装配式预应力混凝土空心板桥面混凝土铺装层病害研究

装配式预应力混凝土空心板桥面混凝土铺装层病害研究

在桥梁结构中，桥面铺设直接接受交通负荷的重复，并将车辆集中负荷分散到交通的中心。这是结构压力的重要组成部分。同时，该层直接受环境因素（温度和湿度）的影响，对交通的舒适度和安全性起着重要作用。对于预制混凝土空心板，铺路层也起到了连接每个构件的共同压力的作用。这不仅是空心板结构的保护层，也是桥面结构的共同压力层。因此，它必须具有足够的强度、抗弯性、抗冲击性、耐腐蚀性和良好的完整性。由于设计、施工、环境条件、使用条件等因素的影响，桥梁的一般使用中的各种问题影响了桥梁的正常使用和维护。作者从设计和施工的角度探讨了混凝土人行道施工中常见故障的机理和防治措施，并从提高路面混凝土材料性能的角度总结了钢纤维混凝土、共成纤维混凝土、混合纤维混凝土和钢纤维轻混凝土。1混凝土人行道层的常见故障及机械分析1.1空心板体结构参数优化空心板桥面铺装层的纵桥向裂缝一般沿着板与板之间的铰缝出现,是与空心板桥设计与施工方法紧密相关的最为常见的病害类型.空心板的设计采用“铰接板法”,板与板之间的横桥向连接主要由铰缝来完成.因此,铰缝能否起到设计假定的“铰接”功能,将桥面荷载进行横桥向传递和分散作用,是桥面铺装层是否出现沿铰缝的纵桥向裂缝的内在控制因素.而如何加强铰缝的横桥向联系,是解决桥面纵桥向裂缝的关键.实践经验证明,小铰缝连接的空心板桥的横桥向联系最弱,且由于铰缝现浇混凝土的养生得不到根本保障,对其强度及与空心板的结合产生不利影响.在交通量增大、重车增多的情况下,容易破碎并出现单板受力的情况,沿铰缝的铺装层纵桥向裂缝极为普遍,严重者出现坑槽和塌陷、铰缝混凝土破碎、脱落并大面积渗漏,最终危害到空心板结构的安全性.文献表明,随着铰缝的增大,空心板桥的整体性增强,铰缝承受的剪、拉应力减小;同时,铰缝增大后能够在缝内布置横桥向连接钢筋,施工时将横桥向连接钢筋焊接为一个整体,有效增强了板间的连接.文献规定:装配式板当采用铰接时,铰的上口宽度应满足施工时使用插入式振捣器的需要,铰缝的深度为预制板高的2/3;预制板内应预埋钢筋深入铰内.空心板截面刚度对纵桥向裂缝的产生也具有内在影响.截面抗弯刚度增大,有利于减小车辆荷载作用时的板体变形,从而减小不同板之间的竖向变形差;截面抗扭刚度增大,有利于减小单板偏载受力时的扭转变形,可有效减轻铰缝的复杂受力状态,同时可起到调整支座上下支承面脱空或不紧贴造成的“跷跷板”效应.因此合理优化空心板的截面与挖空率是非常必要的.从空心板单板受力性能看,大孔板的顶板横桥向跨中截面在车辆荷载作用时具有较大的竖向变形,带动铰缝处铺装层混凝土产生较大的横桥向拉应力,更易于产生铺装层的纵桥向裂缝.显然,铺装层钢筋不应单纯按构造钢筋配置,而应考虑按受力钢筋配置,建议将铺装层厚度、配筋与空心板变形性能结合起来考虑.对于截面抗弯刚度较大的常规空心板,可采用较薄的铺装层,但厚度不宜小于80mm,设置单层钢筋网,横向钢筋直径不小于8mm、间距10～15cm;对于截面抗弯刚度较小的常规空心板以及大孔板,应采用较厚的铺装层,设置双层钢筋网,横向钢筋直径8～12mm,上层间距10～15cm,下层间距l5～20cm,上层网宜细密以起到分布车辆荷载和控制混凝土收缩变形或温度作用的效果.应保证铺装层的横桥向钢筋连续穿过铰缝,并与空心板顶部两侧足够的预埋钢筋焊接,从而确保梁体与桥面铺装紧密结合、共同作用,确保铰缝混凝土的整体性和可靠传递板间剪力功能.施工缝设置不当也会诱发铺装层纵桥向裂缝.桥面铺装应力求全幅一次性浇注,当桥面较宽致使一次浇筑困难时,应将施工缝预留在某块空心板的纵桥向中心线处,这样可以尽可能减小铺装层混凝土施工缝的受力.