华夫板设计指南-桥面板更换

桥面板更换 4.1 介绍在桥梁使用寿命期间，有必要更换或以其他方式修复现有桥面。可能需要更换的原因包括正常磨损造成的结构缺陷、冻融循环导致的混凝土劣化、除冰化学品渗透造成的损坏（特别是在经历季节性冰冻的中西部和北部各州），以及其他环境因素或出于其他功能考虑，例如为了适应日益增长的交通需求而进行桥梁加宽。

桥面板更换

4.1 介绍

在桥梁使用寿命期间，有必要更换或以其他方式修复现有桥面。可能需要更换的原因包括正常磨损造成的结构缺陷、冻融循环导致的混凝土劣化、除冰化学品渗透造成的损坏（特别是在经历季节性冰冻的中西部和北部各州），以及其他环境因素或出于其他功能考虑，例如为了适应日益增长的交通需求而进行桥梁加宽。

尽管桥面可能需要修复或更换，但通常现有上部结构的其他部分仍然坚固，能够在桥梁剩余使用寿命内充分发挥作用。因此，出现了一个有趣的挑战：在几乎不改变或加强支撑梁和桥墩的情况下拆除和替换桥面。这个过程被称为桥面板更换。

本章讨论了采用UHPC华夫板替换原有现浇混凝土板的桥面板更换工艺。

4.2 预制系统的优势

传统上，美国公路协会采用现浇混凝土建造新的桥面或取代老化的桥面。然而，受施工时间影响，现浇施工存在诸多缺点，包括混凝土凝固需要一定时间、施工要求不合理导致浪费、会造成交通中断，以及存在工人安全等问题。全深度预制混凝土桥面板提供了一种有效替代方案，并具有理想的特性，以帮助解决与现浇施工相关的缺陷。

例如，在维修/更换过程中可以减少交通中断，因为预制构件可以在夜间或周末进行维修/更换工作，使得桥梁能够在高峰时段保持完整的交通状态。还可以通过减少施工人员数量和暴露于移动交通环境下的时间来提高现场安全性。

此外，当需要封闭整个车道的交通时，可以采用分阶段施工以保留部分车道。由于减少了模板架设和混凝土凝固时间，施工时间和成本也随之降低。另外，在受控环境中浇筑桥面板可以提高构件质量。

这些优点使得全深度预制桥面板在过去数十年间备受关注，并已成功应用于超过15个国家的钢混组合梁桥桥面板更换和新建项目中。

尽管如此，预制桥面板的使用并非没有局限性。与现浇施工相比，预制施工可能会引起制造和运输方面的挑战。这些挑战不仅涉及成本，还包括许多交通协调的因素。此外，由于预制施工具有模块化的特性，显然将在桥面板系统中产生许多连接点。这些连接增加了渗漏和水、盐和氯化物渗入桥面板的概率，从而导致桥面板的腐蚀和劣化问题。混凝土桥面板在正常使用载荷下也可能出现裂缝，进一步引发了耐久性方面的担忧。

由于良好的耐久性，将 UHPC 作为预制桥面板的主要材料解决了与传统预制混凝土桥面板施工相关的一些问题，充分发挥了预制构件的相关优势，此外还有一些其他优点。

与普通混凝土或 HPC 相比， UHPC 具有优越的结构特性，可以显著减小尺寸。与华夫格结构相结合，可以使桥面板更轻，便于施工吊装，提高了整体结构效率。

与传统混凝土板相比，这些更高强度的桥面板提高了耐久性能，降低了开裂的概率。如第 3 章所述，使用 UHPC 填充接缝可以简化连接构造，并具有出色的长期耐久性。

4.3 现行方法

大多数桥梁更换桥面板都遵循几个常见的施工步骤。以下步骤假设需拆除原有的现浇混凝土桥面板，并替换为新预制桥面板：

1. 拆除、运输并处理原现浇混凝土桥面板；
2. 拆除现有的主梁水平剪力连接件；
3. 整备主梁的新水平剪力连接细节；
4. 设计并预制新的桥面板；
5. 运输预制桥面板至现场；
6. 在现有桥梁结构上架设桥面板；
7. 浇筑横向湿接缝；
8. 在桥面板预留孔中安装剪力连接件；
9. 对桥面板纵向预应力钢束进行后张拉，如有横向预应力钢束，进行横向后张拉；
10. 灌浆桥面板预留孔以使水平剪力连接件发挥作用；
11. 桥面连续和伸缩缝施工；
12. 护栏和铺装层施工。

大多数用于桥面板更换的预制板都是预应力板。通常情况下，在预制过程中，这些桥面板先进行横向钢束张拉，然后运输到现场，安装到主梁上之后进行纵向钢束的后张拉。

预应力的优点众所周知，包括增加构件的抗弯和剪切强度，以及消除 / 减少开裂并提高耐久性。特别是后张拉工艺，通过在板材之间的横向接缝处创建连续性，实现了跨接头的弯矩传递。然而，后张拉成本高且需要大量人力，因此在这里为了经济性和连接施工方便而不予考虑。

在更换桥面板之前，有必要对桥面板以及相邻板之间的纵向和横向接缝进行设计分析，本文相关章节已进行了阐述（参见第 2 章和第 3 章）。

桥面板更换的一个关键部分是在现有上部结构和新预制板之间提供水平剪力连接，以确保满足设计中组合结构的假设。本节的其余部分将讨论上述一些标准程序，并说明如何在安装预制 UHPC 华夫板时使用剪力连接件。同时，还提供了确保主梁和华夫板之间通过水平剪力连接实现复合行为的详细信息和建议。

