改擴(kuò)建后工字梁與T梁組合橋面病害處治及加鋪設(shè)計(jì)分析

施權(quán)君,黃巖峰

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

高速公路改擴(kuò)建中,原有的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土舊梁與拓寬部分的新梁結(jié)合是一種常見(jiàn)的拼接方式[1-2],但在使用過(guò)程中,此類橋梁的橋面鋪裝常常會(huì)出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂、破損,削弱了其耐久性和安全性。

對(duì)于橋面鋪裝病害治理,隨著筑路新材料與施工技術(shù)的不斷更新與完善,涌現(xiàn)出了以易密實(shí)高彈改性瀝青(EMC)、超薄耐久性抗滑磨耗層(TFC)、環(huán)氧瀝青混凝土(EA)、改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)等典型瀝青鋪裝材料為基礎(chǔ)的主流加鋪技術(shù)[3-6],以及“UHPC+SMA”等其他組合鋪裝技術(shù)[7]。

易密實(shí)高彈改性瀝青(EMC)采用易密實(shí)高彈改性劑和SBS改性瀝青進(jìn)行配制,是可用于改善路面抗滑性能、封閉路面裂縫和延長(zhǎng)路面壽命的一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)。由于EMC-10采用易密實(shí)高彈改性瀝青和骨架密實(shí)型級(jí)配,施工和易性好,高低溫性能均衡,抗反射裂縫能力優(yōu)異,構(gòu)造深度大,抗滑性能好,用于橋面鋪裝病害處治后的橋面加鋪優(yōu)勢(shì)明顯。

1 工程概況

位于G75蘭州至海口高速公路(廣西南寧至欽州段)的某大橋跨越欽江,建成于1997年9月,全長(zhǎng)288.00 m。此路段于2017年改擴(kuò)建時(shí),對(duì)該橋保留舊橋結(jié)構(gòu),在舊橋兩側(cè)進(jìn)行加寬處理;舊橋與拼寬橋梁間為上部結(jié)構(gòu)相連接,下部結(jié)構(gòu)不相連接,并于2019年10月建成通車。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為7×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)工字梁(舊橋部分)+7×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁(拓寬橋梁部分)。下部結(jié)構(gòu)的原舊橋橋臺(tái)采用肋板式、明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),橋墩為薄壁墩、樁基礎(chǔ);拓寬橋梁的橋臺(tái)為肋式橋臺(tái)、樁基礎(chǔ);橋墩采用薄壁墩、樁基礎(chǔ)。

橋面鋪裝采用15 cm厚C50水泥混凝土,上部設(shè)1 cm表面微處理層及4 cm厚AC-13瀝青混凝土防滑層。該橋設(shè)計(jì)速度為120 km/h;舊橋部分設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級(jí),掛車-120;拓寬橋梁為公路-Ⅰ級(jí)。橋面雙幅總寬2×22.35 m,單幅橋面凈寬19.5 m,典型斷面如圖1所示。

圖1 橋梁斷面圖(cm)

2 病害情況及原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,橋面鋪裝的主要病害情況及產(chǎn)生原因分析如下。

2.1 橋面病害情況

左幅橋面鋪裝存在1道縱向裂縫,裂縫長(zhǎng)度為2.0 m,寬度為0.80 mm;存在3道塊裂裂縫,面積總計(jì)19.79 m2;存在6道橫向裂縫,縫長(zhǎng)合計(jì)為24.5 m,裂縫寬度為0.15～0.30 mm;存在2處網(wǎng)狀裂縫,面積總計(jì)為21.66 m2;存在2處破損坑槽,面積總計(jì)為57.47 m2。

右幅橋面鋪裝存在4道縱向裂縫,縫長(zhǎng)合計(jì)為25.8 m,裂縫寬度為0.18～0.50 mm;存在2道塊裂裂縫,面積總計(jì)為7.38 m2;存在30道橫向裂縫,縫長(zhǎng)合計(jì)為45.8 m,裂縫寬度為0.20～2.50 mm;存在4處網(wǎng)狀裂縫,面積總計(jì)為3.30 m2;存在5處破損坑槽,面積總計(jì)為1.96 m2。

