預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固空心板橋的實(shí)踐及評(píng)估分析

張春雨

（青島交建集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

我國道路交通體系一般多數(shù)采用空心板橋梁，具有跨徑小、適應(yīng)性強(qiáng)、施工便捷特點(diǎn)，通過實(shí)踐證實(shí)，空心板橋梁過于注重經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，導(dǎo)致工程建造細(xì)節(jié)存在問題，影響橋梁使用年限?？招陌鍢蛄恒q縫在設(shè)計(jì)和構(gòu)建過程中病害發(fā)生主要是鉸縫過大，影響橋梁荷載橫向分布，影響橋梁服役期間的安全性。國外針對(duì)空心板橋病害問題采取梁頂澆筑鋼筋混凝土，增強(qiáng)橫向預(yù)應(yīng)力，控制鉸縫病害發(fā)生。日本針對(duì)鉸縫病害在梁頂運(yùn)用瀝青混凝土鋪裝，減少了空心板橋梁鉸縫病害發(fā)生。

1 空心板梁橋病害相關(guān)研究

1.1 空心板梁橋病害機(jī)理研究現(xiàn)狀

空心板橋梁橫向連接過程中鉸縫發(fā)揮巨大作用，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力情況影響較大。鉸縫主要存在以下病害。第一，鉸縫滲水。鉸縫滲水表明鉸縫出現(xiàn)開裂，隨著雨水沖刷導(dǎo)致橋面鋼筋暴露在潮濕環(huán)境，增加了混凝土碳化速度，影響橋梁耐久性。第二，橋面鋪裝縱向裂縫。在車輛的荷載作用下，鉸縫出現(xiàn)病害，影響鉸縫構(gòu)件穩(wěn)定性，導(dǎo)致橫向傳力能力下降，橋面鋪裝過程中順延橋向出現(xiàn)破碎帶。第三，空心板梁橫向分離。鉸縫混凝土內(nèi)部出現(xiàn)脫落、塌陷等病害，導(dǎo)致難以向荷載橫向傳遞，空心板梁橋出現(xiàn)單板受力，加重了鉸縫病害，每個(gè)板梁撓度不均勻，底部出現(xiàn)橫向裂縫，影響行車安全。

設(shè)計(jì)方面空心板梁橋標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法做進(jìn)一步改進(jìn)，通過改進(jìn)荷載橫向分布計(jì)算系數(shù)，鉸縫可傳遞橫向彎矩，如果鉸縫傳遞豎向剪力會(huì)影響結(jié)果出現(xiàn)差異，因此，鉸縫受力與破損程度具有直接關(guān)系，因此，在施工環(huán)節(jié)，應(yīng)精準(zhǔn)計(jì)算豎向剪力強(qiáng)度。施工方面主要是在鉸縫施工過程中，下層鋼筋焊接較為困難，現(xiàn)澆筑混凝土振搗存在蜂窩，空心板梁與鉸縫連接處不良，如果不能對(duì)交界面預(yù)濕處理，將會(huì)弱化鉸縫與板梁之間的關(guān)聯(lián)。施工人員如果不能對(duì)空心板橋梁鉸縫重視，將影響工程建設(shè)質(zhì)量，導(dǎo)致主梁與鉸縫粘結(jié)出現(xiàn)問題。養(yǎng)護(hù)及運(yùn)營環(huán)節(jié)不能按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)使用，易出現(xiàn)超早現(xiàn)象，長期高負(fù)荷作用下加重了空心板梁橋鉸縫損壞程度，工作人員不能對(duì)病害快速識(shí)別，加劇了病害發(fā)展程度。

1.2 空心板梁橋加固方法研究現(xiàn)狀

鉸縫病害在空心板橋梁中帶來了巨大安全隱患，應(yīng)對(duì)當(dāng)前空心板梁橋加固方法做出全面分析。第一，化學(xué)灌漿法。這種方法主要是對(duì)裂縫進(jìn)行關(guān)鍵處理。例如，以環(huán)氧樹脂材料為主的粘結(jié)劑對(duì)病害處實(shí)施灌漿，使鉸縫恢復(fù)連接。這種適用于已經(jīng)出現(xiàn)小幅裂縫，但沒有進(jìn)一步發(fā)展。第二，翻新鉸縫，如果橋面出現(xiàn)初期鉸縫破損，表現(xiàn)為縱向破損帶，可以對(duì)空心板橋面做重新鋪裝處理，具體實(shí)施步驟為重新澆筑混凝土，盡量增大鋪裝厚度，確保橋面穩(wěn)固，控制橋面病害進(jìn)一步發(fā)展，提高整體受力性能。第三，采取復(fù)合材料加固。一般在處理橋梁病害還可以采取鋼板為材料的原料進(jìn)行加固，恢復(fù)不同板材的橫向連接，還應(yīng)提高橋梁整體承載性能。第四，縱向體外預(yù)應(yīng)力加固。如果服役板橋欠缺承載能力，為了滿足使用需求，應(yīng)對(duì)受力薄弱區(qū)段實(shí)施加固處理，抑制鉸縫病害加劇。第五，橫向預(yù)應(yīng)力加固。應(yīng)調(diào)整鉸縫受力方向，增加橋梁板材橫向聯(lián)系，增加新老混凝土交匯處摩擦力和橋梁橫向抗彎剛度，使受力更加均勻。

