两例变高度预应力箱梁桥底板崩裂修复方案与实施综合方案

1、两例变高度预应力箱梁桥底板崩裂修复方案与实施1 底板崩裂事故简介2 底板修复方案设计3 底板修复实施1 底板崩裂事故简介南京某特大桥与河流斜交角约为60，其中主桥(477547)m联为变截面预应力砼箱梁连续刚构，截面形式为单箱单室，桥墩均为柱式墩，基础为钻孔灌注桩。 崩裂该桥2005年2月24日进行中跨合龙2005年3月6日完成中跨全部合龙钢束的张拉2005年3月7日拆模时发现底板开裂、局部崩离 箱梁中跨跨中附近腹板底部纵向开裂，裂缝距底板下缘710cm。底板顶、底面砼崩开分离 合拢段附近箱梁底板的破坏大桥修复前 无锡某桥(51+85+51m)三跨变截面预应力砼连续箱梁，截面形式为单箱单室。2

2、005年8月合拢后预应力张拉发生底板崩裂。 2 底板修复方案设计2.1 修复方案简介 南京桥修复设计主要在中跨7、8、9、10号梁段拆除前在8、9号梁段腹板上先加设临时横向联系和纵向联系分次放张中跨合拢束，锯开中跨合拢束成单悬臂状态，并全部凿除分批凿除7、8、9号梁底板，分别浇注底板厚度增加为30cm（预应力孔道距底板下缘距离保持13cm不变）在梁段交界位置增设横向肋板、底板加设钩筋、底板纵向16钢筋改为20主桥中跨底板合龙钢束全部由j15.24-19调整为j15.24-18、顶板由4束j15.24-15调整为2束j15.24-9全部中跨合龙钢束分两批进行张拉 2.2 设计对修复施工要求 南京

3、桥施工步骤 安装8、9号梁段腹板临时纵、横向联系 放张中跨第一批钢束 从合龙段中部箱梁上缘开始锯开，第一次锯开深度为65cm 放张中跨合龙段全部预应力钢束 继续锯开合龙段箱梁腹板与底板混凝土，直至全部锯开 人工凿除中跨合龙段混凝土，恢复至边跨合龙后的单悬臂状态 人工凿除7号梁段端部2.5m范围底板、中跨8号梁段底板混凝土 浇筑7号梁段及8号梁段2.5m底板混凝土人工凿除9号梁段底板混凝土 浇筑8号梁段及9号梁段底板混凝土浇筑合龙段混凝土张拉第一批合龙钢束灌浆，桥面上压重张拉第二批合龙钢束 2.3 设计认为需解决的关键难题 底板崩裂修复工程的关键技术是在新浇筑的底板混凝土位于原有箱梁腹板之下的特

4、殊工况下新老混凝土的结合问题，解决新旧混凝土结合面产生收缩裂缝。（1）经综合考虑，决定取消原修复设计图纸中箱梁底板修复时采用的UEA补偿收缩混凝土,改为低收缩、低泌水的高性能混凝土。 （2）重新确定新老混凝土结合面的齿形（3）经综合考虑，决定取消原修复设计在腹板内的植筋。经结合面纯剪试验证明取消腹板植筋，完全满足结构受力要求。3 底板修复实施 原则：进行修复工作的关键点是解决凿除破坏的混凝土底板后由下向上逆向补浇筑的混凝土底板与原腹板的新老混凝土结合面的共同工作问题，保证重新对底板进行预应力张拉时该结合面能承受巨大的剪切力。 思路：（1）材料技术：提高新浇筑混凝土的体积稳定性，减少新混凝土的收

