金增選
(寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中心,浙江 寧波 315040)
發(fā)展建筑工業(yè)化是推進(jìn)綠色建造的有效方式。采用工廠化生產(chǎn)建筑構(gòu)件,具有進(jìn)度可控、質(zhì)量可控、成本可控等優(yōu)勢[1]。裝配化是橋梁工業(yè)化的主要特征,也是我國建設(shè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級與戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[2]。裝配化橋梁的預(yù)制構(gòu)件在工廠制作,運至現(xiàn)場起吊安裝就位后,通過接頭構(gòu)造連接。濕接縫作為一種重要的連接形式,其性能對裝配化橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性至關(guān)重要。
超高性能混凝土(下文簡稱UHPC)是由水泥、礦物摻合料、骨料、纖維、外加劑和水等原材料制成的具有高強(qiáng)、高韌、高耐久性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。UHPC 和鋼筋之間的握裹性好,粘結(jié)強(qiáng)度高,大幅減小鋼筋搭接連接的長度;同時具有良好的流動性,在免振搗的情況下能實現(xiàn)自密實,方便現(xiàn)場施工。以上優(yōu)點,使得UHPC 在預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場濕接縫應(yīng)用方面具有很好的發(fā)展前景。目前美國和加拿大UHPC 最主要的應(yīng)用為快速橋梁施工(ABC),即用于裝配式橋梁預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接[3]。湖南大學(xué)對普通混凝土預(yù)制板、UHPC 作為濕接縫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元和試驗研究,表明在純彎段普通混凝土處首先開裂且最終在純彎段內(nèi)普通混凝土處破壞[4],湖南大學(xué)進(jìn)一步對橋面板濕接縫進(jìn)行了等高平口接縫和局部加高接縫的試驗研究[5]。
寧波機(jī)場路南延工程的橋梁為公鐵一體化雙層高架結(jié)構(gòu),全線標(biāo)準(zhǔn)段小箱梁和部分預(yù)制拼裝橋墩采用UHPC 作為濕接縫材料。該工程于2017 年開始施工,2019 年主體結(jié)構(gòu)施工完成,在設(shè)計施工過程中,國內(nèi)尚無關(guān)于UHPC 設(shè)計、施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)。因此,作為UHPC 新技術(shù)在國內(nèi)規(guī)模化應(yīng)用的工程,重點開展了小箱梁濕接縫結(jié)構(gòu)試驗、UHPC 施工和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)等方面的應(yīng)用研究,為UHPC 新技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展積累工程經(jīng)驗。
寧波機(jī)場快速路南延工程是寧波市中心城區(qū)快速路網(wǎng)的重要組成部分,機(jī)場快速路南延工程北起鄞州大道,南至奉化岳林東路,全長約18.8 km,線位見圖1。采用主線高架+地面道路的形式,其中11.8 km為機(jī)場快速路與城際鐵路一體化合建高架橋。主線高架和地面輔道均為雙向6 車道規(guī)模。單層高架斷面見圖2,共建段雙層高架斷面見圖3。
圖1 寧波機(jī)場路南延工程線位示意圖
圖2 單層高架斷面圖(單位:m)
圖3 2 共建段雙層高架斷面圖(單位:m)
機(jī)場快速路與軌道交通寧奉線共建,根據(jù)寧奉線的建設(shè)計劃,在開工后一年半內(nèi)要完成土建主體結(jié)構(gòu)施工,此外,現(xiàn)狀地面道路的車輛交通量大,以上兩方面的因素,均要求提高預(yù)制裝配率,并加快現(xiàn)場裝配施工速度。
快速路標(biāo)準(zhǔn)段上部結(jié)構(gòu)采用簡支變連續(xù)小箱梁、跨路口等節(jié)點處采用鋼-混凝土組合梁,快速路層的上部結(jié)構(gòu)100%采用預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)。其中小箱梁跨徑以30~35 m 為主,最大跨徑40 m。全線標(biāo)準(zhǔn)段小箱梁為采用UHPC 濕接縫,總長約10 km。
小箱梁橫向濕接縫采用超高性能混凝土,鋼筋免焊接,且濕接縫寬度小,大幅減少現(xiàn)場澆筑混凝土的數(shù)量,可有效提高施工速度。
