弹性混凝土在既有桥梁拓宽拼接中的应用.pdf

2 0 1 3 年 1 2 月第 1 2 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 6 1 弹性混凝土在既有桥梁拓宽拼接中的应用 刘 鑫 ( 上 海市政 工程 设计 研究 总 院( 集 团 ) 有 限公 司 ， 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 旧桥拼接是 城市桥 梁拓宽改造 中 的难 点。特别 是当既有 桥梁成 桥时 间较早 ， 桥梁整 体状况 不佳 ， 不宜增 加老桥荷 载的情况下， 拼缝连接方式对拓宽后桥梁的结构安全性和行车舒适性有至关重要的作用。弹性混凝土作为一种新型混凝 土， 用特殊的微纤维替代普通的砂石集料， 具有重量轻、 抗裂性强、 耐久性强的特点。分析了弹性混凝土的物理力学特性， 结合实 际情 况介绍 了弹性 连接拼缝 的做法 ， 并 对弹性 混凝土 的应 用前景进 行 了分析 。 关键 词 ： 既有桥梁 ； 拓宽拼 接 ； 弹性 混凝土 中 图分类 号 ： U 4 4 5 6 文献标 识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3) 1 2 0 0 6 1 - 0 3 0 引言 随着我国经济的飞速发 展 ， 城市高架道路 、 立 交 桥梁和高速公 路立交桥大量 涌现 。不 断增 长 的 交 通需求与现有公 路通行能力之 间的矛盾 日益突 出。 因此 ， 对既有公路桥梁进行拓宽 ， 在现有线路 的 基础上提升通行 能力是当前 的一个 重要 而紧迫 的 任务。在城市桥梁 的改扩建工程中 ， 存在很多不 同 于新建桥梁的问题 ，新 旧桥梁拓 宽拼缝 连接技术 的特殊性是关系到改扩建工程成败的关键问题 。 在桥梁拼宽连接 中 ，有许 多需要 考虑的特殊 问题 ，其 中最重要的就是拓 宽后新 桥对 旧桥受力 特性的影响和不均匀沉降及收缩徐变差对新旧桥 和接缝整体和局部受力特性 的影响 。由于既有桥 梁一般都运营 了一段时间 ，新 旧桥梁在设 计时取 用的规范有所调整 ， 荷载等级的取用有所不同。按 照老规范设计的既有桥梁上部 结构普遍存在结构 高度低， 配筋量少 ， 钢筋直径较小等情况。考虑到 现有交通状况及以后交通发展 的需求 ，为 了确保 既有桥梁拓宽拼接 的合理性 和安全性 ，对既有桥 梁 的拓宽改建 宜采取不 增加老桥 结构荷载 负担 ， 维持老桥受力现状 的原则。 1 新 旧桥梁拓宽拼接缝的连接方式 在既有桥梁 的拓 宽中 ，新 旧桥之间的连接形 式一般分为 以下 3种 ： ( 1 ) 上下部结构均不连接 新 旧桥上下部结 构均不连接 的主要优点是新 旧桥梁各 自独立承受荷载 ， 无纵 向拼缝处理 问题 ， 结构受力明确 。缺点是结构纵缝较难处理 ， 容易在 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 8 1 3 作者简介 ： 刘鑫( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 江苏镇江人， 工程师 ， 从事桥梁 设 计工作 。 桥 面形成纵 向缝 ， 产生桥面漏水 ， 同时新 老结构的 挠度差会造成行车舒适感差 ， 桥面外观较差 ， 后期 养护费用大 。 ( 2 ) 上下部结构均连接 新 旧桥上下部结构均连 接的主要优点是新桥 和旧桥之间有可靠 、 有效 、 整体性强的连接 ， 使结 构连续 ， 行车舒适性较好 。但 由于新 旧桥梁往往成 桥 时间不 同， 后期沉降量不宜控制 ， 容易产 生不均 匀沉降， 下部结构的连接处会产生裂缝， 同时上部 结构 的连接缝处也 比较容易产生裂缝 ，进 而影 响 结构安全 。这种刚性连接的方式仅适合在 地基条 件好 、 沉降差可以有效控制 的情况下采用 ， 目前 国 内已较少采用 。 ( 3 ) 上部结构连接 ， 下部结构不连接 新 旧桥上部 连接下部结 构不连接 的主要优 点 是下部结构的内力互不影响，不均匀沉降不会对 下部结构产生附加 内力。同时上部结构采用连接 的方式可以使桥面结构连续 ，从而提升行车的安 全性 和舒适性 。 目前 国内既有桥梁拓宽拼缝 大部 分采用此种连接方式 。 由此 ，新 旧桥上部结构 拼接纵向接缝 的处理 则成 为工程 中的难点和重点。 以往 国内主要有三 种处理方式 ： 一 、仅桥面铺装层连接。目 前国内大部分工程 铺装层较厚 ， 同时使用一定厚度 的混凝土铺装层 ， 从 而不 能起到铰 的作用 ，形 成不了不传递 弯矩 的 柔性结构 ， 使新老桥桥面拼接处出现纵缝啃边， 行 车条件差 ， 存在一定 的安全 隐患。 