一种采用UHPC修复受腐蚀桥梁主梁端板的构造和修复方法

一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的构造和修复方法
技术领域
1.本发明属于腐蚀桥梁修复加固技术领域，具体涉及一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的构造和修复方法。


背景技术：

2.桥梁主梁端板位于桥面与桥梁支座之间。当桥梁主梁端板锈蚀严重，截面损失较大时，必须采取修复和加固措施。对于锈蚀构件的加固方法有:(1)利用外贴钢板补强；(2)更换锈蚀部分钢板。贴板与更换新板的固定方式可采用焊接或高强度螺栓连接，根据施工时的具体情况选择。从施工性能和质量管理的角度考虑，采用高强度螺栓的情况较多。当采用高强度螺栓连接时，应注意以下三点：(1)贴板面的处理；(2)螺栓的拧紧顺序；(3)对锈蚀面锈蚀间隙的处理。
3.用贴板法进行加固时，由于被腐蚀板表面凹凸不平，与贴板之间不能紧密接触，无法期待其充分发挥摩擦的作用，因此有时对贴板的连接采用粘接与高强螺栓并用的方法。
4.当用新板更换锈蚀部位时，应对维修时和其后的应力传递机理进行研究。对于工字钢型钢梁桥板上的漏水引起工字型钢梁腹板下部及下翼缘的锈蚀，有时不设置临时支托，而是直接设置大于损伤面积的旁通板，然后切除受损部分，固定新板件，恢复工字钢原型的作法。
5.在维修加固完后，应釆取措施防止再度生锈。因为伸缩装置和排水装置的漏水引起生锈的情况很多，因此应该采取构造措施根除生锈原因。另外由于桥台前倾堵塞伸缩缝隙，排水管被土砂所埋，使路面排水流入箱梁内的情况也时有发生，这时可釆取措施拆除下翼缘增设新翼缘或另加贴板。
6.然而，这种方法给实际工程带来了一个明显的限制：在修复过程中需要切除受腐蚀部分，此时对旧有桥梁的承载力造成削弱，对新板进行焊接过程中可能会导致钢材的缺陷；由于钢梁腹板负责传递应力，受腐蚀的梁端板无法承受荷载，这样会在腐蚀区域附近造成应力集中，进一步加剧钢梁的破坏，缩短了梁端板的使用寿命；最重要的是，修复完成后钢板依旧会腐蚀，即无法根除生锈的原因。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的构造，受腐蚀梁端板的应力较低，具有较强承载力，梁端板不易生锈腐蚀，延长梁端板的使用寿命。
8.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的修复方法，通过该方法可以明显降低受腐蚀梁端板的应力，提高梁端板承载力，避免梁端板生锈腐蚀，延长梁端板的使用寿命。
9.本发明目的通过以下技术方案实现：
10.一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的构造，其中，主梁端板下端抵接于桥梁
支座，包括主梁端板和uhpc，主梁端板包括受腐蚀腹板和未腐蚀腹板，未腐蚀腹板上间隔焊接有多个抗剪螺栓；uhpc浇筑于主梁端板，覆盖于受腐蚀腹板和未腐蚀腹板且包裹多个抗剪螺栓，uhpc下端抵接于桥梁支座。
11.进一步，多个抗剪螺栓交错矩阵布置。
12.进一步，抗剪螺栓的布置高度为全高布置。
13.一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的修复方法，包括以下步骤，清理桥梁主梁端板上受腐蚀腹板；
14.在主梁端板的未腐蚀腹板上间隔焊接多个抗剪螺栓；
15.在主梁端板上浇筑uhpc，使uhpc覆盖受腐蚀腹板和未腐蚀腹板且包裹多个抗剪螺栓，uhpc下端抵接于桥梁支座；
16.利用uhpc和抗剪螺栓的复合作用，使主梁端板受到的荷载由主梁端板上未腐蚀的腹板依次经过抗剪螺栓和uhpc传递到桥梁支座。
17.进一步，根据抗剪螺栓的抗剪强度和未腐蚀腹板的目标能力来确定抗剪螺栓的数量，uhpc中单个抗剪螺栓的抗剪强度按下式确定：
[0018][0019][0020]
其中，pu为抗剪螺栓的抗剪强度；a
sc
为抗剪螺栓柄的面积；fu为抗剪螺栓极限抗拉强度；f
′c为uhpc的最小设计抗压强度；db为抗剪螺栓柄的公称直径；β取0.0119；
[0021]
所需要的抗剪螺栓数量按下式计算：
[0022][0023]
其中，为0.85，vn为梁端部设计剪力。
[0024]
进一步，抗剪螺栓与受腐蚀腹板之间的距离应满足避免局部应力集中。
[0025]
进一步，在主梁端板上浇筑uhpc包括以下步骤，