如果将施工缝预留在了铰缝处,则会使桥面铺装层在铰缝处的受力更加复杂也更易导致裂缝的产生.1.2心桥区域抗拉力学在工程设计中,跨度20m,25m和30m的空心板桥一般采用结构连续;跨度10m,13m和16m的空心板桥多采用简支桥面连续.实际工程检测发现,桥面连续处普遍出现铺装层横桥向裂缝,结构连续处出现裂缝的情况则较为少见.采用简支桥面连续的空心板桥,在墩顶处依靠桥面连续来承受混凝土收缩和温度应力.当车辆荷载作用在跨中时,由于空心板的跨中弯沉也导致墩顶桥面承受拉应力.当拉应力超过铺装层混凝土的抗拉强度时,桥面连续区域的铺装层就会产生横桥向裂缝.从设计的角度考虑,桥面连续区域应进行受力性能计算,考虑车辆荷载在支座处产生的转角位移使铺装层承受的纵向拉应力,考虑温度作用产生的空心板长度缩短使铺装层承受的拉应力,全部拉应力均应由铺装层纵向钢筋承担.空心板跨中段出现铺装层混凝土的横桥向裂缝的现象也较常见,这与空心板的抗弯刚度直接相关.空心板跨中区段在预应力作用下反拱,在车辆荷载作用下弯沉,带动着铺装层混凝土承受反复挠曲变形的作用,造成了铺装层混凝土的低周疲劳,随着作用次数的增加,混凝土的抗拉能力降低,最终导致横桥向裂缝的产生.因此,应合理设计空心板截面,不仅要保证承载力要求,更应注重正常使用变形控制要求,以避免车辆荷载产生过大冲击效应而导致横桥向裂缝的加剧.以增大挖空率减轻结构自重为优化目标,可能带来空心板刚度降低、车辆冲击荷载增大、桥面铺装层维修期缩短、维修费用增加的后果.同时,应采用钢筋加强,以提高混凝土裂后分散应力的能力,避免裂缝的加宽加长.单层钢筋网的纵向钢筋直径不宜小于12mm、间距10～15cm;双层钢筋网的上层纵向钢筋直径不宜小于12mm、间距10～15cm,下层纵向钢筋直径不宜小于10mm、间距15～20cm.1.3混凝土浇筑和压实铺装层混凝土龟裂是较为普遍的现象.主要是因为铺装层混凝土一次浇筑面积大,在混凝土收面施工过程中即伴随着干缩变形的持续发生,如遭遇大风天气或高温天气,龟裂情况会变得更加严重,甚至不可控制而不得不凿除重铺.因此,要避开不利的天气条件,应按规定要求进行及时覆盖养生并保持混凝土的持续湿润状态.同时,要采取技术措施减小混凝土硬化过程中的收缩,除在混凝土原材料质量控制、配合比设计上着手外,还应重视混凝土浇注前的桥面清理和充分洒水湿润,保证能与新浇筑的混凝土充分粘接.铺装层钢筋定位不准,或在施工过程中人为踩踏或施工运输车辆直接碾压造成钢筋移位下沉,也是出现龟裂的原因之一.此种情况下,铺装层钢筋已失去了抵抗混凝土收缩、分散温度应力的作用.此外,由于空心板预制张拉预应力筋后存在反拱不一致情况,架设后整桥的铺装层厚度不等,导致收缩变形和温度应力出现差值而产生局部拉应力,诱发龟裂.1.4心空板及空心板铺设施工质量控制从铺装层受力状态分析,在车辆荷载的反复作用下,如果铺装层混凝土与空心板之间叠合面的粘结和抗剪强度不足,将导致叠合面分离与脱空,受车辆冲击作用时会出现铺装层与空心板不一致的振动响应,两者反向振动会导致叠合面承受的拉应力进一步增大,使叠合面分离加剧.铺装层与空心板脱空后将出现拉裂或翘曲压碎.因此,建议空心板的竖肋钢筋至少应有1/2数量伸出板顶,并与铺装层钢筋焊接以提高叠合面的粘结和抗剪强度.从铺装层施工角度来看,其松散剥落起因于混凝土振捣不密实产生的蜂窝麻面,铺装厚度不足造成的露筋,或保护层不足与桥面板粘结缺陷形成的“空鼓”以及表面平整性差或排水不畅导致的局部积水、渗水等.因此,应采取相应的施工技术措施避免此类病害的产生.在北方严寒地区,铺装层松散剥落也会起因于铺装层的局部冻胀破坏.此时应考虑按抗冻性要求进行原材料质量控制和混凝土配合比设计.1.5空心板伸缩缝.伸缩缝处混凝土破损、伸缩装置松动翘起也是桥面铺装中常见的病害,简易伸缩装置裂缝表现尤为突出,如U形铝锌铁皮伸缩缝、板式橡胶伸缩缝等.伸缩缝处空心板顶板端部如果未作加厚设计处理,当预留槽过深时板底面混凝土易产生局部横桥向裂缝;当预留槽很浅时现浇伸缩缝处混凝土易被压碎.