裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋面混凝土鋪裝層病害研究

裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋面混凝土鋪裝層病害研究

在橋梁結(jié)構(gòu)中，橋面鋪設(shè)直接接受交通負(fù)荷的重復(fù)，并將車(chē)輛集中負(fù)荷分散到交通的中心。這是結(jié)構(gòu)壓力的重要組成部分。同時(shí)，該層直接受環(huán)境因素（溫度和濕度）的影響，對(duì)交通的舒適度和安全性起著重要作用。對(duì)于預(yù)制混凝土空心板，鋪路層也起到了連接每個(gè)構(gòu)件的共同壓力的作用。這不僅是空心板結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，也是橋面結(jié)構(gòu)的共同壓力層。因此，它必須具有足夠的強(qiáng)度、抗彎性、抗沖擊性、耐腐蝕性和良好的完整性。由于設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境條件、使用條件等因素的影響，橋梁的一般使用中的各種問(wèn)題影響了橋梁的正常使用和維護(hù)。作者從設(shè)計(jì)和施工的角度探討了混凝土人行道施工中常見(jiàn)故障的機(jī)理和防治措施，并從提高路面混凝土材料性能的角度總結(jié)了鋼纖維混凝土、共成纖維混凝土、混合纖維混凝土和鋼纖維輕混凝土。1混凝土人行道層的常見(jiàn)故障及機(jī)械分析1.1空心板體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化空心板橋面鋪裝層的縱橋向裂縫一般沿著板與板之間的鉸縫出現(xiàn),是與空心板橋設(shè)計(jì)與施工方法緊密相關(guān)的最為常見(jiàn)的病害類(lèi)型.空心板的設(shè)計(jì)采用“鉸接板法”,板與板之間的橫橋向連接主要由鉸縫來(lái)完成.因此,鉸縫能否起到設(shè)計(jì)假定的“鉸接”功能,將橋面荷載進(jìn)行橫橋向傳遞和分散作用,是橋面鋪裝層是否出現(xiàn)沿鉸縫的縱橋向裂縫的內(nèi)在控制因素.而如何加強(qiáng)鉸縫的橫橋向聯(lián)系,是解決橋面縱橋向裂縫的關(guān)鍵.實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,小鉸縫連接的空心板橋的橫橋向聯(lián)系最弱,且由于鉸縫現(xiàn)澆混凝土的養(yǎng)生得不到根本保障,對(duì)其強(qiáng)度及與空心板的結(jié)合產(chǎn)生不利影響.在交通量增大、重車(chē)增多的情況下,容易破碎并出現(xiàn)單板受力的情況,沿鉸縫的鋪裝層縱橋向裂縫極為普遍,嚴(yán)重者出現(xiàn)坑槽和塌陷、鉸縫混凝土破碎、脫落并大面積滲漏,最終危害到空心板結(jié)構(gòu)的安全性.文獻(xiàn)表明,隨著鉸縫的增大,空心板橋的整體性增強(qiáng),鉸縫承受的剪、拉應(yīng)力減小;同時(shí),鉸縫增大后能夠在縫內(nèi)布置橫橋向連接鋼筋,施工時(shí)將橫橋向連接鋼筋焊接為一個(gè)整體,有效增強(qiáng)了板間的連接.文獻(xiàn)規(guī)定:裝配式板當(dāng)采用鉸接時(shí),鉸的上口寬度應(yīng)滿(mǎn)足施工時(shí)使用插入式振搗器的需要,鉸縫的深度為預(yù)制板高的2/3;預(yù)制板內(nèi)應(yīng)預(yù)埋鋼筋深入鉸內(nèi).空心板截面剛度對(duì)縱橋向裂縫的產(chǎn)生也具有內(nèi)在影響.