空心板梁裂縫形成機(jī)理及防治對(duì)策

李秉千,顧 笑,孟照靜,林雪花,吳小會(huì),劉玉芳

(1.中鐵建山東京滬高速公路濟(jì)樂(lè)有限公司,山東 濟(jì)南 250000;2.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

1 引 言

在我國(guó)橋梁建設(shè)項(xiàng)目中,空心板應(yīng)用時(shí)間較早,因其抗震性能良好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、工藝成熟,在橋梁建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛。由于環(huán)境、荷載等不利因素,空心板橋梁在運(yùn)營(yíng)期間常出現(xiàn)裂縫,進(jìn)而影響整個(gè)空心板主梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性[1]。

空心板裂縫的產(chǎn)生與當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范、地區(qū)的自然條件、混凝土強(qiáng)度等因素有關(guān)。在服役期出現(xiàn)裂縫具有一定的普遍性,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于裂縫的成因和機(jī)理進(jìn)行了研究。陳瑋等[2]利用有限元軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板的力學(xué)行為進(jìn)行了研究,研究表明縱向裂縫的出現(xiàn)會(huì)使橋梁局部抗彎剛度降低,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)橋梁的承載力降低。徐建紅[3]運(yùn)用Ansys有限元軟件,深入研究了荷載作用下空心板橋開(kāi)裂機(jī)理。結(jié)果表明,橋梁縱向裂縫的成因主要與汽車荷載所產(chǎn)生的側(cè)向撓曲力有關(guān)。袁國(guó)泰[4]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)和橋梁狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)查,研究了裂縫對(duì)空心板的影響,并從施工、運(yùn)營(yíng)等方面分析裂縫的形成機(jī)理。Zhao等[5]通過(guò)對(duì)30 m跨度的空心板橋梁進(jìn)行循環(huán)荷載試驗(yàn),得出了裂縫寬度與循環(huán)荷載之間的規(guī)律。綜上所述,空心板的開(kāi)裂病害已引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,針對(duì)橋梁空心板裂縫形成機(jī)理的研究相對(duì)較多,但大多是針對(duì)其中的一項(xiàng)內(nèi)容或是宏觀研究,對(duì)不同裂縫采用的修補(bǔ)工藝研究得不夠深入。

在施工和運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié),溫度應(yīng)力變化、荷載、混凝土強(qiáng)度、施工工藝等方面,均可導(dǎo)致空心板出現(xiàn)裂縫[6-9]。以青島膠州灣大橋項(xiàng)目、濰萊高速項(xiàng)目和濟(jì)樂(lè)高速項(xiàng)目為工程依托,針對(duì)空心板橋梁出現(xiàn)裂縫的狀況和分布形態(tài),研究空心板梁裂縫形成機(jī)理,并根據(jù)不同類型的修補(bǔ)工藝進(jìn)行比對(duì)研究。

2 裂縫統(tǒng)計(jì)分析

2.1 裂縫數(shù)量總體分布情況

以青島膠州灣大橋項(xiàng)目、濰萊高速項(xiàng)目和濟(jì)樂(lè)高速項(xiàng)目為工程依托,開(kāi)展了空心板橋梁裂縫分布規(guī)律及特征的研究,對(duì)84座服役空心板橋梁的外觀病害進(jìn)行調(diào)查,共檢測(cè)到1 642條裂縫病害。對(duì)裂縫所處位置及出現(xiàn)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到空心板典型裂縫的時(shí)空分布。檢測(cè)結(jié)果表明,最常出現(xiàn)的裂縫形態(tài)為橫向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫,分別占42.2%、54.6%和2.6%?？招陌甯黝惲芽p數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 裂縫數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)

2.2 裂縫寬度分布特征

為了具體分析裂縫的分布特征,對(duì)青島膠州灣大橋、濰萊高速和濟(jì)樂(lè)高速檢測(cè)到的1 642條裂縫所在梁體裂縫寬度進(jìn)行了分析。由圖1和圖2可見(jiàn),空心板梁縱向裂縫和橫向裂縫寬度大多分布在0.05～0.10 mm范圍內(nèi),占比分別為80%和85%,但縱向裂縫和橫向裂縫中,分別有4%和3%的裂縫甚至超過(guò)0.20 mm。裂縫寬度增大,會(huì)減弱鋼筋與混凝土之間的握裹力,同時(shí)由于水汽、化學(xué)物質(zhì)等的進(jìn)入,將導(dǎo)致鋼筋銹蝕,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

圖1 縱向裂縫寬度分布

圖2 橫向裂縫寬度分布

3 裂縫形成機(jī)理及規(guī)范要求

3.1 底板裂縫

底板裂縫分為縱向裂縫、橫向裂縫和斜向裂縫3種。

斜向裂縫比較少見(jiàn),斜向裂縫一般是由底板受到集中力作用或者底板的保護(hù)層過(guò)薄導(dǎo)致;橫向裂縫通常是結(jié)構(gòu)性裂縫,會(huì)對(duì)空心板梁結(jié)構(gòu)承載能力產(chǎn)生影響。橫向裂縫的形成一般是由于荷載承載力、預(yù)應(yīng)力布置不當(dāng)和環(huán)境溫度等因素造成,底板橫向裂縫超過(guò)規(guī)定限值時(shí)會(huì)向兩側(cè)腹板延伸,形成U形裂縫;橫向裂縫的出現(xiàn)也可能是空心板預(yù)應(yīng)力不足導(dǎo)致;縱向裂縫是最常見(jiàn)的裂縫,產(chǎn)生的原因通常包括設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)[10]幾個(gè)方面。

