān)閉閥門(mén)，安排1min的壓力觀測(cè)，若此階段的壓力變化量在0.01MPa以內(nèi)，表明連接的嚴(yán)密性較好，否則需進(jìn)一步處理。

（3）裂隙處存在粉塵，用高壓氣吹洗干凈，保證孔洞裂隙干凈、暢通。

6.5 負(fù)壓輔助注漿

（1）為壓漿口和出漿口連接部位配套密封閥門(mén)，壓漿泵連接在壓漿端，真空泵連接在出漿端，將負(fù)壓容器、三相閥門(mén)和錨具蓋串聯(lián)。

（2）真空泵運(yùn)行10min后，觀測(cè)壓力是否達(dá)到負(fù)壓力0.1～0.3MPa，若合理則繼續(xù)壓漿，否則表明裝置密封性不足，需有效處理。

（3）真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)期間，向壓漿口壓漿，低速攪拌儲(chǔ)漿桶內(nèi)的漿材，保證均勻性。為有效保證鋼管混凝土拱肋加固修復(fù)效果，需制備滲透性較好的環(huán)氧類(lèi)漿液。漿液隨拌隨用，拌和完成至壓入管道的間隔時(shí)間不可超過(guò)10min。為有效地將漿液注入混凝土密實(shí)度不足的部位，需提供足夠的壓力（以0.8～1.2MPa為宜），注漿后穩(wěn)壓30s左右，確保漿液能夠有效填充細(xì)小裂隙。

（4）壓漿泵暫停運(yùn)行時(shí)，輸漿嘴不可與壓漿口脫開(kāi)，否則將有空氣進(jìn)入其中，隨之影響壓漿的密實(shí)性。經(jīng)過(guò)注漿后，若吹漿孔流出濃漿，隨即關(guān)閉閥門(mén)，穩(wěn)壓30s，再關(guān)閉進(jìn)漿口閥門(mén)。

（5）通過(guò)對(duì)閥門(mén)的控制，有效隔離真空泵和灌漿料。

（6）關(guān)閉真空泵和壓漿泵出漿部位的閥門(mén)，而后再將壓漿泵關(guān)閉。

（7）每完成一次灌漿后，隨即清理攪拌機(jī)和灌漿泵等設(shè)施，避免由于漿液固結(jié)在設(shè)備中而影響到后續(xù)的灌漿施工。

（8）漿液自然固化后，切除注漿管，以補(bǔ)焊封固的方法處理鉆孔，使該部分恢復(fù)完整。而后，全面清理拱肋表面附著的雜物。

7.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在拱橋鋼管混凝土拱肋的質(zhì)量控制中，密實(shí)度缺陷檢測(cè)屬于重要的工作內(nèi)容，加強(qiáng)檢測(cè)與診斷后，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)拱肋密實(shí)度不足的部位，以注漿加固的方法進(jìn)行處理，使拱肋恢復(fù)密實(shí)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)本文的分析，提出人工敲擊法、超聲透射法兩種鋼管混凝土拱肋密實(shí)度缺陷檢測(cè)方法，再探討具體的檢測(cè)作業(yè)要點(diǎn)和加固修復(fù)技術(shù)要點(diǎn)，希望對(duì)類(lèi)似工程有參考價(jià)值。