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早强型UHPC快速施工应用技术在装配式桥梁连接件维修工程中的应用

时间:2024-01-08 15:15:02 来源:网友投稿

罗 鹏

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014)

现代生活中,便捷通畅的交通对国民经济的影响比重越来越大,交通线是保证经济正常运行的重要部分。但目前国内交通线存在交通量大,超载现象严重等问题,使路线压力很大,特别是一些重要交通线长期处于大荷载、高频次运行,桥梁结构损伤严重,但又不能长时间中断交通进行修复,否则对社会各行各业影响较大,这给桥梁设计及运营维护等各环节提出了新的要求,既要保证路线安全通畅,又要兼顾社会影响,寻求一种能快速修复或者快速施工的设计方案迫在眉睫。UHPC(即超高性能混凝土)强度高,耐久性好,结构特性与常规混凝土类似,其早强型产品混凝土抗压强度(4h)可达40MPa,抗拉强度可达4.5MPa,等同于常规混凝土28d的结构强度,应用在装配式桥梁的连接件上快速修复或者快速施工,可使桥梁快速组网通车。本文以华东地区高速路上一座既有装配式桥梁连接件维修工程为例,介绍早强型UHPC快速施工应用技术。

华东地区高速路上一座既有桥梁原设计为三跨3m×10m小铰缝空心板梁,桥梁分为左右两幅,左右幅桥宽12.5m,因运行时间久,板梁上部结构有不同程度损坏,板梁铰缝破损,桥面出现裂缝,下挠严重。因担心后期出现单板受力,危害结构安全,本项目对该桥进行维修加固。

具体维修设计方案为拆除原桥梁上部板梁、桥面系等附属结构。桥墩、桥台等下部结构经前期检查,无重大病害,满足设计要求,可继续使用,本次加固维持现状。上部结构拆除后更换新板梁,重新施工桥面系及附属结构。

本方案不仅要满足结构受力要求,同时还要兼顾现场施工作业时间,尽可能压缩施工周期,将施工影响降到最低,尽早通车。经多方比较,决定选用早强型UHPC快速施工应用技术实施维修。

UHPC是一种水泥基复合材料,基于最大密度堆积原理,不同于传统的高强混凝土和钢纤维混凝土,具备超高强度、超高韧性、超高耐久性能以及良好施工性能的新品种水泥基结构工程材料。早强型UHPC是快速施工应用技术的核心,该项目使用的早强型UHPC材料力学性能参数如表1所示。

表1 早强型UHPC材料参数指标

UHPC材料[1]因较为致密,水胶比低,其与混凝土的粘结及钢筋的握裹力都较常规混凝土强,根据相关实验数据,该材料与混凝土的法向粘结强度约为3MPa,如果再考虑普通钢筋的拉拔贡献,其粘结强度更高,按照常规湿接缝配筋进行估算,UHPC与混凝土的粘结强度可达4MPa左右,结合该工程特点,如果出现界面受拉破坏的情况,可保证破坏发生在原混凝土机体内,而不是新老混凝土交界面,不会出现界面脱开而影响结构受力及耐久性问题;
另外材料施工性能好,UHPC材料中主要成分为矿粉、钢纤维、液剂和水,无粗骨料,其流动性较好,一般扩展度可达550~700mm,可以作为灌浆料使用,因此对于本工程湿接缝结构,UHPC能较方便、快捷、稳妥地实现接缝间的连接。

因UHPC强度高,施工性能好,材料特性与普通混凝土类似,采用UHPC作为湿接缝连接材料有下列优势:UHPC强度高,其与钢筋握裹力较强,根据前期研究成果,设计中只要钢筋间满足搭接长度≥10D(D为钢筋直径),即可实现与常规钢筋焊接的连接效果,满足钢筋拉拔为紧缩破坏而不是混凝土界面破坏,整体强度与现浇段相当。本次设计中湿接缝钢筋采用搭接连接,在设计中将相邻板梁间的湿接缝钢筋错开布置,彼此预留空间,现场吊装好之后,相邻板梁湿接缝钢筋相互搭接,搭接长度按照常规设计处理,满足现规范构造要求,现场接缝钢筋不进行绑扎及焊接处理,支模后现场浇筑UHPC,大幅缩短施工时间。

该桥上部结构采用先张法10m预应力混凝土刚接空心板梁,梁长L=9.96m,梁高H=0.55m,湿接缝尺寸为0.52m×0.18m。根据《先张法预应力混凝土空心板(桥梁)》通用图规定,湿接缝处采用C50混凝土连接,因考虑时间要素,决定采用早强型UHPC快速施工应用技术,即连接材料采用早强型UHPC。

3.1 连接强度

国内有许多关于UHPC接缝构造受力性能分析的研究,石雪飞[2]等对小箱梁中UHPC纵向接缝的静力试验研究表明,采用与整浇构造尺寸相同的UHPC接缝,UHPC试件承载能力要优于整体现浇板,其抗弯承载力性能比整浇母材有所提高,在进行疲劳试验后,构件的破坏阶段的变形能力和极限承载力并未降低;
钟扬[3]等对UHPC湿接缝抗弯性能试验研究也有类似的结论,UHPC湿接缝梁的抗弯能力不弱于整浇现浇梁,湿接缝配筋可提高整体抗弯承载力;
另外根据其他工程项目信息,采用UHPC连接的小箱梁湿接缝已在宁波、上海等地区的项目中有所应用,本工程采用UHPC代替原C50混凝土接缝,其接缝强度可满足设计要求。

