兩例變高度預應力箱梁橋底板崩裂修復方案與實施綜合方案

1、兩例變高度預應力箱梁橋底板崩裂修復方案與實施1 底板崩裂事故簡介2 底板修復方案設(shè)計3 底板修復實施1 底板崩裂事故簡介南京某特大橋與河流斜交角約為60，其中主橋(477547)m聯(lián)為變截面預應力砼箱梁連續(xù)剛構(gòu)，截面形式為單箱單室，橋墩均為柱式墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。 崩裂該橋2005年2月24日進行中跨合龍2005年3月6日完成中跨全部合龍鋼束的張拉2005年3月7日拆模時發(fā)現(xiàn)底板開裂、局部崩離 箱梁中跨跨中附近腹板底部縱向開裂，裂縫距底板下緣710cm。底板頂、底面砼崩開分離 合攏段附近箱梁底板的破壞大橋修復前 無錫某橋(51+85+51m)三跨變截面預應力砼連續(xù)箱梁，截面形式為單箱單室。2

2、005年8月合攏后預應力張拉發(fā)生底板崩裂。 2 底板修復方案設(shè)計2.1 修復方案簡介 南京橋修復設(shè)計主要在中跨7、8、9、10號梁段拆除前在8、9號梁段腹板上先加設(shè)臨時橫向聯(lián)系和縱向聯(lián)系分次放張中跨合攏束，鋸開中跨合攏束成單懸臂狀態(tài)，并全部鑿除分批鑿除7、8、9號梁底板，分別澆注底板厚度增加為30cm（預應力孔道距底板下緣距離保持13cm不變）在梁段交界位置增設(shè)橫向肋板、底板加設(shè)鉤筋、底板縱向16鋼筋改為20主橋中跨底板合龍鋼束全部由j15.24-19調(diào)整為j15.24-18、頂板由4束j15.24-15調(diào)整為2束j15.24-9全部中跨合龍鋼束分兩批進行張拉 2.2 設(shè)計對修復施工要求 南京

3、橋施工步驟 安裝8、9號梁段腹板臨時縱、橫向聯(lián)系 放張中跨第一批鋼束 從合龍段中部箱梁上緣開始鋸開，第一次鋸開深度為65cm 放張中跨合龍段全部預應力鋼束 繼續(xù)鋸開合龍段箱梁腹板與底板混凝土，直至全部鋸開 人工鑿除中跨合龍段混凝土，恢復至邊跨合龍后的單懸臂狀態(tài) 人工鑿除7號梁段端部2.5m范圍底板、中跨8號梁段底板混凝土 澆筑7號梁段及8號梁段2.5m底板混凝土人工鑿除9號梁段底板混凝土 澆筑8號梁段及9號梁段底板混凝土澆筑合龍段混凝土張拉第一批合龍鋼束灌漿，橋面上壓重張拉第二批合龍鋼束 2.3 設(shè)計認為需解決的關(guān)鍵難題 底板崩裂修復工程的關(guān)鍵技術(shù)是在新澆筑的底板混凝土位于原有箱梁腹板之下的特

4、殊工況下新老混凝土的結(jié)合問題，解決新舊混凝土結(jié)合面產(chǎn)生收縮裂縫。（1）經(jīng)綜合考慮，決定取消原修復設(shè)計圖紙中箱梁底板修復時采用的UEA補償收縮混凝土,改為低收縮、低泌水的高性能混凝土。 （2）重新確定新老混凝土結(jié)合面的齒形（3）經(jīng)綜合考慮，決定取消原修復設(shè)計在腹板內(nèi)的植筋。經(jīng)結(jié)合面純剪試驗證明取消腹板植筋，完全滿足結(jié)構(gòu)受力要求。3 底板修復實施 原則：進行修復工作的關(guān)鍵點是解決鑿除破壞的混凝土底板后由下向上逆向補澆筑的混凝土底板與原腹板的新老混凝土結(jié)合面的共同工作問題，保證重新對底板進行預應力張拉時該結(jié)合面能承受巨大的剪切力。 思路：（1）材料技術(shù)：提高新澆筑混凝土的體積穩(wěn)定性，減少新混凝土的收