[0026]
制备uhpc模板，在模板上留出浇筑口，在桥梁主梁端板现场组装时从模板的顶部开始浇筑，uhpc浇筑后养护到设计强度后脱模。
[0027]
进一步，主梁端板比模板高80-120mm，模板比主梁端板宽80-120mm，模板比主梁端板厚80-120mm。
[0028]
进一步，现场组装模板前包括以下步骤，检验模板是否可以承受uhpc的静水压力。
[0029]
进一步，从桥梁下方往上或从桥面上往下将uhpc输送到模板中。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031]
利用uhpc和抗剪螺栓的复合作用，梁端板上的荷载先由未腐蚀的腹板传递到抗剪螺栓上，再由抗剪螺栓传递到uhpc，然后通过uhpc传递到桥梁支座，使得荷载的传导绕开受腐蚀的梁端板，有效降低了受腐蚀部位的应力水平，荷载由钢梁腹板和uhpc共同承担，提高梁端板承载力。uhpc密集填充低渗透性，防止水分到达现有的腐蚀钢，尽量减少未来的腐蚀，延长梁端板的使用寿命。
附图说明
[0032]
图1为锈蚀板梁uhpc修复示意图；
[0033]
图2为钢梁受腐蚀后传力路径示意图；
[0034]
图3为uhpc修复后传力路径示意图；
[0035]
图4为uhpc修复流程示意图；
[0036]
图5为抗剪螺栓焊接示意图；
[0037]
图6为uhpc修复前钢梁应力云图；
[0038]
图7为uhpc修复后仅钢梁应力云图；
[0039]
图8为uhpc修复后钢梁和uhpc的应力云图；
[0040]
图9为施工流程图。
具体实施方式
[0041]
下面对本发明作进一步详细的描述。
[0042]
如图1所示，一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的构造，其中，主梁端板下端抵接于桥梁支座，包括主梁端板和uhpc，主梁端板包括受腐蚀腹板和未腐蚀腹板，未腐蚀腹板上间隔焊接有多个抗剪螺栓；uhpc浇筑于主梁端板，覆盖于受腐蚀腹板和未腐蚀腹板且包裹多个抗剪螺栓，uhpc下端抵接于桥梁支座。
[0043]
利用uhpc和抗剪螺栓的复合作用，梁端板上的荷载先由未腐蚀的腹板传递到抗剪螺栓上，再由抗剪螺栓传递到uhpc，然后通过uhpc传递到桥梁支座，使得荷载的传导绕开受腐蚀的梁端板，有效降低了受腐蚀部位的应力水平，荷载由钢梁腹板和uhpc共同承担，提高梁端板承载力。uhpc密集填充低渗透性，防止水分到达现有的腐蚀钢，尽量减少未来的腐蚀，延长梁端板的使用寿命。
[0044]
如图4所示，一种采用uhpc修复受腐蚀桥梁主梁端板的修复方法，包括以下步骤，
[0045]
清理桥梁主梁端板上受腐蚀腹板；
[0046]
在主梁端板的未腐蚀腹板上间隔焊接多个抗剪螺栓；
[0047]
在主梁端板上浇筑uhpc，使uhpc覆盖受腐蚀腹板和未腐蚀腹板且包裹多个抗剪螺栓，uhpc下端抵接于桥梁支座；
[0048]
利用uhpc和抗剪螺栓的复合作用，使主梁端板受到的荷载由主梁端板上未腐蚀的腹板依次经过抗剪螺栓和uhpc传递到桥梁支座。
[0049]
uhpc(超高强度混凝土)是一种相对较新的建筑材料，作为一种修复材料具有独特的潜力。uhpc目前被定义为抗压强度大于150mpa(21.7ksi)，持续开裂后抗拉强度大于5mpa(0.72ksi)，并且使用不连续的钢纤维钢筋(通常为2％)，水-胶凝材料比小于0.25。直径在150至500μm之间的细砂粒为uhpc中的骨料。这些材料与硅粉、磨石英和高效减塑剂相结合，使uhpc成为一种密集包装和可流动的混凝土混合物。uhpc具有流动性大、抗压强度较高、抗疲劳性强和耐久性强等特点。
[0050]
uhpc的以上特性使其在修复过程中有如下优点：
[0051]
(1)uhpc具有足够的流动性，由于现场条件复杂且梁端板位置钢板较多，uhpc的高流动性可以使其充满所有需要填充的空隙。
[0052]
(2)uhpc足够坚固，可以提供固体压实，并锁定弱化和松散的钢板(包括垫片板)，
以抵抗难以预测的局部应力。
[0053]
(3)uhpc具有一定程度的抗拉强度和延性，可以尽量减少开裂，并避免在顶升操作过程中因应力反转而被压碎。
[0054]
(4)uhpc密集填充低渗透性，防止水分到达现有的腐蚀钢，尽量减少未来的腐蚀。
[0055]
受腐蚀的梁端板无法承受荷载，受腐蚀后的传力路径如图2中箭头所示，这样会在腐蚀区域附近造成应力集中，进一步加剧钢梁的破坏。
