霍達君

(山西路橋第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

0 引 言

在國內(nèi)高速公路及等級公路的設(shè)計施工實踐中，為了實現(xiàn)線路的長期、可持續(xù)運營，降低后續(xù)公路養(yǎng)護維護成本，在非大跨徑、非重載等特殊要求路段，經(jīng)工廠預(yù)制生產(chǎn)的裝配式鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)能夠直接吊裝預(yù)位；在養(yǎng)護工程項目中，對于承載力失效且不具備補強價值的梁片可以直接更換，一方面提高了養(yǎng)護加固的集約化能力，能夠在短時間內(nèi)完成養(yǎng)護作業(yè)，另一方面，也可以降低橋梁結(jié)構(gòu)的遠期綜合養(yǎng)護成本。以高速公路為例，裝配式小跨徑預(yù)應(yīng)力空心板簡支梁橋的應(yīng)用十分普遍，空心板之間依靠鉸縫連接，根據(jù)高速公路車道設(shè)計標準，確定空心板梁片數(shù)；在車輛反復(fù)荷載和外界惡劣環(huán)境的綜合影響下，預(yù)應(yīng)力空心板梁鉸縫位置容易出現(xiàn)脫空、開裂、破損等各種病害，一旦鉸縫結(jié)構(gòu)失效，將嚴重影響空心板梁的橫向聯(lián)系能力，進而影響結(jié)構(gòu)的橫向剛度，不利于荷載橫向分布，在超重荷載和沖擊荷載的作用下，容易引起局部應(yīng)力集中問題，最終傷及空心板梁結(jié)構(gòu)。為了解決裝配式空心板梁結(jié)構(gòu)橫向剛度不足的問題，最大程度延長空心板梁服役壽命，橫橋向施加體外預(yù)應(yīng)力無疑是性價比較高的補強方法；本文以非現(xiàn)澆(裝配式)空心板梁橋為研究案例，分析了橫向結(jié)構(gòu)補強原理及施工技術(shù)，深化了對橫向體外預(yù)應(yīng)力補強技術(shù)的認識。

1 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補強原理分析——以小跨徑空心板梁橋為例

1.1 橫向體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)概述

對于多片非現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力空心板梁結(jié)構(gòu)而言，通過橫向預(yù)應(yīng)力補強是提高空心板梁鉸縫可靠性的主要途徑，而橫向體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是實現(xiàn)橫向預(yù)應(yīng)力補強的主流手段。與主梁縱向預(yù)應(yīng)力技術(shù)不同，縱向預(yù)應(yīng)力屬于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼絞線置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過端頭錨固技術(shù)實現(xiàn)預(yù)緊；而體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)則主要依靠轉(zhuǎn)向塊和專用錨具實現(xiàn)預(yù)緊。

體外預(yù)應(yīng)力補強橋梁結(jié)構(gòu)一般需用到鋼束及適配的套管材料，套管材料主要用于保護鋼束，以防止鋼束銹蝕，相比于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，體外預(yù)應(yīng)力的布設(shè)更加靈活，無需考慮主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部普通鋼筋布設(shè)及結(jié)構(gòu)外形問題，且無需在波紋管內(nèi)注漿壓實，施工環(huán)節(jié)更加簡潔，橫向補強施工作業(yè)無需封閉交通；預(yù)應(yīng)力補強效果優(yōu)于縱向預(yù)應(yīng)力，經(jīng)橫向預(yù)應(yīng)力補強后，空心板梁間的鉸縫開裂情況能夠徹底閉合，結(jié)構(gòu)橫向剛度明顯提升，對于裝配式預(yù)應(yīng)力簡支梁式橋的結(jié)構(gòu)補強具有非常顯著的作用。

1.2 非現(xiàn)澆空心板梁橋單板受力病害分析

空心板梁是非現(xiàn)澆簡支梁橋中最常見的結(jié)構(gòu)形式，將預(yù)制完成的空心板直接吊裝至墩頂，空心板之間依靠現(xiàn)澆鉸縫連接，由于鉸縫與空心板之間非剛接，空心板在受力過程中，由于主體結(jié)構(gòu)和鉸縫非一體化澆筑，導致鉸縫的彎矩、剪力傳遞效率較低，一旦鉸縫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、破損，其鉸接性能將大幅下降，在車輛集中荷載作用下，空心板荷載橫向分布趨弱，單板受力工況逐漸顯著，一旦超過空心板承載能力上限，將誘發(fā)嚴重事故。

