高速公路预应力混凝土组合箱梁裂缝加固技术

2019-08-05张莉

山西建筑 2019年12期

张莉

(山西远方路桥(集团)有限责任公司,山西大同 037006)

传统的预应力混凝土箱梁结构凭借跨径大、承载能力强、抗弯及抗扭刚度高等优势成为桥梁施工领域最常用的截面形式之一；但是，传统的预应力混凝土连续梁的腹板结构占据了主梁自重的40%以上，为了克服腹板自重过大造成的主梁自重大、跨越能力受限等问题，混凝土—波纹钢腹板组合箱梁应运而生，组合梁顶板由混凝土结构浇筑，腹板结构采用钢制腹板，腹板与顶板翼缘采用剪力连接键相连，通过剪力连接键传递二者承载过程中的剪力，实现结构的整体协调变形。为了提升组合梁的承载能力，借助体外预应力技术，使主梁产生一定程度的预拱度；此外，组合梁在荷载作用下箱梁腹板在轴向不存在抵抗荷载，能够实现混凝土翼缘板应力的优化分布，提升预应力使用效率。文章以省内某高速公路预应力混凝土组合梁施工项目为研究对象，分析了在外荷载作用下组合梁开裂问题，并针对性提出了组合梁的裂缝加固措施。

1 预应力混凝土组合箱梁结构体系

1.1 预应力混凝土组合梁整体构造

混凝土—波纹钢腹板组合箱梁结构体系兼具混凝土结构和钢结构体系的双重优点，是目前广泛使用的一种组合梁结构体系，和传统的混凝土结构体系相比较而言，组合梁体系的差异在于将传统的整体结构体系拆分为两个组合结构体系，充分发挥了两种体系的性能优势，采用波纹钢腹板代替混凝土腹板，组合梁截面由混凝土顶板、翼缘、钢制腹板及横隔板共同组成，代替传统的混凝土腹板，由于腹板采用波纹钢板，无法在内部穿孔布设预应力钢绞线，因此，采用体外预应力法施加预应力。图1为组合梁构造示意图。

1.2 预应力混凝土组合梁优势及缺陷

预应力混凝土组合梁采用组合式结构形式，采用抗剪连接键将混凝土结构和波纹钢板相连接，充分发挥了二者的性能优势，显著降低了预应力全梁的自重，提升了主梁的跨越能力，在保证承载能力的基础上，提高了主梁的稳定性和变形刚度，和传统的混凝土箱梁相比，波纹钢腹板代替混凝土腹板，主梁自重显著降低，跨越能力得到提升；此外，和传统的混凝土结构相比，在地震等激振荷载作用下，结构抗震性能提升明显。由于结构体系采用半装配半现浇式，波纹钢腹板可以在工厂内预制完成，提升了施工效率。组合箱梁充分发挥了混凝土结构的抗压强度和波纹钢板的抗剪强度。但是，组合梁的施工精度控制比传统的混凝土浇筑施工难度高，且二者依靠剪力连接键相连，在荷载变形过程中，容易在连接键周围出现应力集中问题，进而引起局部开裂。

2 预应力混凝土组合箱梁裂缝特点

预应力组合箱梁的结构裂缝种类繁多，由于某些裂缝并不是由于单一原因引起的，很多结构裂缝是众多因素共同作用的结果，但从大量的裂缝调查统计数据中可以发现，组合梁的裂缝分布具有一定的规律。文章以省内某高速公路预应力混凝土组合箱梁加固施工项目为案例，分析了几种常见的结构裂缝。

1)波纹钢腹板主拉应力斜裂缝。在组合梁中，弯剪位置存在弯矩和剪力，该区域的受力情况较为复杂，此外，在组合梁连接键位置，由于接触面积较小，容易出现应力集中问题，因此，该位置也是最容易出现开裂的位置，在弯矩、剪力及局部集中应力的耦合作用下，若波纹钢板的抗剪能力不满足要求，将导致钢板的主拉应力值大于钢板抗拉强度值，引起斜向的毛刺开裂，斜裂缝呈斜向45°发展，主要分布在距离支座1/4跨径位置。

2)预应力连续箱梁边跨位置的横向裂缝。在组合梁翼缘板浇筑过程中，边跨顶板位置最容易出现横向开裂。由于上部荷载和组合梁协调变形过程中剪力连接键位置的应力复杂性，导致组合梁现浇翼缘板的受力极其复杂，在组合梁由简支转连续的体系变化过程中，在连接键位置应力集中效应下，将出现较为密集的横向裂缝。