1.3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)研究現(xiàn)狀

土木工程領(lǐng)域?yàn)榱颂岣吡W(xué)性能，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高、比重輕、耐久性好、占用場地好的特點(diǎn)，一般采取碳纖維復(fù)合材料粘貼梁底部。目前碳纖維板彈性模量與鋼材相近，為了提高碳纖維材料的拉伸效果，應(yīng)對(duì)碳纖維板施壓預(yù)應(yīng)力，提高其強(qiáng)度。

2 橫向預(yù)應(yīng)力加固效果影響因素研究

由于構(gòu)造原因，鉸縫易受到雙向拉力作用導(dǎo)致開裂，一般采取橫向預(yù)應(yīng)力措施加固處理，嚴(yán)格控制鉸縫病害進(jìn)一步擴(kuò)大。應(yīng)根據(jù)工程施工現(xiàn)場需要，判斷張拉力大小、橋梁寬度、橫向預(yù)應(yīng)力布置位置、間距等對(duì)加固效果影響分析。本文針對(duì)大鉸縫空心板梁橋進(jìn)行分析。

2.1 鉸縫損傷模式及加固模型的確定

2.1.1 不利荷載工況下的比選。

為了明確鉸縫處在不利荷載工況下應(yīng)對(duì)比車道與車輛荷載，分析鉸縫底層橫向拉應(yīng)力，路面出現(xiàn)裂縫因素，為了控制計(jì)算成本，在偏載工況作用下，選擇跨徑模板做深入研究。結(jié)合公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范要求，車輛均勻荷載為q =10.5kN/m，車道寬度為3.75m。

圖1 車輛荷載加載工況（單位： mm）

針對(duì)工程實(shí)際判斷空心板橋模型，根據(jù)鉸縫地緣橫向應(yīng)力來確定不利工況。偏載工況下鉸縫底緣橫向正應(yīng)力沿縱向分布，通過對(duì)不同荷載作用應(yīng)力峰值分析，車道在中載與偏載情況下荷載作用影響較大，在預(yù)應(yīng)力加固過程中應(yīng)考慮沖擊系數(shù)。

2.1.2 鉸縫損傷程度對(duì)比分析

加固空心板梁橋在養(yǎng)護(hù)及服役期荷載作用下，會(huì)加速鉸縫病害程度。本文主要針對(duì)空心板梁橋加固技術(shù)進(jìn)行分析，為了提高空心板梁橋加固效果，應(yīng)將鉸縫損傷程度按照不同等級(jí)分裂，其中，以13m跨徑空心板梁橋?yàn)槔?，不同鉸縫等級(jí)開裂程度有所區(qū)別。其中不損傷鉸縫深度為0，一級(jí)損傷鉸縫深度為80mm，二級(jí)損傷鉸縫深度為230mm，三類損傷鉸縫深度380mm，四類損傷鉸縫深度530mm。鉸縫應(yīng)根據(jù)損傷情況以及荷載工況必選結(jié)果，根據(jù)鉸縫底緣橫向正應(yīng)力評(píng)估鉸縫開裂程度，結(jié)果表明越靠近橋梁中線位置越容易發(fā)生開裂，并按順序從中間鉸縫向周邊延展。對(duì)不同損傷模式下板梁撓度量化結(jié)果分析，隨著中間鉸縫損傷程度越來越嚴(yán)重，邊鉸縫會(huì)發(fā)生開裂。鉸縫損傷程度不同，當(dāng)鉸縫損傷加劇，所有鉸縫均較上一類別更加不利，跨中撓度對(duì)比如圖2。

圖2 中損傷模式3 為一類損傷，損傷模式5 為二類損傷，損傷模式9 為三類損傷，損傷模式16 為四類損傷。

圖2 不同損傷模式跨中撓度對(duì)比

2.1.3 加固模型及橫向預(yù)應(yīng)力材料選取

加固模型中鉸縫和空心板材料一般以C50 混凝土為主，模擬橫向預(yù)應(yīng)力加固后鉸縫混凝土恢復(fù)受壓性能，加固后應(yīng)恢復(fù)受壓性能，縱向預(yù)應(yīng)力材料選擇高強(qiáng)鋼絞線，橫向預(yù)應(yīng)力材料選擇碳纖維板。

