某中小跨徑空心板橋橋面鋪裝改造檢測與評估

蒙 軍

中鐵十六局集團有限公司 北京 100018

1 背景

某中小跨徑連續(xù)剛構橋位于珠三角高速公路交通干道，橋梁全長5556m，單幅橋面總寬為15.75m，凈寬14.75m，雙向六車道，設計荷載為汽車- 超20 級，掛車- 120 級，通車時間為1997 年5 月。橋梁上部結構主要為連續(xù)剛構預應力空心板，單孔跨徑均為20m，采用墩梁固結體系。為保障橋梁行車安全，提高橋梁結構運營階段使用安全性及耐久性，管理單位委托相關單位對橋梁存在嚴重病害的橋面板進行維修處治。處置過程中開展專項檢測工作，工作內容主要包含病害普查、鉆芯取樣和處置前后的靜載試驗評估。

2 病害普查

空心板橋主要的關注重點為鉸縫的滲水結晶、梁體的縱向開裂、橫向開裂和破損露筋等，采用常規(guī)目視方法對全橋的病害進行了普查空心板典型病害見圖1。

圖1 空心板典型病害

3 病害成因分析

3.1 空心板梁底板縱向裂縫

預應力混凝土空心板梁梁底縱向裂縫分為幾種情況：第一種是發(fā)生在梁端的縱向裂縫，此處多數由于梁端預應力放張過快, 引起局部較大的壓應力而使梁端混凝土沿縱向劈裂；第二種情況是發(fā)生在梁中間部位的縱向裂縫，一般由于鋼筋保護層厚度較薄,由預應力引起的橫向泊松效應產生較大的橫向拉應力而使混凝土沿縱向開裂；第三種情況是鋼筋銹蝕膨脹導致梁底混凝土開裂，且裂縫兩側有明顯高差,此種裂縫危害較大。依據現(xiàn)場檢測情況，目前發(fā)現(xiàn)的空心板梁底縱向裂縫兩側無明顯高差，屬于第一或第二種情況。

3.2 鉸縫混凝土破損脫落

橋梁所屬路段屬于珠三角高速，車流量大，重車比例高，在車輛荷載往復作用、雨水浸泡、濕熱交替環(huán)境的綜合作用下，混凝土橋面鋪裝逐漸發(fā)生老化破損。最為典型的病害發(fā)生在鉸縫與車輪行走路線重合的位置，在車輪特別是重車車輪的反復作用下，橋面鋪裝層發(fā)生破壞，雨水的長時間浸泡導致鋪裝層下方的鉸縫浸水，鉸縫直接承受車輛的輪載作用，使鉸縫本身沿著輪跡線產生縱向開裂，雨水通過裂縫滲透到梁底，導致梁底出現(xiàn)大面積的滲水結晶痕跡，這是空心板橋最常見的病害。隨著運營時間的增長，開裂鉸縫的局部會出現(xiàn)混凝土嚴重破損的情況。由于鉸縫和主梁的澆筑本身存在一定的時間差，鉸縫的開裂很容易產生在混凝土澆筑結合面的薄弱位置，如果部分鉸縫本身的施工質量不佳，鋼筋配置不合理，很容易因為開裂導致空心板之間的企口縫與主梁之間失去連接剛度，鉸縫出現(xiàn)分離脫落的情況，最終導致單板受力，嚴重危及行車安全。設計缺陷、施工質量不合格及運營階段工作條件惡化均會導致該類病害的產生。

本橋梁的實際運營過程中出現(xiàn)過重車將空心板鉸縫直接壓潰的情況。從現(xiàn)場檢測情況及對橋梁近些年運營情況的初步了解，橋梁空心板梁鉸縫混凝土破損脫落產生原因包括設計缺陷、施工質量缺陷及運營條件惡劣三個方面。

3.3 邊梁翼緣板及腹板斜向裂縫

一般情況下出現(xiàn)這種斜裂縫主要原因為設計不足,腹板厚度偏小,箍筋間距偏大。早期建造的橋梁，設計單位給出的安全富裕度一般較小，導致主梁的腹板較薄、箍筋數量不足，梁體的抗剪能力儲備不夠，再加上我國經濟發(fā)展迅速，高速公路一直處于高負荷的運營狀態(tài)，持續(xù)重荷載的作用下導致梁體的抗剪承載能力不足，產生腹板斜裂縫，結構剛度進一步降低，隨著時間的推移，病害狀況進一步加劇，最終導致梁體破壞。結合現(xiàn)場檢測實際情況，出現(xiàn)該病害的梁體占同類梁型總數的比例很小，因此由于設計缺陷導致該病害的概率較小。

3.4 滲水結晶

空心板梁滲水結晶絕大多數出現(xiàn)在鉸縫，極少數出現(xiàn)在空心板梁底板。該病害出現(xiàn)在濕接縫的原因為：橋面鋪裝破損，導致橋面雨水向下滲流到空心板梁頂面，沿著破損的鉸縫向下蔓延，最終在梁底鉸縫處出現(xiàn)滲水結晶現(xiàn)象?？招陌辶旱装宄霈F(xiàn)該病害的原因：個別空心板受到超重車輛作用可能導致空心板頂板出現(xiàn)了上、下貫通的縱向裂縫或者空心板梁梁端連接部位混凝土破損，致使橋面雨水沿頂板裂縫或端部破損部位向下滲流，進入空心板內部，再沿空心板底板貫通裂縫向下蔓延，最終在空心板梁底板出現(xiàn)滲水結晶現(xiàn)象。