5、縮率。讓新澆筑的混凝土與已完成一定收縮的老混凝土有良好的結(jié)合；（2）結(jié)構(gòu)技術(shù)：重點解決在保留腹板的底部設(shè)計合理的承受剪力的結(jié)合面齒形，加強新澆筑底板的上下層鋼筋網(wǎng)的結(jié)合力，抵抗張拉縱向預應力鋼束引起的橫向力；做剪切試驗，驗證設(shè)計要求的結(jié)合面剪切力；（3）施工技術(shù)：制定合理的特殊施工工藝，如何鑿出設(shè)計要求的齒形及表面粗糙度、如何支模保證混凝土逆向澆筑新老混凝土結(jié)合良好等。修復施工流程圖 3.1 鋸開合攏段，恢復到合攏前的結(jié)構(gòu)懸臂狀態(tài) 合龍段鋸縫按先頂板、后腹板、最后底板的順序進行切割。鋸縫采用專用鉆石鋼線砼切割機鋸截。 放張預應力鋼束并鋸截后，恢復到原結(jié)構(gòu)懸臂狀態(tài)混凝土底板修復澆筑，材料上面臨的

6、困難是：既要滿足基本的混凝土工作性能和滿足逆向澆筑的工藝要求，又要滿足新澆筑的混凝土體積應穩(wěn)定，收縮量小新老混凝土才能結(jié)合好。特殊條件下混凝土配比設(shè)計的指導思想是：配制低收縮、低泌水、體積穩(wěn)定的高性能混凝土，采用高質(zhì)量的原材料及高效外加劑，減少單方水泥用量；采用低水膠比；提高混凝土的極限抗拉強度。1 水泥品種及用量選用42.5級普通水泥，摻入高效新型減水劑，采用非泵送混凝土，利用水泥強度的后期發(fā)展，最大限度減少水泥用量。減少水泥用量可以降低混凝土內(nèi)最高溫度、減少混凝土收縮。2 水灰比降低水灰比可減少毛細孔、增強界面、提高致密性、減少收縮，獲得較好體積穩(wěn)定性。該工程采用0.300.32的低水灰比

7、進行試配。3 外加劑采用高效聚羧酸減水劑，其減水率25以上，保坍性好，配制的混凝土粘聚性、保水性、體積穩(wěn)定性較好，對混凝土的水養(yǎng)護要求低，適用于河面上風速大、混凝土表面失水快的惡劣條件。我們在南京九華山隧道工程中已指導了應用此減水劑，積累了成功應用經(jīng)驗。3.2 特殊混凝土配合比設(shè)計 4 粗細集料骨料用粒徑525mm的碎石，盡量選用粒徑較大，級配良好的石子，石子中的針、片狀顆粒按重量計不大于15，含泥量小于1；砂子的細度模數(shù)在2.5以上的中、粗砂、含泥量小于2，高含泥量對混凝土的極限抗拉強度影響十分不利；通過現(xiàn)場多次試配，證明現(xiàn)場混凝土攪拌站的井水中礦物質(zhì)直接影響混凝土的工作性能，坍損過大。決定

8、重澆底板的混凝土拌合水必須用軟質(zhì)自來水。5 坍落度為了進一步減少用水量，保證混凝土拌和料的工作性，減少混凝土收縮，采用非泵送混凝土，經(jīng)反復試驗，入模坍落度確定為70100mm。模擬砼運輸過程測定經(jīng)時坍損 施工現(xiàn)場對試配砼進行坍落度測定3.3確定新老混凝土結(jié)合面齒形 （1） 結(jié)合面表面處理結(jié)合面位于腹板和底板交界面處。經(jīng)充分比較，結(jié)合以往混凝土疊合板中新老混凝土結(jié)合處理試驗，證明只要結(jié)合面充分澆水就能滿足抗剪要求。新老混凝土結(jié)合面的處理方法為：在澆筑新底板混凝土前，對腹板的老混凝土鑿出的結(jié)合面連續(xù)48小時澆水充分濕潤，在新混凝土澆筑前其表面不能滴水，保證結(jié)合面處的新澆混凝土中的水份不被老混凝土迅

9、速吸走而造成結(jié)合不良。對于腹板分塊澆筑混凝土的垂直面，只需認真鑿毛，在澆筑混凝土前澆水濕潤要求同腹板底部鑿毛面。（2） 結(jié)合面齒形設(shè)計腹板由人工鑿成具有空間尺寸的齒槽狀。齒牙底面以原豎向精軋螺紋預應力鋼筋的錨具凸出端為大齒，兩豎向預應力筋錨具間凹入為小齒，大小齒的側(cè)面鑿成不同角度的斜面，便于振搗混凝土排出氣泡。這樣處理可利用新老混凝土間的空間齒的機械咬合力以及新老混凝土粗糙面的粘結(jié)力傳遞剪力，確保新老混凝土共同工作。處理后與原一次澆筑成形的混凝土性能基本相同。經(jīng)剪切試驗及2005年11月中旬完成修復的底板預應力張拉已證明設(shè)計的空間齒形完全能有效傳遞剪力，保證了新澆筑的底板與原腹板能共同工作。