2.2 加固效果影響因素分析

2.2.1 橫向預(yù)應(yīng)力布置區(qū)域加固效果

為了起到加固效果，應(yīng)對(duì)橫向預(yù)應(yīng)力車道荷載系數(shù)分析，板底跨中位置應(yīng)增加橫向預(yù)應(yīng)力，對(duì)四類損傷模式撓度及未損傷模型應(yīng)力分析，向支座部位平移橫向預(yù)應(yīng)力，以達(dá)到支座位置為例。不同位置橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)鉸縫應(yīng)力及跨中撓度改善有所區(qū)別，將改善效果量化后，對(duì)比發(fā)現(xiàn)20m和13m跨徑空心板橋梁鉸縫應(yīng)力規(guī)律相同，中間鉸縫底緣存在橫向拉應(yīng)力，對(duì)比跨中撓度，表明橫向預(yù)應(yīng)力中施加80kN難以達(dá)到加固預(yù)期性能，為了保障加固效果，以13m跨徑空心板橋梁為例，L/3 ～2L/3 區(qū)間實(shí)施加固作業(yè)。

2.2.2 橫向預(yù)應(yīng)力施加大小對(duì)加固效果的影響

根據(jù)不同鉸縫損傷程度，為了提高加固性能，對(duì)L/3、L/2、2L/3 跨徑處布置三道橫向預(yù)應(yīng)力分析，對(duì)每一級(jí)鉸縫損傷模式進(jìn)行分析，橫向預(yù)應(yīng)力增大到一定程度后，鉸縫損傷程度會(huì)變得不明顯，由于橫向聯(lián)系密切，加固后性能并未得到大幅提高。橫向預(yù)應(yīng)力會(huì)使邊板位置出現(xiàn)下?lián)?，橫向預(yù)應(yīng)力的增加下?lián)现狄矔?huì)隨著增加，主要是空心板橋中間部位的不利荷載作用難以抵消邊板橫向預(yù)應(yīng)力。加固后鉸縫損傷程度模型量化體現(xiàn)，不同橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)加固效果有所區(qū)別，當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力達(dá)到125kN，加固效果影響會(huì)出現(xiàn)弱化，為了控制成本，應(yīng)取橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)加固效果的臨界值。由于鉸縫縱向抗彎剛度受到影響，增加了跨中撓度，為了使加固后達(dá)到空心板橋初始水平，當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力增加到150kN，考慮縱向鉸縫抗彎剛度后，邊鉸縫到中間鉸縫橫向預(yù)應(yīng)力逐漸減弱，當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力保持125kN，四類鉸縫底緣混凝土橫向拉應(yīng)力為0.9MPa，一類和二類鉸縫底緣混凝土橫向受壓平衡。

2.2.3 橫向預(yù)應(yīng)力錨固位置對(duì)加固效果的影響

鉸縫四類損傷為研究對(duì)象，分析預(yù)應(yīng)力錨固施工效果，在板底跨境處布置橫向預(yù)應(yīng)力實(shí)施加固處理，其中預(yù)應(yīng)力大小為150kN，研究橫向預(yù)應(yīng)力錨固位置對(duì)加固效果影響。橫向預(yù)應(yīng)力在邊板底部錨固時(shí)，錨固位置會(huì)出現(xiàn)橫向位移，橫向預(yù)應(yīng)力損傷模型的跨中撓度未發(fā)生較大改變，錨固位置貼合橋梁內(nèi)側(cè)使鉸縫附近主梁出現(xiàn)一定撓度。應(yīng)通過增加布置數(shù)量，提高加固效果。應(yīng)充分考慮橋梁車輛荷載情況，隨著荷載不斷加大，中載和偏載加固效果會(huì)弱化，應(yīng)結(jié)合運(yùn)行車輛荷載情況做好橫向預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)。鉸縫底緣橫向應(yīng)力會(huì)隨著空心板橋?qū)挾鹊脑黾佣鴾p弱加固效果，因此，空心板橋梁加固設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮橋面寬度，確保達(dá)到預(yù)期加固效果。

3 橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固設(shè)計(jì)方法研究

3.1 13m跨徑10 塊板空心板梁橋加固設(shè)計(jì)