在寧波機(jī)場路南延工程實施之前,UHPC 濕接縫已在部分工程中應(yīng)用,包括上海S3 公路3 km 長的小箱梁濕接縫、上海嘉閔高架橋墩預(yù)制拼裝試驗段、上海南浦大橋匝道改建等。
在本工程設(shè)計施工過程中,UHPC 材料在國內(nèi)處于應(yīng)用推廣階段,各廠家的UHPC 產(chǎn)品性能有差異、施工質(zhì)量參差不齊,國內(nèi)尚無關(guān)于UHPC 設(shè)計、施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)。針對以上情況,為保證工程質(zhì)量,重點采取了以下應(yīng)用對策:
(1)UHPC 材料配合比檢驗。
(2)濕接縫的結(jié)構(gòu)試驗研究。
(3)研究制定UHPC 施工和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn);加強(qiáng)施工過程的質(zhì)量管理監(jiān)督。
以上對策中,UHPC 的材料配合比檢驗,目的是嚴(yán)格篩選UHPC 性能指標(biāo)符合要求的產(chǎn)品。對參加檢測的產(chǎn)品共進(jìn)行了三輪檢測,其中三家產(chǎn)品的各項指標(biāo)均符合要求。
本文重點介紹濕接縫的試驗研究、施工和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。
3.2.1 UHPC 濕接縫性能特點
UHPC 細(xì)小顆粒混合料的均勻性高,小直徑短纖維空間連接彌合微裂紋,因此,具有高強(qiáng)度,高致密的特點。與鋼筋之間的握裹能力強(qiáng)抗壓強(qiáng)度可達(dá)120~180 MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)6~10 MPa。防腐性能和耐久性能好。
在預(yù)制結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝的濕接縫中采用UHPC時,其主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)采用普通混凝土施工工藝,無需蒸養(yǎng),常規(guī)養(yǎng)護(hù);
(2)流動性好,易于施工,可以免振搗;
(3)利用UHPC 優(yōu)異的抗拉性能和握裹能力,減少鋼筋錨固長度(不小于5 d);
(4)鋼筋定位難度遠(yuǎn)低于焊接方式;
(5)鋼筋不焊接,取消常規(guī)大量現(xiàn)場鋼筋焊接,縮短工期,降低施工難度。
3.2.2 小箱梁UHPC 濕接縫構(gòu)造
小箱梁鋼筋濕接縫寬250 mm,斷面見圖4。相鄰兩片梁的橫向預(yù)留鋼筋平面上交錯布置,直接與UHPC 錨固傳力,鋼筋不需要焊接連接。UHPC 濕接縫鋼筋斷面見圖5,鋼筋布置平面見圖6。
圖4 小箱梁UHPC 橫向濕接縫斷面圖(單位:cm)
圖5 UHPC 濕接縫鋼筋斷面圖(單位:cm)
圖6 UHPC 濕接縫鋼筋布置平面
3.2.3 橋面板UHPC 連接試驗
對各項指標(biāo)符合要求的三種UHPC 產(chǎn)品(以下以分別以A1、A2、A3 作為三個產(chǎn)品代號),進(jìn)一步進(jìn)行濕接縫的構(gòu)件模型試驗。按照工程實際的橋面板濕接縫尺寸,進(jìn)行橋面板接縫的靜力試驗和工藝試驗,驗證橋面板UHPC 濕接縫的靜力受力性能;試驗接觸面不同處理工藝下,橋面板UHPC 濕接縫靜力受力性能,以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。
(1)試驗?zāi)P?/p>
采用足尺構(gòu)件,濕接縫設(shè)企口縫、V 型縫和直縫三種接縫形式,見圖7??p寬230~280 mm,平均縫寬250 mm。各板件尺寸、配筋相同,區(qū)別僅在于接縫界面形式。接縫界面形式見圖7。
圖7 預(yù)制混凝土界面處理形式(單位:mm)
單側(cè)鋼筋Φ12@100,相鄰兩橋面板在濕接縫位置的鋼筋交錯布置,鋼筋間距@50 mm,不焊接。橋面板采用UHPC 連接,預(yù)制段為C50 混凝土,測試其抗彎承載力。
試件尺寸為1.45 m(長)×0.775 m(寬)×0.2 m(高)。
三種UHPC 材料分別進(jìn)行三種接縫形式試驗,共計制作9 個試件。同時,試件濕接縫界面進(jìn)行鑿毛和濕潤的對比,具體試件參數(shù)見表1。
表1 試件參數(shù)表
試件制作照片見圖8。
圖8 預(yù)制混凝土界面照片
(2)試驗加載
分級加載,每級20 kN,加載速率保持在1 min加到預(yù)定荷載,持荷5 min,確保裂縫及變形能夠充分開展,加載至40~80 kN,持荷觀察可能混凝土裂縫發(fā)展情況。
開裂后改變加載速率進(jìn)行加載,每級荷載30 kN。
(3)試驗結(jié)果
圖9 試驗最終破壞現(xiàn)場照片