10、新結(jié)合面空間齒處理方式試件 原結(jié)合面的處理方式試件項目組在現(xiàn)場檢查結(jié)合施工質(zhì)量 精軋螺紋鋼筋錨具處的凸齒便于排氣的斜面腹板底部鑿出的空間齒（3） 結(jié)合面植筋討論原設(shè)計在腹板底部的新老混凝土結(jié)合面上按一定間距進行植筋。經(jīng)反復論證，我們認為腹板中的間距為120mm的箍筋有足夠的抗剪鋼筋錨固長度，能夠起到抗剪鋼筋的作用；底板橫向鋼筋彎入腹板內(nèi)的直鉤與腹板箍筋改為焊接連接后能進一步提高結(jié)合面的抗剪能力后，不再需要進行植筋。此外，植筋時，在400mm厚C50混凝土腹板上鉆孔易對原混凝土易造成損傷。（4） 增加腹板與底板結(jié)合加腋處的上下橫向鋼筋間的拉結(jié)由于原腹板與底板結(jié)合加腋處的上下橫向鋼筋間的拉結(jié)不夠，

11、造成底板發(fā)生層狀開裂時板底的橫向鋼筋一直剝離至腹板底部外側(cè)邊。因此，項目組建議設(shè)計增加腹板與底板加腋處的橫向鋼筋間的三道封閉拉結(jié)箍筋。加腋處增加加強橫向鋼筋拉結(jié)的封閉箍筋 新增加的3道拉結(jié)箍筋底板橫向鋼筋剝離至腹板底部3.4施工工藝措施 （1） 混凝土支模新澆筑被鑿除的混凝土底板，其支模工藝圍繞在從底部向上逆向澆筑混凝土如何保證新老混凝土結(jié)合良好，減少新澆筑混凝土自密實下沉造成結(jié)合面分離的影響。對特殊支模，項目組制定兩項措施：腹板外側(cè)面采用外傾斜口支模工藝。斜模板上口高出結(jié)合面約300mm高度，保證結(jié)合面處的混凝土受到一定壓力，避免混凝土拌和料的塑性沉降，便于振動棒插入振搗及排氣。吊掛底模板的

12、吊桿要牢靠，預留一定的消除底板模板下沉的向上調(diào)節(jié)量。腹板外側(cè)的斜口支模 剪切試件模擬真實支模（2） 混凝土的拌制保證混合材的質(zhì)量，加強材質(zhì)檢驗，根據(jù)試配結(jié)果確定施工配比。外加劑摻量準確，摻量誤差應在1以內(nèi)。攪拌均勻。高效減水劑的摻量小，攪拌不均達不到降低水灰比的效果。可適當延長混凝土的攪拌時間，應不少于6090s，這樣可保證混凝土拌合料的均勻性。（3） 混凝土的輸送攪拌前按要求準備好所需的原材料，特別是自來水。在施工現(xiàn)場附近自備攪拌站拌和混凝土。攪拌車運至現(xiàn)場后，盡快輸送到吊車料斗。由料斗轉(zhuǎn)運至橋面的手推車上，避免較大的震動，如遇混凝土明顯分層，宜進行適當?shù)娜斯嚢韬笤贊仓?。在澆筑前應不間斷地

13、進行坍落度抽檢。（4） 澆筑方法腹板與底板的結(jié)合面處分兩層連續(xù)澆筑：第一層澆至腹板底部齒槽以上50mm處，進行充分振搗，排出結(jié)合面處的氣泡，待振搗密實并初步沉實后，進行第二層澆搗。注意分層的時間間隔，不超過混凝土的初凝時間。澆搗方向沿底板中間向兩側(cè)澆筑，澆至底板和腹板相交的斜面處，改為從腹板底部向底板中間澆筑。采用插入式振搗器振搗，鋼筋密集區(qū)即腹板、底板相交處可采用小直徑振搗器。振搗以表面水平為準，不再顯著下降，不再出現(xiàn)氣泡，表面泛出灰漿為準。按照項目組建議的混凝土配合比和施工工藝進行施工后狀況良好，現(xiàn)場同條件養(yǎng)護3天強度達到110。新老混凝土結(jié)合面緊密，新老混凝土結(jié)合面渾然一體。 （5） 混