4 鉆芯取樣

根據鉸縫取芯結果，鉸縫表面有裂縫和無裂縫位置處的芯樣完整性均良好，芯樣混凝土的密實性良好，裂縫未延伸至鉸縫內部。空心板底鉸縫位置漏水是由于鉸縫與梁體之間的混凝土齡期不同，收縮徐變不同步造成兩次澆筑的混凝土界面產生微裂隙，橋面鋪裝發(fā)生破損后，雨水通過微裂隙緩慢滲透到梁底，鉸縫本身的質量良好。

同時，根據取芯結果，鋪裝層下面的混凝土調平層厚度約2～8cm，厚度較薄的位置均已出現(xiàn)明顯的剝離現(xiàn)象，建議將剝離層鑿掉后再進行新的混凝土澆筑；厚度較厚的位置，調平層芯樣完好，混凝土密實性良好，但是調平層混凝土與梁頂混凝土之間黏結較差，個別位置存在明顯的脫空現(xiàn)象，建議將脫空位置鑿除后重新澆筑，未脫空位置可繼續(xù)使用。

5 橋面鋪裝改造設計方案

（1）考慮到空心板實際厚度普遍小于設計值，且配筋較弱，對空心板鉸縫和鋪裝同時進行鑿除重做，鉸縫和鋪裝層均采用C50 混凝土，同時加強鋪裝配筋以增強梁片橫向整體性。

（2）鋪裝改造中使用聚丙烯纖維，聚丙烯纖維抗拉強度大于500MPa，彈性模量大于5GPa，與水浸潤，可有效提高橋面鋪裝的抗裂性能。

（3）剛構墩墩頂附近16m 范圍，在梁體頂板加強負彎矩配筋，并將負彎矩鋼筋與頂板植筋焊接，使負彎矩鋼筋盡可能參與受力。

6 改造前后靜載試驗評估

（1）通過測試目標橋跨結構在試驗荷載作用下的實際受力狀態(tài)和工作狀況，與理論計算值比較，驗證結構的力學特性、工作性能及承載能力是否與設計要求相符；

（2）根據結構實際響應，確定橋梁結構正常使用的承載能力范圍，為該橋的維修改造提供依據；

（3）通過對左、右幅橋梁荷載試驗結果進行對比，評估橋面鋪裝改造工程的效果。

6.1 靜載試驗工況

根據相關規(guī)范要求，采用有限元計算軟件建立橋梁的桿系模型。根據設計圖紙，建立橋梁66# 跨～72# 跨的有限元模型，見圖2。

圖2 66#跨～72#跨有限元模型

本項目建模過程中需要注意的是設計圖紙中明確指出，本項目中涉及的空心板橋不是簡單的結構簡支橋面連續(xù)，而是橋墩位置主梁與主梁、主梁與墩頂之間均設置了預留鋼筋，一次性澆筑，因此本項目中的空心板橋屬于連續(xù)剛構橋梁，這與常規(guī)的空心板橋差別較大。

靜載試驗首先是要確定試驗的工況，根據相關規(guī)范規(guī)定，試驗工況的確定主要是依據受力最不利截面的加載效率確定的，即首先根據規(guī)范規(guī)定確定受力最不利的斷面，然后通過控制三軸車輛加載作用下的結構實際受力與設計最不利荷載效應的比值來確定加載車輛的數量，一般要求加載效率在0.95～1.05 之間。

本項目中主要以跨中和墩頂位置的彎矩作為主要控制內力，最終確定10 個加載工況，其中改造前和改造后各有5 個相對應的工況，包括邊跨跨中正彎矩工況、邊墩墩頂負彎矩工況、次邊跨跨中正彎矩工況、次邊跨墩頂負彎矩工況和中跨跨中正彎矩工況，考慮到本項目中的靜載試驗工況較多，高速公路荷載試驗給出的窗口期比較短，因此在保證試驗效果的情況下對試驗工況進行了合并，即同一個加載工況下同時采集兩個控制截面的結構響應數據。靜載試驗的實際加載采用三軸標準車進行加載，車輛總重35t，試驗開始前所有車輛必須通過地磅進行稱重，控制試驗細節(jié)，保證試驗效果。

6.2 改造前后靜載試驗結果對比

試驗完成以后，需要參照現(xiàn)行規(guī)范對試驗結果進行評定，用于判斷結構的承載能力是否滿足設計要求和橋面鋪裝改造工程對結構的承載能力影響如何。

應變結果：各工況的試驗荷載作用下，結構的應變值小于理論值，表明結構本身處于彈性工作狀態(tài)。

撓度結果：各工況的試驗荷載作用下，結構的撓度值小于理論值，表明結構本身的剛度滿足設計要求。

通過對橋面鋪裝改造前后相應工況下的應變測試結果，發(fā)現(xiàn)改造后各試驗工況下的梁底應變較改造前更均勻，應變分布曲線更為平滑，說明經橋面鋪裝改造后，橫向剛度有所增強，改造效果良好。

7 結語

（1）空心板橋的主要病害類型為鉸縫滲水結晶、鉸縫破損、梁底縱向開裂、單板受力等；

（2）早期建造橋梁的鋪裝調平層普遍存在厚度不均勻不一致的情況，導致鋪裝質量不良，橋面平整度差；

（3）通過鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，空心板橋普遍存在的鉸縫滲水結晶，主要是由于鉸縫的混凝土澆筑與主梁的澆筑時間不一致，在混凝土結合面上容易產生微裂隙，鋪裝層破損后雨水沿著微裂隙緩慢滲透到梁底，此時鉸縫的整體質量良好，對結構整體受力的影響不大；

（4）通過改造前后的靜載試驗對比發(fā)現(xiàn)，改造后各試驗工況下的梁底應變較改造前更均勻，應變分布曲線更為平滑，說明經橋面鋪裝改造后，橋梁橫向剛度有所增強，改造效果良好。