基于UHPC的疲勞開裂橋梁橫隔板加固技術(shù)研究

馬振忠,宋振浩,余 鵬,馬振芳,陳 峻

(湖北楚天聯(lián)發(fā)路橋養(yǎng)護(hù)有限公司,湖北 武漢 430000)

1 疲勞開裂橋梁橫隔板加固技術(shù)設(shè)計(jì)

橋梁橫隔板屬于橋梁結(jié)構(gòu)的直接受力磨損部分,它不僅會(huì)受到車輛荷載摩擦的影響,還會(huì)受到外部自然環(huán)境,如雨水沖刷和熱脹冷縮等因素的影響。橋梁橫隔板裂縫產(chǎn)生的原因主要是結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題,比如超載重車荷載、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、車橋耦合或施工建設(shè)及外部環(huán)境等原因所導(dǎo)致。由于橫隔板自身會(huì)傳遞梁間彎矩及剪力,在超重荷載作用下時(shí),其下緣部位會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而導(dǎo)致下緣混凝土產(chǎn)生拉裂,隨著混凝土的開裂便造成抗剪截面的作用削弱,在剪力及彎矩的雙重作用下橫隔板便會(huì)發(fā)生彎剪破壞[1],所以重點(diǎn)要對(duì)橋梁的橫隔板進(jìn)行耐久性加固及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固。其中,耐久性加固是為了提高結(jié)構(gòu)的耐久性能,包括裂縫處理、混凝土破損修補(bǔ)和鋼筋除銹阻銹處理等;而結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固是對(duì)橫隔板裂縫采取橫隔板擴(kuò)大截面或在橫隔板下緣兩側(cè)粘貼鋼板的粘錨結(jié)合方式進(jìn)行加固處理,有效抑制病害的繼續(xù)發(fā)展。

1.1 鋼格柵構(gòu)件預(yù)制與安裝

設(shè)計(jì)一種由鋼格柵構(gòu)件、波形鋼板、超高性能混凝土層、鋼筋網(wǎng)、磨耗層構(gòu)成的鋼格柵-UHPC組合橫隔板加固橋面板,通過(guò)橋面鋪裝加固法實(shí)現(xiàn)疲勞開裂橋梁橫隔板加固處理。其中波形鋼板主要用于充當(dāng)施工模板,鋼筋網(wǎng)用于加強(qiáng)界面抗剪能力[2],而磨耗層則鋪筑在超高性能混凝土層上作為最后的收尾工作。

通過(guò)焊接角鋼與丄形鋼的方式形成鋼格柵構(gòu)件,角鋼的作用是連接丄形鋼并形成格柵骨架,便于運(yùn)輸安裝鋼格柵構(gòu)件,選用的角鋼為成品熱軋角鋼。丄形鋼選用的是熱軋剖分成品T型鋼,選取的間距范圍為400～600 mm。在鋼格柵構(gòu)件中丄形鋼的腹板上,通過(guò)火焰切割、等離子或激光的方式設(shè)置“L”形孔與圓孔,加強(qiáng)橫隔板加固橋面板應(yīng)用時(shí)的抗剪連接,使超高性能混凝土與預(yù)制鋼格柵構(gòu)件能夠真正形成共同受力[3]。并在腹板上錯(cuò)開布置“L”形孔與圓孔。其中“L”形孔主要用于對(duì)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行布置,圓孔主要用于進(jìn)行剪力對(duì)抗,“L”形孔與圓孔的設(shè)計(jì)參數(shù)是相同的,二者的直徑計(jì)算公式如公式(1)

R=0.4×H

(1)

式中:R為“L”形孔與圓孔的直徑;H為二者的高度。

“L”形孔與圓孔的開孔間距計(jì)算公式如公式(2)

D=4×R

(2)

式中:D為二者的開孔間距。

在橋梁橫隔板之間與兩側(cè)懸臂端對(duì)預(yù)制的鋼格柵構(gòu)件進(jìn)行安裝,使鋼格柵構(gòu)件橫向、縱向相互連接。在連接前于橋梁橫隔板的上翼緣板處對(duì)抗剪栓釘進(jìn)行焊接,在上翼緣的外部?jī)蓚?cè)處分別加焊角鋼。分別在加焊的角鋼上對(duì)鋼擋板進(jìn)行焊接,防止?jié)仓咝阅芑炷翆訒r(shí)發(fā)生漏漿現(xiàn)象。實(shí)施鋼格柵構(gòu)件的連接時(shí),要在加焊角鋼上安裝鋼格柵構(gòu)件,利用高強(qiáng)螺栓對(duì)丄形鋼進(jìn)行橫向連接,在相鄰構(gòu)件上的丄形鋼間分別放置波形鋼板,再使用角鋼焊接對(duì)鋼板進(jìn)行縱向拼接。