(1)設(shè)計(jì)方面:在設(shè)計(jì)過(guò)程中,因預(yù)算成本等因素,導(dǎo)致保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)過(guò)薄;另外,預(yù)應(yīng)力布束考慮不周全[11]、預(yù)應(yīng)力布束不合理也可能引起底板產(chǎn)生縱向裂縫。(2)施工方面:由于空心板梁底鋼筋的間距較小,機(jī)器振搗時(shí)粗骨料不易到達(dá)空心板梁的底部,導(dǎo)致底板強(qiáng)度過(guò)低而開(kāi)裂;由于施工工期較長(zhǎng),將分批次把原材料運(yùn)進(jìn)場(chǎng)地,造成施工實(shí)際配比與試驗(yàn)配比有差別,導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低,進(jìn)而造成空心板開(kāi)裂。(3)運(yùn)營(yíng)方面:交通量增加,車輛荷載也隨著增大,空心板底部混凝土受到橫向的拉應(yīng)力導(dǎo)致底板出現(xiàn)縱向裂縫;空心板梁受到陽(yáng)光照射、溫差過(guò)大等影響出現(xiàn)冷熱變化時(shí),會(huì)發(fā)生膨脹和收縮導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

3.2 腹板裂縫

腹板裂縫也分為縱向裂縫、橫向裂縫和斜向裂縫3種。其中,腹板斜裂縫產(chǎn)生的原因一般是由于空心板梁端抗剪能力不夠。腹板橫向裂縫產(chǎn)生的原因主要是預(yù)應(yīng)力不足或者混凝土收縮。腹板出現(xiàn)的縱向裂縫病害較少,主要是空心板梁受到的內(nèi)外溫差影響大,產(chǎn)生的橫向溫差應(yīng)力導(dǎo)致腹板縱向開(kāi)裂。

3.3 底板和腹板裂縫對(duì)比

以上總結(jié)了底板裂縫和腹板裂縫的形成機(jī)理,可知在空心板不同位置,不同的裂縫形式開(kāi)裂原因是不同的,將其歸類分析,如表2所示。

表2 裂縫產(chǎn)生機(jī)理

3.4 規(guī)范對(duì)各類裂縫寬度要求

《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[12]和《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]對(duì)橋梁各部件的裂縫寬度作出了明確的限制,兩規(guī)范對(duì)混凝土拱結(jié)構(gòu)和墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的裂縫寬度限值要求基本一致,但對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫寬度限值要求不同[14],見(jiàn)表3和表4。

表3 鋼筋混凝土裂縫寬度允許值對(duì)比

表4 與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)的裂縫寬度允許值對(duì)比

通過(guò)兩規(guī)范的對(duì)比發(fā)現(xiàn),盡管規(guī)范的要求不同,但是對(duì)裂縫的分級(jí)都有完整的標(biāo)準(zhǔn),并提出了不同控制指標(biāo)下裂縫的允許值。其中,《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》的裂縫分類更加詳細(xì),公路規(guī)范根據(jù)裂縫所在橋梁的位置進(jìn)行劃分,比城市橋梁規(guī)范的分類更具體,且實(shí)際操作性強(qiáng),在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)能及時(shí)對(duì)裂縫的危害進(jìn)行評(píng)估。而《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)橋梁所在壞境進(jìn)行劃分,但規(guī)范中未能考慮構(gòu)件出現(xiàn)的裂縫部位,可能導(dǎo)致裂縫評(píng)估的不準(zhǔn)確。

4 裂縫修補(bǔ)工藝分析

當(dāng)裂縫出現(xiàn)后,會(huì)給空心板橋耐久性和安全性造成損傷,并產(chǎn)生不利影響。在《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》和《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了橋梁裂縫寬度限值,對(duì)橋梁裂縫修補(bǔ)提出了相應(yīng)的要求,但是目前存在多種修補(bǔ)方法,并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系,導(dǎo)致修補(bǔ)工藝、施工質(zhì)量參差不齊,為此將對(duì)常見(jiàn)的裂縫修補(bǔ)方法及其特點(diǎn)進(jìn)行分析、優(yōu)選。裂縫修補(bǔ)工藝主要包括表面封閉法、自動(dòng)低壓滲注法、壓力灌注法、粘貼鋼板加固法和粘貼碳纖維加固法。