綜合左右幅橋面病害情況,該橋主要病害為縱橫向裂縫、塊裂裂縫、網(wǎng)狀裂縫及破損坑槽。

2.2 病害成因分析

橋面鋪裝塊裂、網(wǎng)裂、坑槽等形成的主要原因是:受重載交通作用,橋面鋪裝層表面出現(xiàn)局部龜裂、網(wǎng)裂病害,若處理不及時(shí),在長(zhǎng)期雨水侵蝕與重車作用下,導(dǎo)致破損加大逐漸形成塊裂、坑槽。

橋面鋪裝縱向裂縫形成的主要原因是:新舊梁間建造時(shí)間相隔較長(zhǎng),存在不均勻沉降導(dǎo)致橋面鋪裝縱向開(kāi)裂,且常在新舊梁的濕接縫處出現(xiàn)裂縫。

橋面鋪裝橫向裂縫形成的主要原因是:墩頂位置附近橋面鋪裝在移動(dòng)荷載作用下處于受拉狀態(tài),當(dāng)橋面鋪裝拉應(yīng)力超過(guò)抗力時(shí)發(fā)生開(kāi)裂,但非墩頂處的橫向裂縫主要是由于橋面鋪裝混凝土溫度變化伸縮造成。

3 橋面加鋪設(shè)計(jì)

結(jié)合項(xiàng)目橋梁特點(diǎn),根據(jù)橋梁的檢測(cè)及驗(yàn)算評(píng)估結(jié)論,本著安全第一的原則,以經(jīng)濟(jì)合理、縮短交通影響及施工便捷為目的,采用適當(dāng)措施消除橋梁安全隱患,確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全。本文僅介紹對(duì)橋面病害的加鋪前維修處治,并對(duì)橋面進(jìn)行加鋪設(shè)計(jì)。

3.1 加鋪前病害維修

橋面加鋪前須對(duì)開(kāi)裂等病害進(jìn)行維修處治,重點(diǎn)考慮抗反射裂縫和防止薄層推移。為了減少加鋪薄層罩面后路面的反射裂縫,橋面鋪裝病害處治方案為:對(duì)左右幅橋面鋪裝存在的裂縫進(jìn)行灌膠處理,對(duì)破損坑槽進(jìn)行局部修補(bǔ);對(duì)右幅新舊橋梁交接處的混凝土破損進(jìn)行挖除,并采用配筋進(jìn)行維修加固處理。

3.2 加鋪方案比選

為了保證該橋的加鋪安全,分原鋪裝工況(15 cm鋼筋混凝土鋪裝+2 cm瀝青鋪裝面層)[8]和加鋪工況(原鋪裝+10 cm瀝青鋪裝面層)[9-10],分別按相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行荷載組合和驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明,各工況下,拼寬結(jié)構(gòu)及舊橋結(jié)構(gòu)主梁正截面抗彎強(qiáng)度及斜截面抗剪強(qiáng)度,在正常使用極限狀態(tài)采用階段應(yīng)力驗(yàn)算,主梁撓度驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求,可以進(jìn)行橋面加鋪設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際情況及考慮材料、施工等各方面情況,進(jìn)行以下加鋪方案比對(duì)。

3.2.1 易密實(shí)高彈超薄磨耗層

易密實(shí)高彈超薄罩面(EMC)是一種用于改善路面抗滑性能、平整度、封閉路面裂縫和延長(zhǎng)路面壽命的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù),有EMC-10和EMC-13兩種級(jí)配。EMC-10采取易密實(shí)高彈改性瀝青和骨架密實(shí)型級(jí)配,施工和易性好,設(shè)計(jì)空隙率為3%～5%,高低溫性能均衡,抗反射裂縫能力優(yōu)異,構(gòu)造深度大,抗滑性能好。該橋計(jì)劃采用EMC-10,鋪筑厚度為2 cm。

3.2.2 加鋪2 cm復(fù)合封層

復(fù)合封層是碎石聯(lián)結(jié)層、碎石封層和微表處(或稀漿封層)相結(jié)合,鋪筑厚度為15～30 mm。有時(shí)為了提升其路用性能,常用纖維碎石封層或纖維微表處技術(shù)。復(fù)合封層表面密實(shí),能防止石料早期脫落,同時(shí)具有防水和抗滑功能,可有效保護(hù)路面,減少路面病害的發(fā)生,延長(zhǎng)道路使用壽命。