1.2 UHPC制備與澆筑

超高性能混凝土(UHPC)是從混凝土力學(xué)性能和耐久性能方面發(fā)展起來(lái)的最具創(chuàng)新性的水泥基結(jié)構(gòu)工程材料,由于其具有的非常優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能,在改善各類橋梁構(gòu)件接縫的連接完整性并減少橋面鋪裝變形和裂縫等方面起到重要加固效果,切實(shí)提高了橋梁的承載能力。UHPC的攪拌流程為:預(yù)混料攪拌(3 min)→加水?dāng)嚢?3 min)→鋼纖維添加攪拌(3 min),現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)根據(jù)到場(chǎng)UHPC的狀態(tài)由工程人員再進(jìn)行適時(shí)調(diào)整[4]。干混料投料前要使用清水潤(rùn)濕攪拌機(jī)攪拌倉(cāng),排盡余水后即投入預(yù)混料。預(yù)混料采用計(jì)量包裝的形式進(jìn)行,再由提升料斗送人攪拌機(jī)攪拌倉(cāng),攪拌1 min后加入鋼纖維,干混合大約5～8 min之后再添加水,濕混合同樣需要5～8 min,UHPC材料攪拌配合比參數(shù)如表1所示。

表1 UHPC攪拌配合比

在拌合料坍落度與擴(kuò)展度指標(biāo)驗(yàn)收合格的前提下,采用UHPC攤鋪機(jī)開展?jié)仓┕?。整個(gè)澆筑過(guò)程可分為攤鋪—整平—收面。利用“L”形孔將鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)在鋼格柵構(gòu)件上并使其被包裹在超高性能混凝土層,進(jìn)一步加強(qiáng)超高性能混凝土與鋼格柵構(gòu)件間的連接,使橫隔板加固橋面板的受力更加均勻。透過(guò)鋼筋網(wǎng)將波形鋼板直接固定在鋼格柵構(gòu)件底部,充當(dāng)超高性能混凝土澆筑時(shí)的施工模板,波形鋼板厚度尺寸為1.0 mm左右并在兩端頭進(jìn)行壓腳處理[5]。布置完鋼筋網(wǎng)與波形鋼板后,通過(guò)UHPC的澆筑施工將鋼筋網(wǎng)、鋼格柵構(gòu)件等包裹成一體。制備UHPC使用的原材料包括硅酸鹽水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑以及纖維等,再加水將其攪拌至標(biāo)準(zhǔn)稠度[6]。礦物摻合料選用的是石膏、粉煤灰、礦粉以及硅灰,其中粉煤灰選用的是Ⅰ級(jí)粉煤灰,纖維選用的是鍍銅短切鋼纖維,參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 鍍銅短切鋼纖維參數(shù)指標(biāo)

外加劑中的減水劑選用的是粉劑的聚羧酸高性能減水劑,增稠劑選用的是麥芽糊精、黃原膠等多種增稠劑,早強(qiáng)劑選用的是碳酸鋰,調(diào)凝劑選用的是葡萄糖酸鈉。通過(guò)試驗(yàn)確定各種材料的最佳配比,首先混合前五種原料,接著通過(guò)抖篩裝置分批次加入鍍銅短切鋼纖維并以鋼纖維摻量為依據(jù)適當(dāng)調(diào)整實(shí)際攪拌時(shí)間,使鋼纖維能夠均勻地分布于混合材料中。其次對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行人工澆筑,在澆筑時(shí)需要進(jìn)行輕微振搗并使用水泥刮刀以保持澆筑后的平整度。布置薄膜后進(jìn)行28 d的養(yǎng)護(hù),使超高性能混凝土層達(dá)到足夠強(qiáng)度。在澆筑時(shí)需要將厚度控制在60～100 mm之間,避免橫隔板加固橋面板厚度過(guò)大給橋梁橫隔板增加自重。