截面抗彎剛度增大,有利于減小車(chē)輛荷載作用時(shí)的板體變形,從而減小不同板之間的豎向變形差;截面抗扭剛度增大,有利于減小單板偏載受力時(shí)的扭轉(zhuǎn)變形,可有效減輕鉸縫的復(fù)雜受力狀態(tài),同時(shí)可起到調(diào)整支座上下支承面脫空或不緊貼造成的“蹺蹺板”效應(yīng).因此合理優(yōu)化空心板的截面與挖空率是非常必要的.從空心板單板受力性能看,大孔板的頂板橫橋向跨中截面在車(chē)輛荷載作用時(shí)具有較大的豎向變形,帶動(dòng)鉸縫處鋪裝層混凝土產(chǎn)生較大的橫橋向拉應(yīng)力,更易于產(chǎn)生鋪裝層的縱橋向裂縫.顯然,鋪裝層鋼筋不應(yīng)單純按構(gòu)造鋼筋配置,而應(yīng)考慮按受力鋼筋配置,建議將鋪裝層厚度、配筋與空心板變形性能結(jié)合起來(lái)考慮.對(duì)于截面抗彎剛度較大的常規(guī)空心板,可采用較薄的鋪裝層,但厚度不宜小于80mm,設(shè)置單層鋼筋網(wǎng),橫向鋼筋直徑不小于8mm、間距10～15cm;對(duì)于截面抗彎剛度較小的常規(guī)空心板以及大孔板,應(yīng)采用較厚的鋪裝層,設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng),橫向鋼筋直徑8～12mm,上層間距10～15cm,下層間距l(xiāng)5～20cm,上層網(wǎng)宜細(xì)密以起到分布車(chē)輛荷載和控制混凝土收縮變形或溫度作用的效果.應(yīng)保證鋪裝層的橫橋向鋼筋連續(xù)穿過(guò)鉸縫,并與空心板頂部?jī)蓚?cè)足夠的預(yù)埋鋼筋焊接,從而確保梁體與橋面鋪裝緊密結(jié)合、共同作用,確保鉸縫混凝土的整體性和可靠傳遞板間剪力功能.施工縫設(shè)置不當(dāng)也會(huì)誘發(fā)鋪裝層縱橋向裂縫.橋面鋪裝應(yīng)力求全幅一次性澆注,當(dāng)橋面較寬致使一次澆筑困難時(shí),應(yīng)將施工縫預(yù)留在某塊空心板的縱橋向中心線(xiàn)處,這樣可以盡可能減小鋪裝層混凝土施工縫的受力.如果將施工縫預(yù)留在了鉸縫處,則會(huì)使橋面鋪裝層在鉸縫處的受力更加復(fù)雜也更易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生.1.2心橋區(qū)域抗拉力學(xué)在工程設(shè)計(jì)中,跨度20m,25m和30m的空心板橋一般采用結(jié)構(gòu)連續(xù);跨度10m,13m和16m的空心板橋多采用簡(jiǎn)支橋面連續(xù).實(shí)際工程檢測(cè)發(fā)現(xiàn),橋面連續(xù)處普遍出現(xiàn)鋪裝層橫橋向裂縫,結(jié)構(gòu)連續(xù)處出現(xiàn)裂縫的情況則較為少見(jiàn).采用簡(jiǎn)支橋面連續(xù)的空心板橋,在墩頂處依靠橋面連續(xù)來(lái)承受混凝土收縮和溫度應(yīng)力.當(dāng)車(chē)輛荷載作用在跨中時(shí),由于空心板的跨中彎沉也導(dǎo)致墩頂橋面承受拉應(yīng)力.當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)鋪裝層混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),橋面連續(xù)區(qū)域的鋪裝層就會(huì)產(chǎn)生橫橋向裂縫.