3.2.3 雙層超薄耐久性抗滑磨耗層

超薄耐久性抗滑磨耗層(TFC)利用專用乳液作為膠結(jié)料,以3～5 mm單一粒徑玄武巖作為集料,采用專用攤鋪設(shè)備實(shí)現(xiàn)一體化作業(yè),初步凝結(jié)后用鋼輪壓路機(jī)碾壓成型,雙層施工最終成型厚度約為1 cm。雙層TFC超薄耐久性抗滑磨耗層方案具有不損傷原橋面結(jié)構(gòu)、粘結(jié)牢固、美觀舒適等主要性能優(yōu)勢(shì)。

3.2.4 加鋪SMA-13瀝青罩面

根據(jù)橋面加鋪結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果,最大加鋪厚度為10 cm,因此為了提升加鋪罩面的使用壽命,可選擇更厚的瀝青罩面,比如加鋪2 cm厚AC-10瀝青應(yīng)力吸收層+4 cm厚SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石。該方案可大幅提高橋面使用壽命(≥7年)及平整度,且抗滑性能優(yōu)良。但不足之處是加鋪后橋面標(biāo)高抬升6 cm,現(xiàn)有的混凝土防撞墻高度無(wú)法滿足規(guī)范要求,需進(jìn)行提升改造;由于加鋪厚度較大,橋面伸縮縫需拆除重做;養(yǎng)護(hù)成本高,工期長(zhǎng),對(duì)通行影響大。

3.2.5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合分析

由于該橋位于平陸運(yùn)河航道上,受運(yùn)河項(xiàng)目的影響,大橋在未來(lái)5年需要拆除重建,為避免拆除前需對(duì)橋面進(jìn)行第二次養(yǎng)護(hù)維修,造成養(yǎng)護(hù)資金的浪費(fèi),本次橋面加鋪設(shè)計(jì)使用年限確定為5年。為了進(jìn)行對(duì)比,下面就將四種方案的基本特性列出如下頁(yè)表1所示。

表1 方案比選表

從技術(shù)層面分析,最優(yōu)加鋪方案為加鋪2 cm厚AC-10+4 cm SMA-13,但若采用該方案,需同時(shí)對(duì)橋梁伸縮縫及混凝土護(hù)欄進(jìn)行處理,項(xiàng)目投資及工期必將大增,故不建議采用該方案。雙層超薄耐久性抗滑磨耗層(TFC)加鋪厚度僅有1 cm,其抗反射裂縫能力較差,使用壽命僅有2～3年,拆除重建前很可能需要進(jìn)行二次維修,且費(fèi)用相對(duì)較高,因此也不建議采用。易密實(shí)超薄磨耗層EMC-10和復(fù)合封層相比,前者與橋面的粘結(jié)效果、抗反射裂縫能力、使用耐久性等更優(yōu),但其施工便易性及經(jīng)濟(jì)性略差,其他方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),兩者大致相當(dāng),因此推薦采用易密實(shí)超薄磨耗層EMC-10作為本次加鋪方案。

根據(jù)以往的工程實(shí)例表明,傳統(tǒng)的乳化瀝青、改性乳化瀝青、熱瀝青用于水泥路面薄層加鋪工程中,其粘結(jié)能力表現(xiàn)明顯不足,常引發(fā)瀝青罩面推移或脫落等病害,因此建議本項(xiàng)目采用不粘輪的高強(qiáng)溶劑型粘結(jié)劑作為粘層材料。

3.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)方案對(duì)比,結(jié)合大橋的現(xiàn)實(shí)狀況,以及國(guó)內(nèi)水泥橋面加鋪瀝青罩面技術(shù)的研究成果,在對(duì)原橋面病害進(jìn)行徹底處治的基礎(chǔ)上,確定本項(xiàng)目的橋面加鋪設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下[11],具體詳見(jiàn)圖2。

(a)正常路段

(1)對(duì)原路面進(jìn)行精銑刨,銑刨深度為1.0 cm,橋面伸縮縫兩側(cè)2 m范圍內(nèi)的銑刨深度為1～2 cm,以提高水泥路面平整度,并為加鋪超薄罩面提供平整粗糙界面,增強(qiáng)原橋面與加鋪層層間粘結(jié)。

