基于NC- UHPC 的空心板梁鉸縫快速加固修復技術的應用與實踐

劉經熠

（上海城投公路投資（集團）有限公司，上海市200335）

0 引 言

空心板梁因其預制工藝簡單、安裝方便、造價較低以及建筑高度較小等諸多優(yōu)點而廣泛應用于各類公路工程的梁橋中，在早期的城市高架橋、城市地面中小橋中也有較多的應用。

早期的空心板為鉸接空心板，多采用小鉸縫構造，鉸縫承擔著梁板間傳遞內力并約束位移的關鍵作用。而小鉸縫的整體剛度與空心板相差甚遠，無法承受長期反復變形所需的受力和變形，鉸縫破壞非常普遍。鉸縫施工空間過小也增加了施工難度，鉸縫混凝土密實度難以有效保證；施工作業(yè)人員主觀上對鉸縫的作用及重要性缺乏足夠認識，也容易使鉸縫存在病害隱患。

鉸縫破壞后，空心板梁在活載作用下的荷載橫向分配性能劣化，甚至出現(xiàn)單梁受力的不利情況，對結構安全造成嚴重威脅，需要對其進行維修加固。

現(xiàn)有針對空心板鉸縫病害的修復方案主要有早強混凝土修復及換梁方案兩種?；谠鐝娀炷恋男迯头桨甘菍⑵茡p橋面系及鉸縫混凝土清除后，在鉸縫兩側板梁植筋、鉸縫中填充快硬早強混凝土，然后在橋面頂布置鋼筋網片，澆筑12 cm 以上的早強混凝土，將鉸縫、各板梁連接成為整體。由于此類混凝土的抗拉強度及韌性不足，結構附加重量較大，修復后耐久性不佳。換梁方案系將病害嚴重的鉸接空心板整體更換為受力整體性好且耐久性較好的剛接空心板，但該方式施工周期長，往往還需對下部結構進行一定的改造。

超高性能混凝土（UHPC）是一種纖維增強型水泥基材料，具備超高力學性能和超高耐久性，具有抗拉強度高、抗裂性能及變形韌性強的特點[1]，在工程界逐步得到推廣和應用[2-5]。常溫養(yǎng)護型超高性能混凝土（NC-UHPC）在施工過程中無需高溫蒸養(yǎng)，簡化了施工流程，有利于修復加固工程的快速開展，因而在橋梁修復加固中具有廣闊的應用前景。

1 示范工程背景

江家浜橋位于上海市金山區(qū)新衛(wèi)高速（S19）上，南北走向，跨越江家浜，橋梁中心線法線與河道中心線順交40°，橋梁中心樁號：K15+708，為一座3跨簡支梁橋。橋梁總長33.0 m，跨徑組合為10.0 m+13.0 m+10.0 m。橋面總寬29.5 m，由東向西橫向布置形式：0.25 m（欄桿）+1.4 m（檢修道）+0.6 m（防撞護欄）+11.5 m（車行道）+2.0 m（中央分隔帶）+11.5 m（車行道）+0.6 m（防撞護欄）+1.4 m（檢修道）+0.25 m（欄桿），見圖1、圖2。

該橋分上、下行2 幅橋，每跨上部結構均由28片（上、下行橋各14 片）鋼筋混凝土空心板梁組成，中跨梁高為0.62 m，邊跨梁高為0.52 m，中梁底寬為0.99 m，邊梁底寬為0.995 m。下部結構均采用輕型橋臺、樁柱式橋墩。梁下設板式橡膠支座。

橋面鋪裝采用瀝青混凝土，兩端橋臺處設型鋼伸縮縫，橋墩處橋面鋪裝為連續(xù)構造。該橋始建于1996 年，后于2005 年進行橋面系改造，設計荷載為汽-超20，掛-120。