從設(shè)計(jì)的角度考慮,橋面連續(xù)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行受力性能計(jì)算,考慮車(chē)輛荷載在支座處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位移使鋪裝層承受的縱向拉應(yīng)力,考慮溫度作用產(chǎn)生的空心板長(zhǎng)度縮短使鋪裝層承受的拉應(yīng)力,全部拉應(yīng)力均應(yīng)由鋪裝層縱向鋼筋承擔(dān).空心板跨中段出現(xiàn)鋪裝層混凝土的橫橋向裂縫的現(xiàn)象也較常見(jiàn),這與空心板的抗彎剛度直接相關(guān).空心板跨中區(qū)段在預(yù)應(yīng)力作用下反拱,在車(chē)輛荷載作用下彎沉,帶動(dòng)著鋪裝層混凝土承受反復(fù)撓曲變形的作用,造成了鋪裝層混凝土的低周疲勞,隨著作用次數(shù)的增加,混凝土的抗拉能力降低,最終導(dǎo)致橫橋向裂縫的產(chǎn)生.因此,應(yīng)合理設(shè)計(jì)空心板截面,不僅要保證承載力要求,更應(yīng)注重正常使用變形控制要求,以避免車(chē)輛荷載產(chǎn)生過(guò)大沖擊效應(yīng)而導(dǎo)致橫橋向裂縫的加劇.以增大挖空率減輕結(jié)構(gòu)自重為優(yōu)化目標(biāo),可能帶來(lái)空心板剛度降低、車(chē)輛沖擊荷載增大、橋面鋪裝層維修期縮短、維修費(fèi)用增加的后果.同時(shí),應(yīng)采用鋼筋加強(qiáng),以提高混凝土裂后分散應(yīng)力的能力,避免裂縫的加寬加長(zhǎng).單層鋼筋網(wǎng)的縱向鋼筋直徑不宜小于12mm、間距10～15cm;雙層鋼筋網(wǎng)的上層縱向鋼筋直徑不宜小于12mm、間距10～15cm,下層縱向鋼筋直徑不宜小于10mm、間距15～20cm.1.3混凝土澆筑和壓實(shí)鋪裝層混凝土龜裂是較為普遍的現(xiàn)象.主要是因?yàn)殇佈b層混凝土一次澆筑面積大,在混凝土收面施工過(guò)程中即伴隨著干縮變形的持續(xù)發(fā)生,如遭遇大風(fēng)天氣或高溫天氣,龜裂情況會(huì)變得更加嚴(yán)重,甚至不可控制而不得不鑿除重鋪.因此,要避開(kāi)不利的天氣條件,應(yīng)按規(guī)定要求進(jìn)行及時(shí)覆蓋養(yǎng)生并保持混凝土的持續(xù)濕潤(rùn)狀態(tài).同時(shí),要采取技術(shù)措施減小混凝土硬化過(guò)程中的收縮,除在混凝土原材料質(zhì)量控制、配合比設(shè)計(jì)上著手外,還應(yīng)重視混凝土澆注前的橋面清理和充分灑水濕潤(rùn),保證能與新澆筑的混凝土充分粘接.鋪裝層鋼筋定位不準(zhǔn),或在施工過(guò)程中人為踩踏或施工運(yùn)輸車(chē)輛直接碾壓造成鋼筋移位下沉,也是出現(xiàn)龜裂的原因之一.此種情況下,鋪裝層鋼筋已失去了抵抗混凝土收縮、分散溫度應(yīng)力的作用.此外,由于空心板預(yù)制張拉預(yù)應(yīng)力筋后存在反拱不一致情況,架設(shè)后整橋的鋪裝層厚度不等,導(dǎo)致收縮變形和溫度應(yīng)力出現(xiàn)差值而產(chǎn)生局部拉應(yīng)力,誘發(fā)龜裂.1.4心空板及空心板鋪設(shè)施工質(zhì)量控制從鋪裝層受力狀態(tài)分析,在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下,如果鋪裝層混凝土與空心板之間疊合面的粘結(jié)和抗剪強(qiáng)度不足,將導(dǎo)致疊合面分離與脫空,受車(chē)輛沖擊作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)鋪裝層與空心板不一致的振動(dòng)響應(yīng),兩者反向振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致疊合面承受的拉應(yīng)力進(jìn)一步增大,使疊合面分離加劇.