5、缩率。让新浇筑的混凝土与已完成一定收缩的老混凝土有良好的结合；（2）结构技术：重点解决在保留腹板的底部设计合理的承受剪力的结合面齿形，加强新浇筑底板的上下层钢筋网的结合力，抵抗张拉纵向预应力钢束引起的横向力；做剪切试验，验证设计要求的结合面剪切力；（3）施工技术：制定合理的特殊施工工艺，如何凿出设计要求的齿形及表面粗糙度、如何支模保证混凝土逆向浇筑新老混凝土结合良好等。修复施工流程图 3.1 锯开合拢段，恢复到合拢前的结构悬臂状态 合龙段锯缝按先顶板、后腹板、最后底板的顺序进行切割。锯缝采用专用钻石钢线砼切割机锯截。 放张预应力钢束并锯截后，恢复到原结构悬臂状态混凝土底板修复浇筑，材料上面临的

6、困难是：既要满足基本的混凝土工作性能和满足逆向浇筑的工艺要求，又要满足新浇筑的混凝土体积应稳定，收缩量小新老混凝土才能结合好。特殊条件下混凝土配比设计的指导思想是：配制低收缩、低泌水、体积稳定的高性能混凝土，采用高质量的原材料及高效外加剂，减少单方水泥用量；采用低水胶比；提高混凝土的极限抗拉强度。1 水泥品种及用量选用42.5级普通水泥，掺入高效新型减水剂，采用非泵送混凝土，利用水泥强度的后期发展，最大限度减少水泥用量。减少水泥用量可以降低混凝土内最高温度、减少混凝土收缩。2 水灰比降低水灰比可减少毛细孔、增强界面、提高致密性、减少收缩，获得较好体积稳定性。该工程采用0.300.32的低水灰比

7、进行试配。3 外加剂采用高效聚羧酸减水剂，其减水率25以上，保坍性好，配制的混凝土粘聚性、保水性、体积稳定性较好，对混凝土的水养护要求低，适用于河面上风速大、混凝土表面失水快的恶劣条件。我们在南京九华山隧道工程中已指导了应用此减水剂，积累了成功应用经验。3.2 特殊混凝土配合比设计 4 粗细集料骨料用粒径525mm的碎石，尽量选用粒径较大，级配良好的石子，石子中的针、片状颗粒按重量计不大于15，含泥量小于1；砂子的细度模数在2.5以上的中、粗砂、含泥量小于2，高含泥量对混凝土的极限抗拉强度影响十分不利；通过现场多次试配，证明现场混凝土搅拌站的井水中矿物质直接影响混凝土的工作性能，坍损过大。决定

8、重浇底板的混凝土拌合水必须用软质自来水。5 坍落度为了进一步减少用水量，保证混凝土拌和料的工作性，减少混凝土收缩，采用非泵送混凝土，经反复试验，入模坍落度确定为70100mm。模拟砼运输过程测定经时坍损 施工现场对试配砼进行坍落度测定3.3确定新老混凝土结合面齿形 （1） 结合面表面处理结合面位于腹板和底板交界面处。经充分比较，结合以往混凝土叠合板中新老混凝土结合处理试验，证明只要结合面充分浇水就能满足抗剪要求。新老混凝土结合面的处理方法为：在浇筑新底板混凝土前，对腹板的老混凝土凿出的结合面连续48小时浇水充分湿润，在新混凝土浇筑前其表面不能滴水，保证结合面处的新浇混凝土中的水份不被老混凝土迅

9、速吸走而造成结合不良。对于腹板分块浇筑混凝土的垂直面，只需认真凿毛，在浇筑混凝土前浇水湿润要求同腹板底部凿毛面。（2） 结合面齿形设计腹板由人工凿成具有空间尺寸的齿槽状。齿牙底面以原竖向精轧螺纹预应力钢筋的锚具凸出端为大齿，两竖向预应力筋锚具间凹入为小齿，大小齿的侧面凿成不同角度的斜面，便于振捣混凝土排出气泡。这样处理可利用新老混凝土间的空间齿的机械咬合力以及新老混凝土粗糙面的粘结力传递剪力，确保新老混凝土共同工作。处理后与原一次浇筑成形的混凝土性能基本相同。经剪切试验及2005年11月中旬完成修复的底板预应力张拉已证明设计的空间齿形完全能有效传递剪力，保证了新浇筑的底板与原腹板能共同工作。

