某预应力钢筋混凝土宽空心桥面病害诊断与处治

某预应力钢筋混凝土宽空心桥面病害诊断与处治

1空心板、预应力束结构一个桥的直径为3.20米，全长为72.04米。桥梁横断面布置为0.5m(栏杆)+12.0m(行车道)+0.5m(栏杆),全宽13.0m。该桥上部结构采用预应力混凝土宽幅空心板,简支结构,桥面连续。每跨由6块中板、2块边板组成。空心板纵向采用变高度:距梁端0~2m范围内,梁高90cm;2~3m范围内,梁高由90cm渐变到80cm;跨中部分梁高80cm。每块板板宽162cm,板内挖空为142cm×60cm,上倒角为12cm×12cm,下倒角为10cm×10cm。空心板混凝土设计强度等级为40号(原设计按老标准),预应力束全部设置在空心板底板上,底板截面配置3束KBM15-5钢绞线,钢绞线截面积2085mm2。水泥混凝土桥面铺装厚度13cm,全桥在0、3号台处各设1道40型橡胶伸缩缝。支座采用直径15cm、高2.8cm的球冠支座。下部结构:桥墩采用双柱式墩,扩大基础;桥台采用浆砌块石重力式U型桥台,扩大基础。设计荷载为汽-20,挂-100。该桥于1997年建成通车,桥梁全景如图1所示。2上部结构的主要疾病经现场调查,该桥上部结构主要存在以下病害。2.1混凝土层顶设计1)桥面铺装:混凝土露骨和伸缩缝附近桥面铺装损坏较严重(图2、图3)。桥面铺装沿铰缝处有非常明显的纵向裂缝(图4)。从原设计图得知,该桥桥面铺装钢筋直径为Φ6mm,间距10cm。2)板梁间铰缝:板梁间铰缝未按设计要求施工,铰缝内混凝土已部分脱落(图5),铰缝破损处混凝土表面为光面。3)泄水孔:每跨在两侧各设5个泄水孔。经调查,全桥大多数泄水孔有堵塞现象。由于长时间积水浸润周边混凝土,混凝土被腐蚀,出现白色结晶,呈“白花”现象。4)伸缩缝:橡胶伸缩缝已基本损坏,桥台伸缩缝处渗水严重。2.2接枝长沿板长延伸到另一端变截面每块板底面均有1~3条纵向裂缝,裂缝从板的一端变截面处开始,沿板长延伸到另一端变截面处结束。经现场测量,裂缝宽0.10~0.25mm,裂缝深10~24mm,裂缝位置与底板预应力束波纹管位置基本一致(图6)。3疾病原因的诊断3.1铰缝处产生纵向裂缝1)汽车荷载特别是高速行驶的大型重车产生的冲击力和破坏力是伸缩缝损坏的主要原因,伸缩缝损坏后,导致伸缩缝附近桥面铺装破坏。2)预制梁桥铰缝处是受力复杂、混凝土最薄弱的部位,最容易受到侵蚀和破坏。铰缝处产生纵向裂缝主要有以下几方面原因。(1)早期在设计上对铰缝认识不足,板与板之间设计的连接钢筋较少,板之间的连接作用薄弱;铰缝的设计尺寸较小,施工不易操作,混凝土不易密实,难以达到设计要求。(2)施工不严格,没有完全达到设计要求。部分铰缝混凝土欠密实,施工中易形成单板受力。(3)近年来,超载超重车辆增多,致使铰缝部位过早出现裂缝。综上所述,铰缝在桥梁使用过程中难以起到加强梁板横向联系的作用,易引起桥面铺装过早产生纵向通长裂缝。同时桥面铺装的损坏加剧了梁板的单板受力,严重时会导致板梁破坏。3.2混凝土纵向裂缝空心板底板纵向裂缝一般在预应力筋的位置,多数裂缝内有渗水迹象。梁底产生纵向裂缝的原因主要有:1)梁板设计底板厚度偏小,仅为10cm。