14、凝土的養(yǎng)護混凝土澆筑完成24小時后，底板表面注意澆水養(yǎng)護，保證混凝土表面濕潤，至少養(yǎng)護14天以上。模板拆除應在7天以后。現(xiàn)場實橋腹板外側(cè)結(jié)合面切割后 齒型清晰，新老砼面結(jié)合成一體新老混凝土結(jié)合面試件取芯3.5結(jié)合面剪切試驗 （1） 試驗背景崩裂的箱梁底板混凝土鑿除后需重新澆筑，這樣就在已有箱梁腹板與新澆箱梁底板之間形成一道新老混凝土交界面。當?shù)装逯匦率┘宇A應力時，通過新澆底板與原腹板之間的剪切作用將預壓應力向全箱梁截面?zhèn)鬟f。（2） 試驗目的在于在制定了低收縮的混凝土配合比、進行了結(jié)合面的新的構(gòu)造設(shè)計及制定了新的施工工藝后，檢驗澆出的腹板與底板結(jié)合面能否達到設(shè)計要求的抵抗水平剪力的能力。預制腹板

15、的結(jié)合面試塊 對成形的試件結(jié)合面外側(cè)修整 （3） 試件制作剪切試件由3部分組成：腹板試驗段和兩端各一塊加載塊。腹板試驗段長度1000mm，加載塊為100010001000mm，與試驗段連接處倒角。Z形純剪試件三維示意圖 實物試件照片 （4）直剪Z形試件制作 為了使新老混凝土界面受到純剪力作用，設(shè)計直剪Z形試件。新老混凝土交界面為中部直剪面，兩端擴大面為所施加荷載的承力面，中間設(shè)置兩道50mm寬開槽。并且在加載塊上開斜剖口。見 “試塊三維圖”和實物照片。（5） 新老混凝土結(jié)合面抗剪能力估算新老混凝土界面的抗剪能力由三部分組成：一是混凝土界面的抗剪能力；二是齒牙間的機械咬合力；三是鋼筋銷栓力?；炷?/p>

16、土純剪強度值因不同研究者的試驗方法不同而相差懸殊，最多相差23倍。此處按照彈性力學原則，由彈性模量和泊松比推算混凝土結(jié)合面純剪強度值。以下討論以試件線長度為1m的腹板與底板的結(jié)合面為背景。新老混凝土之間的抗剪強度（包括齒牙形界面的機械咬合力）估計為6MPa，接觸面積為442000mm2，則：混凝土抗剪能力：2652kN鋼筋銷栓作用提供的抗剪能力更加難以確定，根據(jù)相似工程提供的資料取鋼筋銷栓作用提供的抗剪能力為1500kN。這樣，試件抗剪能力估計為4152kN。按照Mattock教授建議的剪切承載力公式（Reinforced Concrete Mechanics And Design P741）

17、： 式中：Avf為抗剪切鋼筋直徑、fv為鋼筋抗剪強度、Ac 為混凝土粘結(jié)面積、K1為與混凝土性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。將南京橋的箱梁截面及配筋各項參數(shù)代入上式，計算得到剪切承載力為2176kN。以上估算新老混凝土結(jié)合面抗剪強度計算方法都是計算結(jié)合面在經(jīng)過一般粗糙化處理（人工形成毛面）后的抗剪強度。本工程修復中使用的“齒牙”結(jié)合方式的抗剪強度必然大于上述兩式的計算值試驗人員在現(xiàn)場試驗 加載架及加載設(shè)備安裝 2試件加載及破壞情況 （6）試驗結(jié)果1試件加載到2800 kN時新老混凝土結(jié)合面未發(fā)生剪切破壞，此時試件剪切承載力安全儲備為1.92，已滿足設(shè)計院要求的剪切承載力。1#試件的腹板上邊緣提前破壞了，未測到

18、結(jié)合更大的抗剪力。為了進一步測定結(jié)合面抗剪能力，對2#試件的腹板上邊緣用粘貼碳纖維布進行加強。2試件最終加載噸位為4800 kN，此時，雖然在彎曲受拉區(qū)域仍然出現(xiàn)了裂縫，但是裂縫寬度受到限制，這保證了加載噸位能夠繼續(xù)增加，最終碳纖維布錨固區(qū)失效，裂縫寬度加大，加載塊失去加載能力，這時仍未出現(xiàn)剪切裂縫。加載到4800 kN時試件剪切承載力安全儲備已達到3.29。 （7）試驗結(jié)論 將腹板底部混凝土開鑿成空間齒槽的結(jié)合面處理方法既有利振搗混凝土時排氣又加強了結(jié)合面的機械咬合力，能明顯提高新老混凝土結(jié)合面抗剪能力； 以有效降低單方用水量的低水灰比為原則，使用具有高減水率的對養(yǎng)護要求低的聚羧酸類外加劑，設(shè)計出的混凝土配合比能滿足施工要求，且混凝土體積收縮率低，工作性能良好，早強且強度高