(2)采用抗裂貼對(duì)處治后的后澆帶進(jìn)行貼縫處理,從而起到橋面封水和提高加鋪層抗反射裂縫能力的作用,其中抗裂貼的寬度為33 cm。

(3)撒布高粘結(jié)力的高強(qiáng)型溶劑粘結(jié)劑0.3～0.5 kg/m2,作為界面粘結(jié)劑,提高超薄罩面與基面間的界面粘結(jié)效果,防止超薄罩面在使用過(guò)程中發(fā)生推移。

(4)加鋪2.0 cm易密實(shí)高彈超薄磨耗層EMC-10,為大橋橋面提供平整、舒適、抗滑的磨耗層。對(duì)全線標(biāo)線和反光突起路標(biāo)進(jìn)行恢復(fù),保障交通安全。

4 加鋪施工技術(shù)要求

4.1 易密實(shí)高彈超薄磨耗層施工

易密實(shí)高彈改性瀝青采用易密實(shí)高彈改性劑和SBS改性瀝青進(jìn)行配制,其中,易密實(shí)高彈改性劑摻量根據(jù)試驗(yàn)確定,粗集料采用5～10 mm輝綠巖碎石,細(xì)集料采用0～3 mm輝綠巖機(jī)制砂,技術(shù)指標(biāo)必須滿足規(guī)范要求。易密實(shí)高彈改性瀝青應(yīng)滿足表2所列的技術(shù)要求。

表2 易密實(shí)高彈改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求表

EMC-10易密實(shí)高彈薄層罩面混合料的性能要求如表3所示,馬歇爾試件尺寸為φ101.6 mm×63.5 mm。EMC-10的油石比通常為5.4%～5.8%,具體根據(jù)配合比試驗(yàn)確定。

表3 EMC-10易密實(shí)高彈薄層罩面性能要求表

4.2 高強(qiáng)型溶劑粘結(jié)劑施工

采用不粘輪的高強(qiáng)型溶劑粘結(jié)劑作為粘層,原材料應(yīng)滿足表4所列技術(shù)要求[12],并具有符合要求的路用性能。粘結(jié)層的撒布量應(yīng)保證路面瀝青膜厚度均勻,并在一定時(shí)間內(nèi)完全干燥,推薦用量為0.3～0.5 kg/m2。

表4 溶劑型粘結(jié)劑的主要技術(shù)要求表

4.3 精銑刨施工技術(shù)

精銑刨時(shí)應(yīng)按確定好的銑刨面積、銑刨深度沿行車方向逐刀進(jìn)行,銑刨設(shè)備應(yīng)采用多點(diǎn)找平進(jìn)行施工。采用精銑刨的刀頭個(gè)數(shù)為336或672,銑刨速度應(yīng)控制在8～15 m/min,銑刨深度為5～10 mm。對(duì)未銑刨到的邊角部位,采用人工進(jìn)行修整;在橋梁伸縮縫與路面連接處,應(yīng)在伸縮縫兩側(cè)至少預(yù)留10 cm寬的區(qū)域不銑刨。銑刨面要采用設(shè)備清掃,以確保銑刨裸露面潔凈、干燥,且銑刨面外觀、寬度、深度等要符合要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于某橋梁橋面檢測(cè)的病害情況,本文提出在對(duì)病害進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上,采用易密實(shí)高彈超薄磨耗層施工對(duì)橋面進(jìn)行加鋪,得到主要研究結(jié)論如下:

(1)改擴(kuò)建橋梁由于新舊橋橋面連接但下部結(jié)構(gòu)不連接,橋面鋪裝較易出現(xiàn)裂縫、坑槽等病害,必須分析其原因并采取合理的處治技術(shù)。

(2)分析對(duì)比表明,采用2 cm厚度的 EMC-10易密實(shí)高彈改性瀝青方案對(duì)該橋橋面進(jìn)行加鋪經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、針對(duì)性強(qiáng),但必須要采用高強(qiáng)型溶劑粘結(jié)劑作為粘層,并對(duì)原混凝土橋面進(jìn)行精銑刨。

(3)施工檢測(cè)及跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,該橋利用EMC-10進(jìn)行橋面加鋪具有良好的抗車轍性能、抗滑穩(wěn)定性及良好的排水性能,處理效果良好。