誘發(fā)鉸縫結(jié)構(gòu)病害，導致空心板梁單板受力的因素眾多，在不考慮設(shè)計階段的前提下，大體上可劃分為內(nèi)因(施工因素)和外因(車輛荷載因素)兩部分。首先，應(yīng)盡量避免選擇小鉸縫，中、小鉸縫空間較小，后澆混凝土不易振搗密實，容易引發(fā)鉸縫混凝土離析病害；此外，由于澆筑施工作業(yè)空間有限，導致空心板梁側(cè)面與現(xiàn)澆鉸縫段接觸面的鑿毛不夠，在荷載作用下，由于新舊混凝土界面之間摩阻力不夠，容易造成荷載條件下的粘結(jié)滑移，影響二者之間的協(xié)同工作能力。再者，在超載工況條件下，會加速鉸縫結(jié)構(gòu)的病害發(fā)展進程，鉸縫剛度下降后，隨即影響橫向聯(lián)系剛度，單板受力更加明顯，進而加速對應(yīng)板附近的鉸縫破壞進程，短期內(nèi)形成惡性循環(huán)；此外，鉸縫結(jié)構(gòu)在豎向車輛荷載作用下，鉸縫底部容易出現(xiàn)拉裂，考慮到豎向荷載的隨機性和時變性，導致主應(yīng)力與橫橋向夾角不同，對應(yīng)的鉸縫底部受拉跡線也不同，一旦沿某條受拉跡線出現(xiàn)開裂，隨著開裂程度的劣化，鉸縫有效截面積不斷減小，最終發(fā)展為貫穿開裂，對應(yīng)鉸縫徹底失效。如圖1為鉸縫局部受力及開裂跡線分布示意圖。

圖1 鉸縫局部受力及開裂跡線分布示意圖

2 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補強施工——以小跨徑空心板梁橋為例

2.1 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補強機理分析

通過受力分析可知，在空心板梁整體結(jié)構(gòu)中，鉸縫位置為受力薄弱點，在結(jié)構(gòu)自重和車輛荷載的耦合作用下，鉸縫同時受到豎向剪切荷載和橫向彎曲荷載，一旦截面應(yīng)力超過對應(yīng)位置的抗拉強度，將引起鉸縫開裂；鉸縫抗拉強度取決于鉸縫混凝土自身強度及鉸縫與空心板梁界面抗滑移性能。通過施加橫向預(yù)應(yīng)力，一方面能夠提高鉸縫界面與空心板界面之間的壓力，從而增加界面摩阻力，以抵抗豎向剪切荷載；一方面，經(jīng)橫向預(yù)應(yīng)力補強后，空心板之間原有的鉸接形式逐步向剛接過渡，結(jié)構(gòu)橫向整體性明顯提升，橫向剛度顯著增加，鉸縫能夠同時高效傳遞剪力和彎矩，優(yōu)化了橫橋向的荷載分布；另一方面，經(jīng)橫向預(yù)應(yīng)力補強后，結(jié)構(gòu)橫向存在預(yù)拱度，合理的預(yù)應(yīng)力規(guī)模能夠保證橫橋向彎矩小于消壓彎矩，從而使空心板梁下緣混凝土在荷載作用下仍處于受壓狀態(tài)。

2.2 在役非現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁橫向補強施工工藝分析

橫向體外預(yù)應(yīng)力補強施工必須嚴格執(zhí)行施工工藝流程，保證每一環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量滿足規(guī)范要求，主要施工流程可分為附屬構(gòu)件安裝、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉、預(yù)應(yīng)力錨固及防護三個環(huán)節(jié)。

第一，附屬構(gòu)件安裝環(huán)節(jié)；附屬構(gòu)件主要指的是梁壁轉(zhuǎn)換塊和緊固高強螺栓，轉(zhuǎn)換塊采用20B型槽鋼， 槽鋼依靠高強緊固螺栓固定在空心板梁側(cè)壁，預(yù)應(yīng)力錨具將固定在轉(zhuǎn)換塊上，同時，轉(zhuǎn)換塊也是預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)加力向主梁結(jié)構(gòu)傳導的主要構(gòu)件，為了保證后期橫向預(yù)應(yīng)力補強的有效性，避免出現(xiàn)嚴重的預(yù)應(yīng)力損失問題，必須保證轉(zhuǎn)換塊的穩(wěn)定性和貼合性滿足設(shè)計施工規(guī)范要求。第二，橫向預(yù)應(yīng)力鋼束張拉環(huán)節(jié)；預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)以轉(zhuǎn)換塊緊固螺栓強度完全形成后開始，將放樣后的高強度鋼絞線經(jīng)穿束機穿入與之適配的套筒內(nèi)，高強度鋼絞線從中間向兩端對稱張拉，張拉至控制應(yīng)力后應(yīng)持荷3 min以上。第三，預(yù)應(yīng)力錨固及防護環(huán)節(jié)；張拉完畢后應(yīng)及時錨固，以防止預(yù)應(yīng)力松弛，為了防止鋼絞線和錨具銹蝕造成預(yù)應(yīng)力損失，錨具上均勻涂抹防銹漆，并增設(shè)防護罩，將錨具和鋼絞線徹底密封在防護罩內(nèi)，防護罩使用高強螺栓緊固，切實保證錨具和端部鋼絞線的耐久性。如圖2為橫向體外預(yù)應(yīng)力補強施工流程示意圖。

圖2 橫向體外預(yù)應(yīng)力補強施工流程示意圖

3 總 結(jié)

使用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對空心板梁橋進行橫向補強施工，能夠明顯提高空心板梁之間的橫向聯(lián)系性能，對于提高全橋抗變形剛度、優(yōu)化橫向荷載分布具有重要作用；廣泛推廣體外預(yù)應(yīng)力橫向補強技術(shù)，對于延長非現(xiàn)澆混凝土梁的服役壽命，增強全橋的工作性能意義顯著。