以試件B-1 為例,說明試驗破壞過程情況。在100 kN 的時候在普通混凝土上出現(xiàn)裂縫,該裂縫接近UHPC 結(jié)合面;120 kN 時UHPC 與普通混凝土交接面位置開裂,180 kN 時混凝土表面的裂縫寬度達(dá)到0.4 mm,220 kN 時混凝土表面裂縫寬度為0.6 mm,UHPC 粘結(jié)面上寬度為0.4 mm,360 kN 時東側(cè)加載點至粘結(jié)面位置出現(xiàn)斜向裂縫,480 kN 時受壓區(qū)普通混凝土位置/ 靠近UHPC 的部位,混凝土出現(xiàn)少量壓碎的情況,540 kN 粘結(jié)面位置混凝土壓碎。表面干燥面的破壞比濕潤面更為嚴(yán)重。
其余各塊板的破壞過程基本相似,試驗荷載及破壞情況見表2。
表2 試驗荷載及破壞情況表
試驗主要結(jié)論如下:
a.UHPC 濕接縫性能:普通混凝土最先出現(xiàn)開裂,然后是UHPC 與普通混凝土粘結(jié)面出現(xiàn)裂縫,UHPC 范圍內(nèi)未出現(xiàn)裂縫。
b.試驗結(jié)果表明,UHPC 濕接縫的承載力不低于預(yù)制段C50 混凝土,采用UHPC 作為預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接材料,可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。
c.本工程擬采用的三家UHPC 產(chǎn)品性能,均可滿足使用要求。
d.三種界面形式對比:對同一個廠家的UHPC材料,從開裂荷載來看,V 形界面>凹槽界面>平面界面;試件承載力方面,V 形界面明顯高于凹槽界面和平面界面,性能最優(yōu),凹槽界面和平面界面承載力相近。
e.表面干燥與濕潤對比:B1、B4、B7 兩側(cè)進(jìn)行了表面干燥與濕潤對比,干燥面破壞均比濕潤面嚴(yán)重,說明濕潤面可使UHPC 和預(yù)制混凝土結(jié)合更好。
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f.經(jīng)表面鑿毛對比,三家材料均有比較一致的結(jié)論:凹槽界面的鑿毛面破壞更嚴(yán)重,對于平面界面,未鑿面的破壞更嚴(yán)重。一般情況下,鑿毛面的結(jié)合應(yīng)該更好,但本次試驗凹槽界面的鑿毛面破壞更嚴(yán)重,可能與凹槽口尺寸只有2 cm,表面鑿毛影響槽口折角區(qū)的混凝土完整性有關(guān)。
為規(guī)范現(xiàn)場施工,保證工程質(zhì)量,建設(shè)單位、設(shè)計、施工、監(jiān)理,在以往工程應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合本工程UHPC 配合比試驗、濕接縫板試驗以及現(xiàn)場實際情況,經(jīng)深入研究,制定相關(guān)技術(shù)要求,包括《UHPC 施工操作技術(shù)手冊》、《濕接縫施工階段UHPC 檢測要求》。
《UHPC 施工操作技術(shù)手冊》中,對各施工步驟均作了明確的規(guī)定,包括施工前準(zhǔn)備、攪拌、拌合物運輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)等。
《濕接縫施工階段UHPC 檢測要求》中,明確規(guī)定UHPC 第三方抽檢的取樣、檢測指標(biāo)、合格判定等要求。
在施工過程中,嚴(yán)格按照技術(shù)要求執(zhí)行,加強(qiáng)質(zhì)量管理監(jiān)督。
本工程于2019 年完成主體結(jié)構(gòu)施工,2020 年通車,UHPC 濕接縫使用狀況良好。
寧波機(jī)場路南延工程采用UHPC 作為小箱梁濕接縫,鋼筋免焊接,且大幅減少現(xiàn)場澆筑混凝土的數(shù)量,有效加快了施工速度,保證了共建的軌道交通寧奉線按期通車,并減少了施工對環(huán)境和交通的影響。
工程在小箱梁濕接縫結(jié)構(gòu)試驗、UHPC 施工和質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了應(yīng)用研究,主要結(jié)論如下:
(1)混凝土預(yù)制段裂縫先于界面接縫,UHPC 范圍內(nèi)未出現(xiàn)裂縫。表明UHPC 濕接縫的抗裂性和承載力不低于預(yù)制段混凝土,采用UHPC 作為預(yù)制構(gòu)件的濕接縫連接材料,可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。
(2)V 形界面形式抗裂性、承載力均最優(yōu)。
(3)界面濕潤、鑿毛可使UHPC 和預(yù)制混凝土的界面結(jié)合更好。
(4)依托寧波機(jī)場路南延工程大量的應(yīng)用研究,形成UHPC 預(yù)制拼裝橋梁設(shè)計、施工、檢測、驗收成套技術(shù)要求體系,進(jìn)一步推動UHPC 新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。