不同工況加載后鉸縫應(yīng)力不同，在最不利荷載工況下，2 輛車加載時(shí)，在中間鉸縫底緣產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，考慮1.3 倍沖擊系數(shù)和1.5 倍保證系數(shù)。以跨中界面為加固目標(biāo)，對(duì)13m跨徑空心板梁橋加固區(qū)L/3～2L/3 跨徑區(qū)間分析，距跨中0.5m、2m處分別設(shè)置預(yù)應(yīng)力加固分析。在最不利荷載作用下，對(duì)比加固效果，通過分析鉸縫橫向應(yīng)力確定加固橫向預(yù)應(yīng)力。加固前后鉸縫橫向應(yīng)力大小達(dá)到215kN時(shí)，橋梁中間鉸縫底緣橫向應(yīng)力減弱，其他應(yīng)力保持橫向受壓，橫向預(yù)應(yīng)力增加，邊鉸縫底緣與中鉸縫底緣橫向正應(yīng)力呈反方向變化，當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力保持215kN時(shí)實(shí)施加固措施，梁頂最大橫向拉應(yīng)力符合安全要求。鉸縫損傷程度對(duì)加固效果的影響分析中應(yīng)以跨中位置豎向撓度變化作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力達(dá)到215kN，增大橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)加固效果影響不大，為了全面掌握加固效果，盤點(diǎn)加固后每個(gè)空心板撓度與整體板橋撓度比，鉸縫損傷程度加重，撓度恢復(fù)難度越大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力達(dá)到215kN后，加固效果保持恒定，其中最大橫向拉應(yīng)力1.05MPa，符合行業(yè)安全要求。加固空心板橋結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生變更，應(yīng)分析荷載橫向分布規(guī)律，其中中間板荷載橫向分布與未損傷模型最為接近。

3.2 實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)算方法

一般采用在跨中部位布置5 道橫向預(yù)應(yīng)力，加固后，應(yīng)確保界面最不利荷載環(huán)境下達(dá)到加固要求，以13m跨徑10 塊板模型為例，確定布置間距應(yīng)在靠近支座位置擴(kuò)大間距，分析不利荷載條件下不同損傷模式橫向受壓恢復(fù)能力。當(dāng)橋梁跨徑、寬度以及橫向預(yù)應(yīng)力間距明確，對(duì)不同鉸縫病害加固所需橫向預(yù)應(yīng)力差異不大，主要是不同損傷模式的空心板橋模型恢復(fù)抗彎能力及水壓區(qū)高度差異不大，因此，應(yīng)對(duì)損傷模式下最大橫向預(yù)應(yīng)力加固。不同荷載條件下，一般中間幾塊板承載最大荷載，隨著橋梁寬度增加，鉸縫橫向應(yīng)力值隨著橋梁寬度增加而減小，雙向受力明顯，損失部分橫向預(yù)應(yīng)力。橫向預(yù)應(yīng)力間距增大，鉸縫底緣橫向預(yù)壓應(yīng)力峰值衰減。隨著混凝土結(jié)構(gòu)層厚增加，鉸縫底緣橫向正應(yīng)力逐漸減小，加固后梁頂產(chǎn)生橫向壓力逐漸減小，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)增加橫向預(yù)應(yīng)力偏心，中間交鋒較邊鉸縫損失隨著混凝土結(jié)構(gòu)層厚度逐漸增加。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)圖單板1m寬空心板梁橋加固設(shè)計(jì)

不同跨徑空心板橋橫向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固設(shè)計(jì)不同，在恒載作用下，橫向預(yù)應(yīng)力在梁頂產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力不會(huì)對(duì)橋梁混凝土產(chǎn)生影響。不利荷載條件下，不同損傷模式采取預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后，鉸縫底緣可恢復(fù)橫向受壓性能。實(shí)施加固措施后，邊鉸縫底緣應(yīng)力隨著縱向連續(xù)分布，但不會(huì)超過應(yīng)力值上限。以標(biāo)準(zhǔn)圖單板1m布置，常用預(yù)應(yīng)力碳纖維板截面寬度為100mm，截面厚度為2mm，抗拉強(qiáng)度下限為2400MPa，當(dāng)碳纖維板張拉力為0.65 倍破斷力時(shí)，可以推算出碳纖維板最大張拉力為312kN，隨著橫向預(yù)應(yīng)力增加，達(dá)到峰值312kN可適當(dāng)控制預(yù)應(yīng)力間距。隨著寬跨比增加，不利荷載中間鉸縫底緣橫向拉應(yīng)力增加，預(yù)壓應(yīng)力隨之減少，當(dāng)跨徑10m空心板橋梁，運(yùn)用碳纖維板進(jìn)行加固，當(dāng)間距保持1m會(huì)增加張拉力，因此，應(yīng)控制間距，才能達(dá)到預(yù)期加固效果。

4 結(jié)語

本文針對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固空心板橋?qū)嵺`進(jìn)行分析，對(duì)不利荷載條件下橫線分布及鉸縫應(yīng)力分析，對(duì)鉸縫病害機(jī)理提出了預(yù)應(yīng)力加固可行性分析，對(duì)橫向預(yù)應(yīng)力張拉力大小、橋梁寬度、鉸縫損傷、布置間距等對(duì)加固效果影響。對(duì)碳纖維板加固技術(shù)提出了相應(yīng)加固原則、計(jì)算方法及加固設(shè)計(jì)方案，確保工程實(shí)踐中發(fā)揮預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的實(shí)效性。