二 、 梁板连接 ； 新 老桥梁板连接虽然可以确保 桥 面平顺 、行车安全 ，但 连接的施 工技术 难度较 大 ， 收缩徐变 、 不均匀沉 降及活载带来 的新 旧桥梁 变形差会转化为 内力 ，对既有桥梁的受力 有很 大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 1 2 月第 1 2 期 的影 响 。 三 、 桥面纵 向设伸缩缝。纵向伸缩缝能利用 自 身构造适应新 旧桥纵竖 向变形 ， 优化行车条件 。但 其造价较 高 ， 且需 日常养护 ， 桥 面观感较 差 ， 噪声 大 ， 国内应用不多。 近年来随着新材料技术的发展 ，工程上开始 使用 弹性混凝土来作 为新 旧桥拼接 的连接方式 。 弹性混凝土具有优 良的防裂性 、 韧性和耐磨 性 ， 对 许多化学物质具有防腐蚀性，浇注后短时间内即 能开放交通和安装便利等特点，采用弹性混凝土 既能在结构上做 到桥 面铺装层连续 ，利用其 自身 高韧性 的特点来适应新 旧桥间的变形 ，同时抗裂 性 、 消能性能好 ， 能有效地减小 收缩徐变 、 不均匀 沉 降及活载带来 的新旧桥附加内力。 2 弹性混凝土的发展历程及其特性 弹性混凝( E l a s t i c C o n c r e t e ) ， 是一种将微纤维 作为组成材料配制而成 的新型混凝土材料。其模 量是普通混凝土模量的 1 1 0 ， 变形能力 良好 ， 可 以 通过变形来减小车轮的动态 冲击 ，具有很强的耐 久性 ， 耐疲劳及耐磨损特征 。相 比普通混凝土 ， 弹 性混凝 土的抗剪切强度 、柔韧特性和抗冲击特性 优异 ， 会随着荷载及温度等的变化而膨胀、 拉伸 、 收缩或 者变形 ， 从而使桥 面保持变形平顺 ， 具有 良 好的工程力学性能。 弹性混凝土在国外应用较早 。美 国亚利桑那 州立 大学于 1 9 9 9年建 立 了世 界上第一个 弹性混 凝土结构人行步道 ，开启 了弹性 混凝 土路 面研究 的浪潮。截至 2 0 0 7年 ， 美 国密西 根大学研制 出抗 裂性 比目前普通混凝 土高 5 0倍 ，重量轻 4 0 ， 耐 久性高 1 倍 的弹性纤维混凝土 ，并将其用来修 补 某公路桥。目前 ， 弹性混凝 土已在 日本 、 韩 国、 瑞士 和澳大利亚等 国得 到了广泛而成熟的应用 。 我 国对弹性混凝 土的研究起步较晚 ，但近年 来发展迅速 ， 取得 了丰硕的研究成果。1 9 9 7年石家 庄铁道学 院发现橡胶微粒能够显著提高混凝土的 抗冲击性能 。2 0 0 6年上海交通大学发明了道路吸 音高弹性混凝土材料 。近年来 ， 弹性混凝土在国内 道路桥梁上的使用越来越广 ，先后 在伸缩缝改造 及桥面裂缝修补中使用 了弹性混凝 土 ，取得 了很 好的效果 。上海路政部 门还利用弹性混凝 土 良好 的柔韧性来处 理窨井周边混凝 土碎裂 的病害 ， 依 靠其出色 的抗剪能力 ，采用弹性混凝土修补后 即 使当有荷 载通过时， 上下 的振动也不易使其损坏。 弹性混凝土 的破坏模式与普通 昆凝土大相径 庭 。 2 0 0 4年初 ， 天津大学土木工程系进行 了一组实 验 ， 发现试件经过测试之后 ( 即承受过抗压强度荷 载之后) 试件仍就保持原有形状， 并不像普通混凝 土那样立刻碎裂 ，试件表面也看不见有任何破坏 现象。过 3 0 d后将该组试件按原受载方 向接受第 二次抗压试 验 ， 其平均强度基本保持不变 ， 试件仍 维持其原有形状 。 弹性混凝土具有极强的变形能力 ，即使在弯 折 的情况下也只会存在可愈合的细微 裂缝 。一旦 出现裂缝 ， 材料 中的微纤维会从环境 中吸收水汽 ， 使裂 口变软“ 愈合” 。同时 ， 水泥 中钙离子也会生成 碳酸钙 ， 从而使弯折后 的混凝土结构牢 固如初 。因 此 ，采用弹性混凝 土作为新 旧桥梁的纵 向拼接缝 具有极大的技术优越性。 3 弹性混凝土拼接缝的施工工艺 在新 旧桥梁 的纵 向拼接缝 中使用弹性混凝土 其施工工艺如下 ： ( 1 ) 为 了保证新老桥 拼接后 的桥面平整度 ， 应 对老桥桥面铺装层进行铣刨 3 4 c m。 ( 2 ) 施工新建拼宽桥桥面钢筋混凝 土和下层沥 青混凝土铺装。 施工前应在新建拼桥侧留出宽度 b 小 于 1 5 c m的空 间， 以便于无缝拼缝 的施工与清理 。 ( 3 ) 新老桥面层沥青混凝土摊铺施工 。施工前 应在新 老桥两侧 留出宽度 B小 于 4 0 c m 的空 间 ， 以便于无缝拼缝 的施工与清理 。 ( 4 ) 放样切割 4 0 c m( 无缝拼缝 宽度 ) ， 并 彻底 清理沟槽 ， 在整个作业面进行喷砂处理 ， 随后用压 缩空气清理各种杂物 。随后在整个浇注区( 包括钢 件) 涂抹表面粘结剂。 ( 5 ) 在不 同容器 中称量弹性混凝土的各种组成 原材料 ， 并按照配合 比进行混合 。 ( 6 ) 混合均匀 的弹性混凝土应立即浇注到位 ， 并及时用抹子抹平。 ( 7 ) 养护一段时间后开放交通。 纵 向拼接断面参见图 1 。 施工完成的弹性混凝 土纵向拼缝参 见图 2 。 我 国地域广阔 ， 四季温差较大 ， 这要求 弹性混 凝土不仅要在常温下具有 良好 的弹性 ，在极端低 温和高温下也必须具有 良好的弹性。因此 ， 必须合 理控制施工过程 ， 注意施工要点 ， 做到一次成型。 4弹性混凝 土的应 用前景分析 近年来 ， 弹性混凝土技术 逐步成熟 ， 使其具有 很广 阔的应用前景。 ( 1 ) 使用弹性混凝土具有 良好的经济效益 。 弹性混凝 土具有 质量轻及抗 裂性强 的特点 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 l 2 月第 l 2 期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构 6 3 图 2 弹性混凝 土纵 向拼 缝实例 能有效解决桥面耐久性的问题。( 如裂缝 、 剥落等) 目前 ，虽然弹性混凝 土的价格是普通混凝 土价格 的 31 O倍 ，但从路 面寿命和拼接结构 的安全性 长远考虑， 依然是一种经济的选择。随着弹性混凝 土技术 的进步及市场需求 的不断扩大 ，弹性混凝 土制备材料价格必将随着需求量的扩大而降低 ， 使用弹性混凝土可降低工程成本 ，提升桥梁拓宽 拼缝的性能， 从而减少后期养护的费用， 提高结构 的耐久性， 从而获得 良好的综合经济效益。目前， 弹性混凝土在道路桥梁结构 中的使用范 围正在不 断扩大 ，其优 良的抗剪性能及变形恢 复能力必然 会给结构设计带来极大的变革。 ( 2 ) 使用 弹性混凝土具有 良好的社会效益。 使用弹性混凝土还可以在环境保护 ，降低污 染 ， 创造就业机会方面具有 良好 的社会效益 。弹性 混凝土的部分原材料来 自于废 旧轮 胎 ，对废轮胎 进行掩埋 、 焚烧 、 堆放会造成“ 二次污染 ” 。随着我 国汽车业的蓬勃发展 ，若不 能研发 出若 干大量利 用 旧轮胎 的方法 ，将面临旧轮胎废弃堆 置的世界 性难题。通过研发使用弹性混凝土 ， 不仅有可能实 现废 旧轮胎 的消化处理 ，同时可以充分 利用弹性 混凝土 的工程性能 ， 产生 巨大 的经济效益 。因此 ， 将废旧轮胎加工成弹性混凝土制备材料 ，将其变 废为宝是一个可行 的整治方案。 5 结语 弹性混凝 土在我 国处 于快速发展 阶段 。由于 其出色的工程性能， 能有效的降低工程成本 ， 同时 在环境保护 ，创造就业机会等方面也具有 巨大 的 潜力 。将弹性混凝 土运用到既有桥梁 的拓宽改造 上 ，能够在新 旧结构受力 简单 明确 的基础上保证 桥 面通行 的顺畅舒适 ，不失 为解决桥梁拼宽连接 这一技术难题的一种好的尝试。目前 ， 弹性混凝土 价格还比较高， 如何降低其生产成本 ， 扩大弹性混 凝土的使用范围， 将其大规模应用于工程建设 ， 是 一 个值得研究和探索的问题 。 参考 文献 1 】 孙家瑛， 高先芳 弹性混凝土性能研究及在桥梁伸缩缝工程中的 应用【 J 】 工业建筑 ， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 7 8 8 0 【 2 】 汪涛弹性混凝土在桥梁伸缩缝处理中的应用叨 山西建筑， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 3 0 ) ： 2 0 1 2 0 2 【 3 】 成 治纲 关 于弹性混 凝 土应用 的综述 J 】 山西建 筑， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 3 0 ) ： 1 3 3 -1 3 4 【 4 】 朱涵 新型弹性混凝土的研究综述f J 天津建设科技， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 3 5 3 7 【 5 】 宗周 红， 夏 樟华， 陈宜言 ， 等 既有桥梁 拓宽改 造纵 向拼缝 研究现 状与实例分析叨福州大学学报( 自 然科学版) 12 0 0 9 ， 3 7 ( 2 ) ：2 4 8 2 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m