圖1 江家浜橋立面布置圖（單位：mm）

圖2 江家浜橋平面布置圖（單位：mm）

2 示范工程病害情況

2016 年6 月，該橋進行了結構檢測，評定為“3類”橋梁，評定等級情況見表1，見圖3。

表1 評定等級一覽表

圖3 江家浜橋實勘上部結構及橋面系病害

該橋存在主要病害如下：

（1）橋面系病害

a. 板梁鉸縫處對應瀝青鋪裝存在縱向裂縫。

b. 墩頂對應位置橋面瀝青鋪裝存在橫向裂縫。

c. 伸縮縫混凝土保護帶縱向開裂。

d. 橋臺臺后填土沉降，存在橋頭跳車現(xiàn)象。

（2）上部結構病害

a. 空心板梁鉸縫存在滲水白化現(xiàn)象。

b. 部分空心板梁底存在露筋銹蝕及橫向裂縫（最大裂縫寬度0.06 mm）。

由上述檢測結果可知，主要病害集中在橋面系及上部結構。

該橋空心板梁梁底存在橫向裂縫，該類裂縫主要是鋼筋混凝土空心板梁在荷載作用下受彎產生的正彎矩裂縫，裂縫寬度在規(guī)范允許值范圍內。

該橋板梁間鉸縫存在滲水現(xiàn)象，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)部分滲水處鉸縫對應位置橋面可見縱向裂縫，初步斷定板梁間鉸縫損壞。橋面墩頂處鋪裝存在橫向裂縫，主要因為主梁在活載作用下產生撓曲而導致梁端產生轉角，引起橋面連續(xù)處產生較大負彎矩而拉裂。

以本工程中跨13 m 空心板梁為例，進行抗彎承載力校核見表2。計算結果可見，必須將鋪裝計入截面計算，且確保每一條鉸縫連接有效，方可以滿足現(xiàn)行荷載規(guī)范的要求。鉸縫損壞削弱了梁間橫向聯(lián)系，單梁受力時板梁抗彎承載能力不足，需立即予以修復。

表2 根據現(xiàn)行規(guī)范計算主梁承載力

3 基于NC-UHPC 的快速加固修復方案

基于鉸縫及鄰近鋪裝層混凝土破損，且板梁鉸縫預留鋼筋及鄰近鋪裝層鋼筋由于透水嚴重銹蝕情況的修復方案見圖4。主要步驟如下：

（1）鑿除破損鉸縫混凝土及原橋面鋪裝混凝土；

（2）板縫植筋Φ12@200，加強橋面鋪裝與板梁的結合；

（3）清除施工面垃圾及混凝土殘渣，保持橋面施工面整潔；

（4）在板梁上方布設Φ12@100×100 鋼筋網片；

（5）澆筑UHPC 混凝土鋪裝層，厚度60 mm；

（6）在UHPC 鋪裝層上鋪設40 mmSMA 瀝青磨耗層，總鋪裝層厚100 mm，降低結構自重，提高板梁承載能力。

圖4 板梁鉸縫修復方案（單位：mm）

基于NC-UHPC 修復方案的技術價值和特色主要體現(xiàn)在快速施工和超高耐久性兩個方面?？焖偈┕し矫?，充分利用了UHPC 材料用量少、自重輕、強度增長快、運輸與施工方便的特性，常溫養(yǎng)護施工便捷，實現(xiàn)了城市內橋梁的快速修復施工，將對現(xiàn)狀交通的影響降至最小。超高耐久性方面，UHPC 的耐久性遠優(yōu)于普通混凝土，將UHPC 應用于橋梁加固可以解決橋梁加固后出現(xiàn)的再生裂縫、二次損傷、屢修屢壞等問題，可以最大程度延長橋梁壽命，符合橋梁全壽命周期內的經濟性和耐久性需求。

總體而言，基于NC-UHPC 的橋梁快速修復設計方案的技術特點有：

（1）可有效縮短封閉施工的時間，降低因施工對當地交通造成的影響，盡早開放交通；

（2）通過鉸縫及橋面鋪裝層重新澆筑，確保橋面鋪裝與板梁共同受力，符合小鉸縫空心板梁橋的受力特點，同時利用NC-UHPC 材料抗壓性能好的特性，有效增加上部結構的截面高度，提高空心板梁的承載能力；

（3）基于NC-UHPC 的空心板梁快速修復技術可減輕橋面系重量，降低橋面標高，消除橋臺后的高差，解決臺后跳車問題。

4 示范工程的實施

根據橋梁歷史檢測報告，該橋主要存在梁底橫向裂縫、鉸縫滲水、橋面鋪裝縱向和橫向裂縫等病害。本次江家浜橋維修加固主要針對梁底裂縫、鉸縫滲水、橋面鋪裝等病害進行維修。

為了不影響S19 高速交通通行，本次橋面加固工程分兩個階段。階段1，先進行西幅橋施工，東幅橋開放交通；階段2，待西幅橋施工完成后，西幅橋開放交通，對東幅橋進行施工。