3)由于竖向应力引起的腹板位置水平向裂缝。在预应力混凝土组合梁中，如果顶板混凝土结构的配筋率较低，但是底板的配筋率较高时，将沿腹板纵向出现均匀开裂病害，裂缝大部分分布在边跨支座和全跨的1/4～3/4范围内，由于该截面位置的截面面积较小，在较高应力水平作用下，开裂风险更高。图2为三种常见的裂缝分布情况。

3 预应力混凝土组合梁裂缝加固常用技术

桥梁结构裂缝是桥梁各种病害中最普遍和最常见的一类，对于组合箱梁而言，顶板混凝土结构裂缝将影响顶板的整体刚度和混凝土保护性能，外界腐蚀性物质将通过裂缝渗透到混凝土结构内部，使钢筋锈蚀，影响顶板承载能力；钢腹板长期带裂缝工作将增加腹板脆性断裂和失稳的可能性，对主梁的抗弯及抗剪承载埋下巨大安全隐患。因此，必须对带裂缝组合箱梁进行必要的加固，恢复主梁弯剪承载能力。本文以省内某高速公路预应力混凝土组合箱梁加固施工项目为案例，分析了几种常见的裂缝加固补强措施。

3.1 混凝土灌浆加固法

灌浆法是混凝土开裂处治中常用的加固技术之一，其目的是强化组合梁顶板的薄弱位置。灌浆法将水泥砂浆、环氧树脂等均匀混合后的材料直接灌入开裂顶板内，以起到修补顶板和翼缘裂缝的目的。灌浆法直接将粘合剂灌入到混凝土裂缝中，提升混凝土板的整体性，此外，通过密封裂缝可以起到完全阻隔外部环境的作用，防止各种侵蚀性杂质通过裂缝侵入到裂缝内，起到保护钢筋，延缓钢筋锈蚀的目的。灌浆法适用于混凝土板裂缝宽度介于0.25 mm～0.35 mm的情况下。灌浆施工过程中直接关系到灌浆加固处理的成败，为了保证灌浆加固施工质量，应采用专业的灌浆机或者压力式灌浆设备，考虑到本工程项目中，混凝土顶板部分区域的开裂属于轻微开裂，可以考虑使用人工手动灌浆法。灌浆加固必须遵循自上而下的流程，保证顺桥向的连续灌浆施工，且灌浆设备压力值应控制在0.55 MPa～0.65 MPa之间。

3.2 腹板粘钢加固法

粘钢加固法是波纹钢腹板最主要的加固施工技术之一。采用专用的建筑结构胶将加固钢板和原波纹钢腹板粘贴，实现二者之间的共同、协调受力，粘钢加固法提升了波纹钢腹板结构的整体刚度及承载能力，改善波纹钢腹板的应力状态，限制波纹钢腹板的进一步发展。粘钢加固法，在实现受拉区补强的基础上，通过建筑结构胶密封能够起到封闭裂缝的目的。对预加固位置进行钢板表面的除锈和清洁，粘钢加固施工先使用建筑结构胶对钢板四周进行可靠密封，并预留排气孔，密封可靠后，将建筑结构胶注入钢板之间，为了保证内部注胶的密实性，应采用空压机及时抽气。粘钢加固施工应在常温下完成，建筑结构胶在粘贴24 h以后，其结构强度将达到98%以上。

3.3 CFRP粘贴加固法

波纹钢腹板组合梁在承载过程中，剪力连接键位置由于应力集中容易在连接键周围和翼缘位置出现局部开裂。由于剪力连接键位置构造复杂，且应力集中位置存在多次倒角，常规加固法难以生效。CFRP材料凭借超高抗拉强度，轻质性、可塑性、耐腐蚀性等优势，被普遍应用在翼缘板及剪力连接键周围开裂的加固工程中。为了充分发挥CFRP材料的高抗拉强度，纤维丝方向应以裂缝走向正交，以最大程度约束裂缝发展，发挥一定的“套箍效应”。CFEP加固前，应使用丙酮溶液对加固位置彻底清洁，配置建筑结构胶，粘贴CFRP布，并使用刮板整平，挤出内部空气，保证粘贴质量。