预应力筋全部布设在底板内,导致金属波纹管保护层较小,不满足JTJ023—85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》所规定“波纹管道至构件底面边缘的净距不小于5cm”的限值要求。另外,空心板混凝土浇筑过程中,波纹管底部混凝土振捣可能不够密实,这部分混凝土与其他混凝土的弹性模量、收缩徐变等可能有所不同。因此,导致波纹管底部混凝土容易出现纵向裂缝。2)梁板梁宽度偏大。在其他条件不变的情况下,随着宽度增加,梁板横向弯矩也随之增大,造成底板横向应力也相应增大。且设计时底板有钢绞线通过,这种布束方式容易造成应力集中,增加了底板产生纵向裂缝的可能性。另外,由于空心板底面多处破损,气温变化和雨水渗入,进一步加速了预应力筋管道腐蚀和裂缝发展,导致局部底板纵向裂缝贯穿,局部渗水现象严重。底板底面出现的纵向裂缝导致梁体混凝土部分断裂,减弱了梁的整体工作性能。调查发现,梁板上的纵向裂缝尚未延伸到梁端预应力锚固区。从结构受力上分析,只要锚固预应力钢绞线的梁端锚固区没有破坏,预加力就可以作用于梁体混凝土。因此,梁板在梁端预应力锚固区范围以外出现的纵向裂缝对梁的正截面抗弯承载力影响不大(以预应力筋未发生锈蚀为前提),但是,纵向裂缝的存在将改变剪应力的分布情况,使梁端部分的剪应力加大。基于上述分析,从技术角度看,该梁总体情况尚好,还有加固利用的价值,但是水分侵入使混凝土中产生碱—集料反应,将致使钢筋腐蚀,严重影响结构的耐久性,危及桥梁安全,必须尽早进行加固补强处理。4铺设丰富地面铺装根据对该桥病害产生原因的诊断分析,需对其进行维修、加固处理,具体维修加固内容如下:1)封闭交通,凿除桥面铺装、铰缝混凝土,拆除伸缩缝和栏杆,并进一步彻查相关病害。2)针对空心板的病害,对宽度<0.15mm的裂缝,采用水性环氧或溶剂型环氧封闭漆进行3次以上涂刷封闭处理;宽度≥0.15mm的裂缝,进行低压灌浆处理。3)原桥面铺装全部凿除,重新铺筑桥面铺装,铺装层厚13cm,采用C40聚丙烯纤维混凝土,并使桥面铺装连续。在板与板之间的板顶上种植纵向间距25cm的骑马筋和剪力钉,铰缝处加强凿毛处理,铰缝内将原先采用小石子混凝土浇筑改为无收缩免振捣高强水泥灌浆料,以确保空心板的横向连接,改善横向分布状况,同时增强桥面铺装与梁板的结合,减少剪切变形,使上部结构的整体性得到大大加强。4)重新安装伸缩缝、泄水管及防撞墙,并对空心板底板间(铰缝)进行勾缝处理。5)恢复标线,修复桥头接线。6)距空心板梁端0~6m范围内,沿纵桥向间距70cm横桥向粘贴1道宽50cm的碳纤维布,以限制裂缝的进一步发展(图7)。5横向挠曲线检测为了进一步了解该桥的加固效果,笔者在该桥加固前后分别进行了静动载试验。静载试验结果表明:1)加固后的横向挠曲线比加固前的横向挠曲线更平缓,说明对铰缝的处理改善了横向分布状况,增强了上部结构的整体性(图8、图9);2)加固前实测中性轴距板底面63cm,加固后实测中性轴距板底面67cm,位置均高于理论中性轴位置,说明桥面铺装参与主梁工作,加固后的效果很明显。动载试验结果表明:加固后,桥梁自振频率相对于加固前提高了17%,说明经过铰缝植筋和重新铺装桥面,增加了桥梁的