[0056]
本实施例利用uhpc和抗剪螺栓的复合作用，使得荷载的传导绕开受腐蚀的梁端板，通过抗剪螺栓和uhpc传递到支座上，如图3中箭头所示，从而有效降低了受腐蚀部位的应力水平。
[0057]
从应力云图可见，修复以后，施加在梁端板上的所有附加结构荷载大部分由uhpc传递至支座。在未经uhpc修复前，如图6所示，钢梁腹板负责传递应力，经uhpc修复后，如图7所示，钢梁腹板的应力明显降低，荷载由钢梁腹板和uhpc共同承担，如图8所示。
[0058]
修复后的性能与抗剪螺栓的总量有关。将荷载从梁端板传导到uhpc上主要依靠二者之间的剪力，故在此需要焊接抗剪螺栓使得梁端板上的荷载通过抗剪螺栓传到uhpc上，即荷载先由未腐蚀的梁端板传递到抗剪螺栓上，再由抗剪螺栓传递到uhpc。
[0059]
如图9所示，修复方法的具体步骤包括如下：
[0060]
1.确定uhpc尺寸
[0061]
(1)uhpc的厚度
[0062]
uhpc的厚度比桁架端隔板的底弦的宽度更宽，底面必须与梁的底部相同或更低，以确保在损坏区域上有一块整体的uhpc。
[0063]
(2)uhpc的宽度
[0064]
要求uhpc完全包裹受腐蚀部分，并留有足够的富余。
[0065]
2.布置抗剪螺栓
[0066]
uhpc的修复性能直接依赖于抗剪螺栓的总容量，因为腹板、抗剪螺栓和uhpc面板之间的相互作用是传递承力的主要机制。抗剪螺栓的数量是根据单个单头抗剪螺栓的能力和未损坏板梁的目标能力来计算的。uhpc中单个抗剪螺栓的抗剪强度按下式确定：
[0067][0068][0069]
其中，pu为抗剪螺栓的抗剪强度；a
sc
为抗剪螺栓柄的面积；fu为抗剪螺栓极限抗拉强度；f
′c为uhpc的最小设计抗压强度；db为抗剪螺栓柄的公称直径；β取0.0119；
[0070]
最终所需要的螺栓数量按下式计算：
[0071][0072]
其中，为0.85，vn为梁端部设计剪力。
[0073]
抗剪螺栓的数量应按照桥梁设计荷载进行计算，并保证总抗剪螺栓承载力高于竖向承载力。将抗剪螺栓焊接到梁端未受腐蚀的腹板上，如图5所示，同时应保证抗剪螺栓距离受损区域足够远，以防止局部应力集中。多个抗剪螺栓交错矩阵布置，以减少薄腹板上的应力。抗剪螺栓的布置高度为全高布置。
[0074]
3.制备uhpc模板
[0075]
uhpc所使用的模板采用胶合板和木材建造，以方便现场实施。对模板需要留出浇筑口，即模板高度为梁高减去100mm以保证uhpc可以浇筑。模板的宽度和厚度应比钢板稍大约100mm以保证uhpc能完全包裹住钢板。由于uhpc的流变特性，模板需要防水。压缩密封、环氧树脂和填缝被用来密封和填补任何空隙，特别是在腐蚀区域。
[0076]
现场组装模板时，应先在空地组装浇筑，并浇满水以检查模板是否有漏洞以保证在浇筑uhpc时不会溢出，同时也用于检验模板是否可以承受uhpc的静水压力。
[0077]
4.浇筑uhpc
[0078]
现有技术的修复过程中，施工周期较长对交通造成不便，通常需要使用临时支撑，临时支撑的搭设对某一些桥梁不方便。
[0079]
本实施例的修复过程不需要搭建辅助支撑，可以减少交通中断和防止车道关闭所带来的交通影响。
[0080]
uhpc将从模板的顶部浇筑。在桥梁下方允许时，可以将uhpc从下方运送上去。当条件不允许时，将uhpc从车道上输送到模板中。在浇筑过程中，正在进行uhpc修复的横梁正上方的车道将受到限制。
[0081]
uhpc浇筑后养护到设计强度后脱模。
[0082]
本实施例具有以下优点：
[0083]
(1)uhpc具有高强性，可以提供足够的联结强度使得受腐蚀削弱的板件得到补强以承受巨大的局部集中力，同时可以达到原设计强度。本发明采用的是等强的设计原则，设计uhpc外包层目的是达到原有设计强度。
[0084]
(2)uhpc具有高流动性，可以很好地在有限的空间包裹住桥梁主梁端板腐蚀部分，无需设置辅助支撑，很好地适用于各种桥梁下方不便于设置支撑的情况。此外，可用于修复具有复杂几何形状和配置的钢桥。
[0085]
(3)uhpc可以形成有效的保护层，保护钢板不受空气的腐蚀。可以从根本上解决钢板生锈的问题。
[0086]
(4)施工简便，可以在现场实施，减少了大量的焊接工作以减少交通中断和防止车道关闭所带来的交通影响。
[0087]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。