鋪裝層與空心板脫空后將出現(xiàn)拉裂或翹曲壓碎.因此,建議空心板的豎肋鋼筋至少應(yīng)有1/2數(shù)量伸出板頂,并與鋪裝層鋼筋焊接以提高疊合面的粘結(jié)和抗剪強(qiáng)度.從鋪裝層施工角度來(lái)看,其松散剝落起因于混凝土振搗不密實(shí)產(chǎn)生的蜂窩麻面,鋪裝厚度不足造成的露筋,或保護(hù)層不足與橋面板粘結(jié)缺陷形成的“空鼓”以及表面平整性差或排水不暢導(dǎo)致的局部積水、滲水等.因此,應(yīng)采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施避免此類(lèi)病害的產(chǎn)生.在北方嚴(yán)寒地區(qū),鋪裝層松散剝落也會(huì)起因于鋪裝層的局部?jī)雒浧茐?此時(shí)應(yīng)考慮按抗凍性要求進(jìn)行原材料質(zhì)量控制和混凝土配合比設(shè)計(jì).1.5空心板伸縮縫.伸縮縫處混凝土破損、伸縮裝置松動(dòng)翹起也是橋面鋪裝中常見(jiàn)的病害,簡(jiǎn)易伸縮裝置裂縫表現(xiàn)尤為突出,如U形鋁鋅鐵皮伸縮縫、板式橡膠伸縮縫等.伸縮縫處空心板頂板端部如果未作加厚設(shè)計(jì)處理,當(dāng)預(yù)留槽過(guò)深時(shí)板底面混凝土易產(chǎn)生局部橫橋向裂縫;當(dāng)預(yù)留槽很淺時(shí)現(xiàn)澆伸縮縫處混凝土易被壓碎.伸縮縫處鋼筋預(yù)埋件太少及錨固不牢固,在車(chē)輛沖擊作用下易引起伸縮裝置松脫翹起.在施工中如果沒(méi)有按要求埋設(shè)錨固鋼筋,用打膨脹螺栓替代錨固鋼筋,或伸縮裝置在面層完成后安裝,車(chē)輛的反復(fù)沖擊作用將導(dǎo)致縮縫處混凝土撞傷、拉裂.2鋼纖維混凝土鋪裝層和地面鋪裝層的應(yīng)用進(jìn)展我國(guó)的鋼纖維混凝土研究起始于1986年前后,同期即在土木工程的各個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用.鋼纖維混凝土可有效提高混凝土的抗拉、抗裂、抗剪、抗沖擊和耐疲勞等性能,能夠適應(yīng)橋面鋪裝層復(fù)雜的受力狀態(tài);同時(shí)也減小了混凝土的收縮,不僅可降低鋪裝層的收縮變形,也能降低鋪裝層與結(jié)構(gòu)頂面之間的收縮變形差,有利于提高疊合面的粘結(jié)和抗剪強(qiáng)度.鋼纖維混凝土裂而不散不碎的特點(diǎn),極大地減輕了鋪裝層松散剝落現(xiàn)象的發(fā)生.文獻(xiàn)對(duì)公路和城市道路橋面采用鋼纖維混凝土鋪裝時(shí)的設(shè)計(jì)和施工方法做出了技術(shù)規(guī)定.在該規(guī)程的指導(dǎo)下,鋼纖維混凝土橋面鋪裝層技術(shù)得到更加迅速的傳播和工程推廣,結(jié)合橋面鋪裝層受力特點(diǎn)的鋼纖維混凝土力學(xué)性能及施工技術(shù)措施得到更加深入的研究.研究結(jié)果表明:鋼纖維混凝土鋪裝層在平板振動(dòng)器或振動(dòng)梁作用下,具有從三維亂向分布向二維分布過(guò)渡的性質(zhì),這樣可使得鋼纖維在鋪裝層平面上進(jìn)行更優(yōu)的分布,對(duì)提高混凝土鋪裝層的抗彎強(qiáng)度和其他相關(guān)性能更有效果.因此,鋼纖維混凝土鋪裝層,具有適應(yīng)橋面彎曲變形的良好能力,可大大降低在重載交通疲勞應(yīng)力下鋪裝層出現(xiàn)裂縫的幾率.