10、新结合面空间齿处理方式试件 原结合面的处理方式试件项目组在现场检查结合施工质量 精轧螺纹钢筋锚具处的凸齿便于排气的斜面腹板底部凿出的空间齿（3） 结合面植筋讨论原设计在腹板底部的新老混凝土结合面上按一定间距进行植筋。经反复论证，我们认为腹板中的间距为120mm的箍筋有足够的抗剪钢筋锚固长度，能够起到抗剪钢筋的作用；底板横向钢筋弯入腹板内的直钩与腹板箍筋改为焊接连接后能进一步提高结合面的抗剪能力后，不再需要进行植筋。此外，植筋时，在400mm厚C50混凝土腹板上钻孔易对原混凝土易造成损伤。（4） 增加腹板与底板结合加腋处的上下横向钢筋间的拉结由于原腹板与底板结合加腋处的上下横向钢筋间的拉结不够，

11、造成底板发生层状开裂时板底的横向钢筋一直剥离至腹板底部外侧边。因此，项目组建议设计增加腹板与底板加腋处的横向钢筋间的三道封闭拉结箍筋。加腋处增加加强横向钢筋拉结的封闭箍筋 新增加的3道拉结箍筋底板横向钢筋剥离至腹板底部3.4施工工艺措施 （1） 混凝土支模新浇筑被凿除的混凝土底板，其支模工艺围绕在从底部向上逆向浇筑混凝土如何保证新老混凝土结合良好，减少新浇筑混凝土自密实下沉造成结合面分离的影响。对特殊支模，项目组制定两项措施：腹板外侧面采用外倾斜口支模工艺。斜模板上口高出结合面约300mm高度，保证结合面处的混凝土受到一定压力，避免混凝土拌和料的塑性沉降，便于振动棒插入振捣及排气。吊挂底模板的

12、吊杆要牢靠，预留一定的消除底板模板下沉的向上调节量。腹板外侧的斜口支模 剪切试件模拟真实支模（2） 混凝土的拌制保证混合材的质量，加强材质检验，根据试配结果确定施工配比。外加剂掺量准确，掺量误差应在1以内。搅拌均匀。高效减水剂的掺量小，搅拌不均达不到降低水灰比的效果。可适当延长混凝土的搅拌时间，应不少于6090s，这样可保证混凝土拌合料的均匀性。（3） 混凝土的输送搅拌前按要求准备好所需的原材料，特别是自来水。在施工现场附近自备搅拌站拌和混凝土。搅拌车运至现场后，尽快输送到吊车料斗。由料斗转运至桥面的手推车上，避免较大的震动，如遇混凝土明显分层，宜进行适当的人工搅拌后再浇筑。在浇筑前应不间断地

13、进行坍落度抽检。（4） 浇筑方法腹板与底板的结合面处分两层连续浇筑：第一层浇至腹板底部齿槽以上50mm处，进行充分振捣，排出结合面处的气泡，待振捣密实并初步沉实后，进行第二层浇捣。注意分层的时间间隔，不超过混凝土的初凝时间。浇捣方向沿底板中间向两侧浇筑，浇至底板和腹板相交的斜面处，改为从腹板底部向底板中间浇筑。采用插入式振捣器振捣，钢筋密集区即腹板、底板相交处可采用小直径振捣器。振捣以表面水平为准，不再显著下降，不再出现气泡，表面泛出灰浆为准。按照项目组建议的混凝土配合比和施工工艺进行施工后状况良好，现场同条件养护3天强度达到110。新老混凝土结合面紧密，新老混凝土结合面浑然一体。 （5） 混