(1)灌漿、涂抹法。

按裂縫不同的寬度分為以下三種情況,并將其歸類,見(jiàn)表5。

表5 裂縫修補(bǔ)方案優(yōu)選

①表面封閉法:對(duì)于寬度<0.15 mm的裂縫,通常使用環(huán)氧樹(shù)脂、環(huán)氧砂漿等材料進(jìn)行表面封閉,但這種方法只針對(duì)表面或細(xì)小、淺顯的裂縫有效,而對(duì)于深而寬的裂縫,修補(bǔ)材料無(wú)法到達(dá)并充滿裂縫內(nèi)部,修補(bǔ)一段時(shí)間后裂縫再次開(kāi)裂,不能很好地抑制裂縫的發(fā)展。

②自動(dòng)低壓滲注法:對(duì)于寬度在0.10～0.15 mm之間的裂縫,一般采用自動(dòng)低壓滲注法,低壓注入環(huán)氧樹(shù)脂。這種方法能有效恢復(fù)空心板結(jié)構(gòu)的整體性,能避免水及侵蝕物進(jìn)入裂縫,進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的受力性能。采用該施工工藝處理空心板裂縫,產(chǎn)生的長(zhǎng)期效益是顯著的。

③壓力灌注法:當(dāng)裂縫的寬度>0.15 mm時(shí),可使用壓力灌注的方法,通過(guò)加壓設(shè)備將環(huán)氧樹(shù)脂壓入裂縫中,環(huán)氧樹(shù)脂固化后與空心板結(jié)構(gòu)形成閉合的整體,進(jìn)而達(dá)到封閉裂縫的目的。這種方法容易控制材料的注入量且可以注入到裂縫的深處,解決了傳統(tǒng)工藝注入不滿的缺陷,但環(huán)氧樹(shù)脂具有揮發(fā)性,容易對(duì)人體造成不良影響。

(2)粘貼加固法。

粘貼加固法是使用粘接劑將材料粘貼在空心板裂縫處,與原來(lái)的結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體并一起承受荷載。按修補(bǔ)材料不同分為以下兩種情況。

①粘貼鋼板加固法:當(dāng)空心板梁出現(xiàn)主拉應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫時(shí),首先對(duì)裂縫進(jìn)行處理,將環(huán)氧粘接劑涂抹在鋼板上,并壓貼在裂縫處。但在修補(bǔ)空心板裂縫時(shí),為連接梁底與鋼板,在粘貼鋼板時(shí)需要為膨脹螺栓打孔,會(huì)造成原結(jié)構(gòu)的破壞,維修時(shí)需要較高的費(fèi)用,一般在修補(bǔ)裂縫時(shí)很少采用粘貼鋼板加固法。

②粘貼碳纖維加固法:粘貼碳纖維方法的基本原理與粘貼鋼板法基本相同,將浸漬過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維布粘貼在空心板裂縫處并與混凝土組成受力整體,起到阻止裂縫開(kāi)裂的目的。該方法在修補(bǔ)裂縫的同時(shí)提高了空心板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

5 修補(bǔ)材料經(jīng)濟(jì)性分析

將環(huán)氧砂漿、環(huán)氧樹(shù)脂、碳纖維布和鋼材四種不同的修補(bǔ)材料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,調(diào)研了四種修補(bǔ)材料的市場(chǎng)成本,并將各種修補(bǔ)材料的市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行對(duì)比分析,其中單價(jià)約為市場(chǎng)調(diào)研中同類品的均價(jià),各類價(jià)格見(jiàn)表6、表7。從成本結(jié)果得出,環(huán)氧砂漿相較于環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)材料有更明顯的市場(chǎng)價(jià)格優(yōu)勢(shì),環(huán)氧砂漿的成本比環(huán)氧樹(shù)脂成本低約78%。通常情況下,粘貼兩層碳纖維布的修補(bǔ)效果與粘貼4 mm厚的鋼板相當(dāng),但單位面積下粘貼碳纖維布比粘貼鋼板的價(jià)格高,粘貼鋼板相對(duì)粘貼碳纖維節(jié)省約34%的成本。

表6 環(huán)氧砂漿和環(huán)氧樹(shù)脂經(jīng)濟(jì)性分析

表7 碳纖維布和鋼板經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)底板出現(xiàn)的橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫等病害形式,為了使其盡快封閉,防止外界中的水、氣體等物質(zhì)侵蝕裂縫,導(dǎo)致空心板進(jìn)一步損傷,從方案的選擇以及經(jīng)濟(jì)性分析的角度可知,最為合理的方法為表面封閉法和自動(dòng)低壓滲注法。

6 結(jié) 論

以青島膠州灣大橋、濰萊高速和濟(jì)樂(lè)高速工程中空心板底板、腹板開(kāi)裂問(wèn)題為工程背景,對(duì)裂縫所處位置及出現(xiàn)頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)了不同裂縫寬度的分布特征,針對(duì)不同部位裂縫形成機(jī)理進(jìn)行分析對(duì)比,提出了合理、有效的修補(bǔ)對(duì)策,并對(duì)各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了總結(jié)和歸納,優(yōu)選出針對(duì)不同裂縫的修補(bǔ)方法?；诔杀窘?jīng)濟(jì)性分析,對(duì)在役空心板橋裂縫建議采用表面封閉法和自動(dòng)低壓滲注法進(jìn)行修補(bǔ)加固。