本工程施工流程見圖5、圖6。

圖5 施工流程圖

圖6 江家浜橋鉸縫修復施工過程

基于NC-UHPC 的橋梁快速修復施工的技術特點及主要情況如下。

（1）由于UHPC 加固層厚度較薄，綁扎鋼筋間距及保護層通過在橋面上設置墊塊實現(xiàn)。

（2）本工程布料過程中，UHPC 黏稠度適中，流動性較好，在泵送過程中表現(xiàn)出良好的工作性能，漿體順利流入鋼筋網下，未見明顯結塊或空洞。

（3）每一分段UHPC 布料完后，工作人員立即用灑水槍在攤鋪表面進行灑水，隨后用手持式新型混凝土振動梁進行整平，可保證標高控制穩(wěn)定且符合設計要求，誤差控制在±2 mm 以內。

（4）根據現(xiàn)場手指按壓硬度進行二次抹壓，大約在每段施工后7～8 h 初凝。揭膜進行二次抹壓后，隨即進行UHPC 表面拉毛并重新噴淋，結束后繼續(xù)覆膜、蓋上土工布進行水養(yǎng)。

（5）由于UHPC 表面已做過拉毛處理，路面較粗糙，鋪設瀝青前不用再進行拋光處理。水干時進行觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋，情況較好。

5 實橋荷載試驗

分別對江家浜橋東、西兩幅橋進行加載試驗，試驗加載車輛選用2 輛約50 t 四軸載重汽車。通過對江家浜橋直接進行車輛加載，并開展相關測試與分析工作，可以直觀反映出經NC-UHPC 加固修復后的橋梁結構在試驗荷載作用下的實際工作狀態(tài)，進而評定橋梁結構的使用狀況。

本次實橋荷載試驗分4 個主要工況（見表3），每個工況分2 級加載。每個工況測試板梁跨中撓度、應變及裂縫開展情況。

表3 加載工況一覽表

表4 給出了靜載試驗主要結構內力的理論計算值以及相應的荷載效率η。圖7 以工況3 為例，給出了中跨主梁的變形實測值計理論計算值的對比情況。

表4 主要測試工況的計算內力值及相應的荷載效率η

圖7 中跨主梁加載變形情況

荷載試驗過程中，選取邊跨梁底6 條典型裂縫的寬度進行監(jiān)測。裂縫寬度測量結果見表5。

表5 邊跨梁底裂縫寬度監(jiān)測結果

（1）變形測試結果表明：主梁的剛度能夠滿足要求；各測試斷面在各工況分級加載時，各測點變形基本呈線性增長趨勢，未見突變；同時，殘余變形很小，說明該橋在各加載工況下始終處于彈性工作狀態(tài)；各工況滿載加載時，主梁撓度的實測值均小于理論計算值。

（2）梁底應變測試結果表明：主梁的強度能夠滿足要求；各測試斷面在各工況分級加載時，各梁底測點應變基本呈線性增長趨勢，未見突變；同時，殘余應變很小，說明該橋在各加載工況下始終處于彈性工作狀態(tài)；各工況滿載加載時，各梁底測點應變的實測值均小于理論計算值。

（3）鋪裝應變測試結果表明：各荷載試驗工況分級加載時，各鋪裝測點應變基本呈線性增長趨勢，未見突變；同時，殘余應變很小，說明鋪裝混凝土始終處于彈性工作狀態(tài)。

（4）梁底裂縫寬度監(jiān)測結果表明：試驗過程中裂縫寬度增量很??；各加載工況下未出現(xiàn)裂縫寬度大于0.20 mm 的情況；荷載試驗后梁底裂縫寬度均基本恢復到加載前狀況，說明邊跨上部板梁結構處于彈性工作狀態(tài)。

6 結 語

基于NC-UHPC 的空心板梁鉸縫快速修復技術系鑿除原破損混凝土鋪裝及鉸縫破碎混凝土，以UHPC 填充鉸縫并在梁頂形成縱橫向連接結構層（6 cm），通過鉸縫植筋、橋面鋼筋網片將UHPC與空心板梁連接形成整體，橫橋向具備剛接板梁的受力特性，縱向UHPC 與空心板梁形成疊合梁增強了縱梁的抗彎承載力。

該技術方案充分發(fā)揮UHPC 材料抗拉強度高、抗裂性能及韌性好、強度增長快等優(yōu)勢，相比常規(guī)早強混凝土鉸縫修復技術而言（厚度不小于12 cm）可大幅減小疊合層厚度（6 cm），減輕上部結構既有梁體受力負擔，施工方便快捷，實橋荷載試驗表明，該技術方案加固的結構剛度和整體性優(yōu)于預期，在鉸縫快速修復工程中具有廣闊的應用前景。