3.2 横向分布系数

在装配式结构中,梁体间由接缝来横向传力,常规设计中会引入横向分布系数进行板梁设计。根据《先张法预应力混凝土空心板(桥梁)》通用图中相关说明,10m刚接板梁横向分布系数在0.47左右,但通用图设计计算是以C50混凝土作为湿接缝的连接材料,根据刚接梁法相关定义,翼缘板连接肋梁桥如采用整体式或者可靠湿接缝连接的结构,可按照刚接梁法受力模式进行计算,即结构之间和接缝间既传递剪力又传递弯矩。本项目中湿接缝材料是UHPC,其弹性模量约为45GPa,是常规C50混凝土弹性模型(34.5GPa)的1.3倍,其与空心板梁的连接要比普通混凝土紧密,为了验证不同材料对横向传力的影响,本次采用Midas-civil有限元程序建立空心板梁梁格模型(见图1),接缝间采用不同的材料模拟横向联系,通过加载移动荷载对比不同横向湿接缝材料对横向传力的影响。

图1 全桥有限元模型

梁格模型中按照实际尺寸模拟空心板梁,板梁悬臂部分建立虚拟纵梁用来模拟接缝位置,虚拟梁与主梁间采用主从约束连接,在接缝位置处按照不同材料分别建立虚拟横梁,横梁尺寸按照湿接缝实际厚度模拟,模型中不考虑UHPC应变强化特性[4],仅按照理想弹性材料模型考虑,移动荷载按照城-A级进行加载。

对比不同湿接缝梁格模型与单梁模型在移动荷载作用下弯矩比值,根据计算结果:单梁模型其荷载弯矩为940.1kN·m,C50湿接缝梁格模型弯矩为267.1kN·m,UHPC湿接缝梁格模型弯矩为260.2kN·m,对比相关数据,C50湿接缝连接较UHPC接缝连接横向荷载传递系数高2.65%,结合通用图数据,采用UHPC连接的板梁其横向分布系数要较通用图中相关数据偏小,其系数约为0.45左右,这种连接情况下结构偏安全,可满足设计要求。

4.1 采用刚接空心板梁,节约换梁时间

原桥梁上部结构采用交通部小铰缝空心板梁,本次维修将上部板梁替换为先张法刚接板梁,更换上部板梁及桥面系。板梁之间采用湿接缝方式连接,上部桥面系设防水层,沥青混凝土铺装。

本方案上部结构采用先张法刚接空心板梁,10m板梁梁高0.55m,板梁宽1.25m,梁与梁之间采用湿接缝连接,接缝宽51.7cm,结构断面见图2所示。由于较宽的板梁及板梁间的湿接缝构造,总体上本次板梁数量较原空心板梁减少约40%左右,现场板梁吊装可节约1/3的吊装时间,缩短现场工期。

图2 结构断面示意图

4.2 湿接缝采用UHPC连接

常规空心板铰缝设计中,因空心板铰缝空间狭窄,钢筋构造复杂,钢筋绑扎及焊接质量难以保证,另外混凝土浇筑过程中,同样由于铰缝空间小,其中钢筋及混凝土中的粗骨料影响会导致铰缝混凝土不密实,产生空洞及其他质量问题,空心板接缝会成为设计薄弱环节[5],影响桥梁使用寿命。本次设计采用湿接缝构造形式,现场支模灌注UHPC方式进行板梁连接,不仅可解决结构受力问题,还能简化施工工序,减少接缝间钢筋绑扎焊接工序,大幅缩短施工周期。

4.3 桥梁结构及早成型,满足通车条件

装配式结构受制于连接材料,一般要等到混凝土材料强度达到设计强度才能进行下一步施工工序,而混凝土强度发展往往要十几天,周期较长。本方案中,现浇段湿接缝材料采用早强型UHPC,其材料2h抗压强度可达到30MPa,4h抗压强度达40MPa,基本等同于常规普通混凝土28d的材料强度等级,可实现湿接缝及早形成强度,满足下一阶段施工要求。本桥湿接缝浇筑后,进行常规条件养护(现场洒水+覆盖土工布+常温养护),养护4h后满足施工转换交通条件,完成结构体系转换。

本次施工采用半幅封闭,半幅通车,在不中断交通的条件下进行施工,具体施工流程为:

(1)进行交通围挡,拆除和新建半幅桥梁(施工中个别施工工序有交叉);
先封闭左半幅(上行)车道一和半根车道二,封闭右半幅(下行)车道一,在封闭区域进行桥面系及旧板梁拆除,封闭区域内拆除完成后进行新板梁吊装及湿接缝浇筑工作;

(2)湿接缝浇筑完成后进行交通转换,重复上述步骤进行另半幅施工;

(3)桥面防水、沥青摊铺、伸缩缝施工;

(4)撤掉围挡,开放交通。为了将施工影响降到最低,本次合理安排施工工序,从施工进场进行围挡到施工结束,恢复交通,全程总用时不到60h,不仅实现了对老旧危桥的结构维护,将新材料、新技术应用于该桥,满足其受力要求,而且较短时间完成桥梁抢修,对比较常规换梁维修,本次施工周期大幅缩短,大大减少了对高速公路交通的影响,为今后同类型抢修加固积累了经验。

本项目借助早强型UHPC快速施工应用技术,得益于新材料新工艺的应用,较短时间内(60h内)完成施工换梁并开放交通,将施工对社会面影响降到最低。本次使用早强型UHPC材料,在施工4h后,材料抗压强度达到40MPa,抗拉强度达到4.5MPa,材料与钢筋锚固强度达到11MPa,满足结构受力,对具备通车条件起到关键作用,对今后类似需要及早恢复开通的交通结构的应急抢险、维修加固等有一定参考价值。

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