伸缩缝处钢筋预埋件太少及锚固不牢固,在车辆冲击作用下易引起伸缩装置松脱翘起.在施工中如果没有按要求埋设锚固钢筋,用打膨胀螺栓替代锚固钢筋,或伸缩装置在面层完成后安装,车辆的反复冲击作用将导致缩缝处混凝土撞伤、拉裂.2钢纤维混凝土铺装层和地面铺装层的应用进展我国的钢纤维混凝土研究起始于1986年前后,同期即在土木工程的各个领域推广应用.钢纤维混凝土可有效提高混凝土的抗拉、抗裂、抗剪、抗冲击和耐疲劳等性能,能够适应桥面铺装层复杂的受力状态;同时也减小了混凝土的收缩,不仅可降低铺装层的收缩变形,也能降低铺装层与结构顶面之间的收缩变形差,有利于提高叠合面的粘结和抗剪强度.钢纤维混凝土裂而不散不碎的特点,极大地减轻了铺装层松散剥落现象的发生.文献对公路和城市道路桥面采用钢纤维混凝土铺装时的设计和施工方法做出了技术规定.在该规程的指导下,钢纤维混凝土桥面铺装层技术得到更加迅速的传播和工程推广,结合桥面铺装层受力特点的钢纤维混凝土力学性能及施工技术措施得到更加深入的研究.研究结果表明:钢纤维混凝土铺装层在平板振动器或振动梁作用下,具有从三维乱向分布向二维分布过渡的性质,这样可使得钢纤维在铺装层平面上进行更优的分布,对提高混凝土铺装层的抗弯强度和其他相关性能更有效果.因此,钢纤维混凝土铺装层,具有适应桥面弯曲变形的良好能力,可大大降低在重载交通疲劳应力下铺装层出现裂缝的几率.同时,由于钢纤维混凝土优良的抗冲击性能,将其用于固定桥面伸缩缝也是优选的工程措施,为此,《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)中增加了伸缩缝处钢纤维混凝土的技术规定.3需要进一步研究的主题3.1空心板混凝土铺装层受力设计方法现行公路桥涵设计规范仅规定铺装层厚度不宜小于80mm,对于混凝土铺装层尚没有统一设计规定.纤维混凝土结构技术规程对钢纤维混凝土铺装层的规定除厚度宜取80～90mm(特殊需要时不宜小于60mm)外,增加了相关的施工措施,但没有明确设计方法.如前所述,装配式预应力混凝土空心板混凝土铺装层的裂缝与其受力状态是紧密相关的,研究确定合理的铺装层受力计算方法,在设计计算配筋基础上再兼顾抵抗混凝土收缩和温度应力等功能后,才可以使裂缝问题从根本上得以解决.由于桥梁荷载等级、空心板截面形式及尺寸、跨度等的不同,铺装层的受力状态随之变化,因此,应将铺装层厚度及配筋设计作为桥梁设计的组成专项加以考虑.3.2应用合成纤维混凝土铺装层的必要性近年来,合成纤维(聚丙烯、聚丙烯腈)混凝土在桥面铺装层中得到应用.由于合成纤维与混凝土早龄期的弹性模量具有较好的匹配关系,因此可以起到控制早龄期混凝土塑性收缩裂缝的效果;同时,合成纤维可提高硬化混凝土的弯曲韧性、抗冲击和抗疲劳性能以及抗渗性和抗冻性,也能够阻止混凝土的温度和收缩裂缝.但由于合成纤维与硬化混凝土弹性模量相差较大,对混凝土强度指标的改善和增强能力有限,因而合成纤维混凝土铺装层不能有效改善与荷载相关的裂缝病害现象.研究表明,如果采用合成纤维与钢纤维混杂掺入混凝土,可联合发挥合成纤维对混凝土早龄期、钢纤维对混凝土硬化后改性的作用,使混凝土获得从浇筑完成到正常使用结束的全寿命增强改性效果.因此,开展混杂纤维混凝土铺装层性能及施工技术研究具有重要理论和工程应用价值.3.3技术经济效益钢纤维轻骨料高强混凝土的研究起始于1990年,但因轻骨料在施工过程中出现上浮和分布不均等问题而使其工程应用推广进展缓慢.近年来,关于钢纤维轻骨料高强混凝土的配合比设计与施工方法的研究有所加强,通过优选钢纤维类型、掺加粉煤灰、矿渣粉等混合材料等措施基本解决了原有问题,使钢纤维轻骨料高强混凝土的拌合物性能、早龄期抗收缩防裂性能、抗拉抗弯力学性能等得到综合提高.高性能钢纤维轻骨料高强混