1.3 鋪設(shè)瀝青磨耗層

在超高性能混凝土層上鋪設(shè)瀝青磨耗層,要將其厚度控制在60～100 mm之間。在瀝青磨耗層的制備中將原材料定為穩(wěn)定型橡膠瀝青、細(xì)集料、填料以及粗集料,其中穩(wěn)定型橡膠瀝青的制備選用70#道路專用石油瀝青作為基本原料并添加橡膠改性添加劑,在混合粗集料前要檢測(cè)其質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)以挑選更符合要求的粗集料[7]。檢測(cè)的質(zhì)量指標(biāo)如表3所示。

表3 粗集料檢測(cè)的質(zhì)量指標(biāo)

同樣對(duì)細(xì)集料進(jìn)行質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè),挑選更適合配置瀝青磨耗層的細(xì)集料。選擇含水量小于1%的填料,通過(guò)試驗(yàn)確定混合料配比后采用2臺(tái)同步攤鋪機(jī)對(duì)其進(jìn)行攤鋪。

2 加固效果測(cè)試分析

2.1 測(cè)試項(xiàng)目

對(duì)于設(shè)計(jì)的基于UHPC的疲勞開裂橋梁橫隔板加固技術(shù),利用其對(duì)某疲勞開裂橋梁進(jìn)行橫隔板加固施工后,測(cè)試其實(shí)際加固效果。實(shí)驗(yàn)中的橋梁是一個(gè)正交異性鋼橋,已經(jīng)投入使用五年且存在一定疲勞開裂問(wèn)題。測(cè)試項(xiàng)目具體包括后續(xù)的裂紋擴(kuò)展情況、剛度退化速度以及疲勞抗剪S-N曲線,將未加固前的裂紋擴(kuò)展情況、剛度退化速度以及疲勞壽命作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

2.2 裂紋擴(kuò)展情況測(cè)試結(jié)果

首先測(cè)試加固前與加固后不同荷載幅作用下貫穿壁厚以及裂縫萌生的荷載作用次數(shù),測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 貫穿壁厚以及裂縫萌生的荷載作用次數(shù)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知,利用設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行橫隔板加固施工后,在同等荷載幅下其橫隔板貫穿壁厚以及裂縫萌生的荷載作用次數(shù)均大幅增加,也就是橫隔板的疲勞性能獲得了明顯提升。

2.3 剛度退化速度測(cè)試結(jié)果

接著測(cè)試加固前與加固后不同荷載循環(huán)次數(shù)下的橫隔板的名義剛度,觀察加固前后的剛度退化速度,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同荷載循環(huán)次數(shù)下的名義剛度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖1測(cè)試數(shù)據(jù),橫隔板的名義剛度退化速度明顯降低,同樣說(shuō)明加固后其疲勞性能獲得了提升。

2.4 疲勞抗剪S-N曲線測(cè)試結(jié)果

最后測(cè)試加固前與加固后橫隔板的疲勞抗剪S-N曲線,在測(cè)試中將測(cè)得的疲勞抗剪S-N曲線與國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的三條S-N設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行對(duì)比,分別為FAT125、FAT100、FAT90,以觀察加固前后橫隔板的疲勞壽命評(píng)估結(jié)果。具體對(duì)比情況如圖2所示。

圖2 S-N曲線對(duì)比情況

根據(jù)圖2測(cè)試結(jié)果,加固后橫隔板的疲勞抗剪S-N曲線在三條S-N設(shè)計(jì)曲線以上,說(shuō)明其疲勞壽命評(píng)估結(jié)果在規(guī)范要求的安全范圍內(nèi)。而加固前橫隔板的疲勞抗剪S-N曲線在三條設(shè)計(jì)曲線以下,說(shuō)明其疲勞壽命評(píng)估結(jié)果不在安全范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在疲勞開裂橋梁加固問(wèn)題的研究中,設(shè)計(jì)了基于UHPC的疲勞開裂橋梁橫隔板加固技術(shù)。從材料自身特點(diǎn)看,與普通混凝土材料鋪裝層相比,UHPC材料所具有的優(yōu)良力學(xué)性能和耐久性能,對(duì)橋梁橫隔板的受力更加有利;從工程施工測(cè)試看,利用UHPC材料處理后的橋梁橫隔板,較長(zhǎng)時(shí)間未再出現(xiàn)裂縫等相關(guān)病害,驗(yàn)證了UHPC材料對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的加固維修具有可靠的實(shí)用價(jià)值,對(duì)延長(zhǎng)疲勞開裂橋梁的使用壽命具有重要作用。