同時(shí),由于鋼纖維混凝土優(yōu)良的抗沖擊性能,將其用于固定橋面伸縮縫也是優(yōu)選的工程措施,為此,《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS38:2004)中增加了伸縮縫處鋼纖維混凝土的技術(shù)規(guī)定.3需要進(jìn)一步研究的主題3.1空心板混凝土鋪裝層受力設(shè)計(jì)方法現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范僅規(guī)定鋪裝層厚度不宜小于80mm,對(duì)于混凝土鋪裝層尚沒(méi)有統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)定.纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對(duì)鋼纖維混凝土鋪裝層的規(guī)定除厚度宜取80～90mm(特殊需要時(shí)不宜小于60mm)外,增加了相關(guān)的施工措施,但沒(méi)有明確設(shè)計(jì)方法.如前所述,裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板混凝土鋪裝層的裂縫與其受力狀態(tài)是緊密相關(guān)的,研究確定合理的鋪裝層受力計(jì)算方法,在設(shè)計(jì)計(jì)算配筋基礎(chǔ)上再兼顧抵抗混凝土收縮和溫度應(yīng)力等功能后,才可以使裂縫問(wèn)題從根本上得以解決.由于橋梁荷載等級(jí)、空心板截面形式及尺寸、跨度等的不同,鋪裝層的受力狀態(tài)隨之變化,因此,應(yīng)將鋪裝層厚度及配筋設(shè)計(jì)作為橋梁設(shè)計(jì)的組成專(zhuān)項(xiàng)加以考慮.3.2應(yīng)用合成纖維混凝土鋪裝層的必要性近年來(lái),合成纖維(聚丙烯、聚丙烯腈)混凝土在橋面鋪裝層中得到應(yīng)用.由于合成纖維與混凝土早齡期的彈性模量具有較好的匹配關(guān)系,因此可以起到控制早齡期混凝土塑性收縮裂縫的效果;同時(shí),合成纖維可提高硬化混凝土的彎曲韌性、抗沖擊和抗疲勞性能以及抗?jié)B性和抗凍性,也能夠阻止混凝土的溫度和收縮裂縫.但由于合成纖維與硬化混凝土彈性模量相差較大,對(duì)混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的改善和增強(qiáng)能力有限,因而合成纖維混凝土鋪裝層不能有效改善與荷載相關(guān)的裂縫病害現(xiàn)象.研究表明,如果采用合成纖維與鋼纖維混雜摻入混凝土,可聯(lián)合發(fā)揮合成纖維對(duì)混凝土早齡期、鋼纖維對(duì)混凝土硬化后改性的作用,使混凝土獲得從澆筑完成到正常使用結(jié)束的全壽命增強(qiáng)改性效果.因此,開(kāi)展混雜纖維混凝土鋪裝層性能及施工技術(shù)研究具有重要理論和工程應(yīng)用價(jià)值.3.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益鋼纖維輕骨料高強(qiáng)混凝土的研究起始于1990年,但因輕骨料在施工過(guò)程中出現(xiàn)上浮和分布不均等問(wèn)題而使其工程應(yīng)用推廣進(jìn)展緩慢.近年來(lái),關(guān)于鋼纖維輕骨料高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)與施工方法的研究有所加強(qiáng),通過(guò)優(yōu)選鋼纖維類(lèi)型、摻加粉煤灰、礦渣粉等混合材料等措施基本解決了原有問(wèn)題,使鋼纖維輕骨料高強(qiáng)混凝土的拌合物性能、早齡期抗收縮防裂性能、抗拉抗彎力學(xué)性能等得到綜合提高.高性能鋼纖維輕骨料高強(qiáng)混