14、凝土的养护混凝土浇筑完成24小时后，底板表面注意浇水养护，保证混凝土表面湿润，至少养护14天以上。模板拆除应在7天以后。现场实桥腹板外侧结合面切割后 齿型清晰，新老砼面结合成一体新老混凝土结合面试件取芯3.5结合面剪切试验 （1） 试验背景崩裂的箱梁底板混凝土凿除后需重新浇筑，这样就在已有箱梁腹板与新浇箱梁底板之间形成一道新老混凝土交界面。当底板重新施加预应力时，通过新浇底板与原腹板之间的剪切作用将预压应力向全箱梁截面传递。（2） 试验目的在于在制定了低收缩的混凝土配合比、进行了结合面的新的构造设计及制定了新的施工工艺后，检验浇出的腹板与底板结合面能否达到设计要求的抵抗水平剪力的能力。预制腹板

15、的结合面试块 对成形的试件结合面外侧修整 （3） 试件制作剪切试件由3部分组成：腹板试验段和两端各一块加载块。腹板试验段长度1000mm，加载块为100010001000mm，与试验段连接处倒角。Z形纯剪试件三维示意图 实物试件照片 （4）直剪Z形试件制作 为了使新老混凝土界面受到纯剪力作用，设计直剪Z形试件。新老混凝土交界面为中部直剪面，两端扩大面为所施加荷载的承力面，中间设置两道50mm宽开槽。并且在加载块上开斜剖口。见 “试块三维图”和实物照片。（5） 新老混凝土结合面抗剪能力估算新老混凝土界面的抗剪能力由三部分组成：一是混凝土界面的抗剪能力；二是齿牙间的机械咬合力；三是钢筋销栓力。混凝

16、土纯剪强度值因不同研究者的试验方法不同而相差悬殊，最多相差23倍。此处按照弹性力学原则，由弹性模量和泊松比推算混凝土结合面纯剪强度值。以下讨论以试件线长度为1m的腹板与底板的结合面为背景。新老混凝土之间的抗剪强度（包括齿牙形界面的机械咬合力）估计为6MPa，接触面积为442000mm2，则：混凝土抗剪能力：2652kN钢筋销栓作用提供的抗剪能力更加难以确定，根据相似工程提供的资料取钢筋销栓作用提供的抗剪能力为1500kN。这样，试件抗剪能力估计为4152kN。按照Mattock教授建议的剪切承载力公式（Reinforced Concrete Mechanics And Design P741）

17、： 式中：Avf为抗剪切钢筋直径、fv为钢筋抗剪强度、Ac 为混凝土粘结面积、K1为与混凝土性质相关的系数。将南京桥的箱梁截面及配筋各项参数代入上式，计算得到剪切承载力为2176kN。以上估算新老混凝土结合面抗剪强度计算方法都是计算结合面在经过一般粗糙化处理（人工形成毛面）后的抗剪强度。本工程修复中使用的“齿牙”结合方式的抗剪强度必然大于上述两式的计算值试验人员在现场试验 加载架及加载设备安装 2试件加载及破坏情况 （6）试验结果1试件加载到2800 kN时新老混凝土结合面未发生剪切破坏，此时试件剪切承载力安全储备为1.92，已满足设计院要求的剪切承载力。1#试件的腹板上边缘提前破坏了，未测到

18、结合更大的抗剪力。为了进一步测定结合面抗剪能力，对2#试件的腹板上边缘用粘贴碳纤维布进行加强。2试件最终加载吨位为4800 kN，此时，虽然在弯曲受拉区域仍然出现了裂缝，但是裂缝宽度受到限制，这保证了加载吨位能够继续增加，最终碳纤维布锚固区失效，裂缝宽度加大，加载块失去加载能力，这时仍未出现剪切裂缝。加载到4800 kN时试件剪切承载力安全储备已达到3.29。 （7）试验结论 将腹板底部混凝土开凿成空间齿槽的结合面处理方法既有利振捣混凝土时排气又加强了结合面的机械咬合力，能明显提高新老混凝土结合面抗剪能力； 以有效降低单方用水量的低水灰比为原则，使用具有高减水率的对养护要求低的聚羧酸类外加剂，设计出的混凝土配合比能满足施工要求，且混凝土体积收缩率低，工作性能良好，早强且强度高