4.4 现有桥面板和剪力连接件的拆除

在安装新的预制桥面板之前，必须将原有的现浇混凝土桥面板与主梁结构分离并拆除。如果现有的桥面板通过剪力连接件与主梁形成组合结构，必须定位剪力件并清除周围的混凝土。由于现浇施工的特性，必须将现有的桥面板切割成便于拆除的尺寸。在选择操作设备时，应满足能够在不损坏上部结构的情况下移除现有桥面板。

因为在拆除桥面板的过程中曾出现过预应力主梁上翼缘板受损的情况，因此推荐使用切割或锯断的方法而不是使用凿岩机。此外，在切割过程中应密切监控，避免切割过深破坏钢梁顶板。

接下来，根据需要拆除现有的剪力连接件，避免与新的预制桥面板产生干扰。在许多情况下，需要完全拆除现有的剪力连接件。对于钢梁结构，水平剪力连接件采用剪力钉的形式。应在靠近底部处进行切割，并进一步打磨剩余部分以彻底清除。对于混凝土梁结构，典型的水平剪力连接件是从梁顶部留出传统加强钢筋，并浇筑进现浇桥面板中。应尽可能靠近梁顶部处将这些加强筋进行切割。

拆除现有的剪力连接件后，无论是钢梁还是混凝土梁，都应进行彻底清理，除去梁顶的旧桥面板残留物。图 67 和图 68 展示了现浇混凝土桥面板的拆除过程。图 69 显示了在更换桥面板过程中必须拆除的大量加强筋。

图 67 拆除前用手提钻敲打桥面板部分

图 68 用起重机移除锯下的桥面板

图 69 现有上部结构拆除桥面板后剩余的钢筋

4.5 水平剪力连接细节

在两个相邻的构件之间，界面处的水平剪切强度对于提供组合作用至关重要。在桥面板和支撑结构之间，设置水平剪力连接件，实现主梁和桥面板系统的组合行为，防止主梁和桥面板之间分离。

通常情况下，在现浇混凝土施工中，剪力连接件沿着主梁梁长方向均匀分布，然后在其上浇注混凝土板。然而，由于预制桥面板的施工和安装特性，这种布置并不实际。相反，在预制施工中，桥面板在特定间隔处留有预留孔或槽口，并在这些预留孔或槽口内提供剪力加劲群，随后灌浆以实现板和主梁之间的连接。这些预留孔或槽口在图 70 中进行了说明，该图显示了一块置于钢梁上的桥面板，类似于现场安装 UHPC 华夫板的操作（参见图 5 ）。

在槽口中的灌浆达到足够强度后，就形成了组合结构。

在梁桥中提供水平剪切连接件有几种选择，主要取决于上部结构梁是钢梁还是混凝土梁。以下是一些对各种连接的建议和讨论。

图 70 用于安装预制桥面板的剪力件槽口

4 .6 钢梁桥

在钢梁桥中，最常用的方案是通过焊接在钢梁上翼缘的剪力钉来实现主梁和桥面系之间的连接。这些剪力钉埋入桥面板中具有足够的高度以提供充分的锚固作用。犹他州交通部建议使用直径为 3/4 英寸的剪力钉，而过去三十年来在公路桥梁中最常见的剪力钉尺寸是 7/8 英寸直径。（ 58 ）

犹他州交通部建议剪力钉的长度应根据以下标准确定：剪力钉螺帽底部不低于桥面板中点位置，并保证 3 英寸或至少四倍直径的保护层厚度。另一项研究建议，剪力钉应至少深入板内 5 英寸，以防止剪撬破坏。（ 59 ）

由于预制桥面板系统中的剪力连接件必须位于与预留孔相对应的离散位置上，其间距比现浇施工要大得多，后者沿梁长方向均匀分布。因此，为了在桥面板和主梁之间提供足够的剪切强度，剪力钉被集中在剪力预留孔中，而不是单独布置。图 71 展示了桥面板剪力预留孔中剪力钉的集群布置情况。

图 71 预留孔内的剪力钉布置

根据当前的 AASHTOLRFD 桥梁设计规范（第 6.10.10.1.2 条），剪力连接件之间的间距不得超过 24 英寸。（ 27 ）规范没有区分单个连接件和连接件群之间的间距要求。设计人员通常将此规定适用于两种情况。然而，这个规范是基于 30 多年前的研究，最近一直存在争议。（ 58 ）

在 NCHRP 的 12-65 项目中，研究人员经测试得出结论：当提供了围绕连接件群集的灌浆约束时，连接件群集的最大间距可以延长到 48 英寸，该结论适用于 7/8 英寸和 1 1/4 英寸直径的连接件。这种间距在威斯康星州麦迪逊市的 90 号州际公路 Door Creek 桥的桥面板刚换项目中已成功实施。（ 53 ）

增加剪力连接件预留孔的间距具有多种优势：简化和加快板材制作过程，减少灌浆用量，降低成本和施工时间，减少桥面板 / 灌浆界面水渗漏的可能性，并增加所需横向加固布置的灵活性。此外，测试表明，使用 11/4 英寸直径的连接件而不是 7/8 英寸直径的连接件可以将连接件数量减少约 50 ％，剪力预留孔尺寸减少 40 ％，进一步提高经济性。这种方法在内布拉斯加州得到成功应用。（ 58 ）

4.7 混凝土梁桥

对于混凝土梁桥，通常通过伸出主梁顶并埋入板面板的传统普通钢筋提供水平剪力连接。当然，也可以采用与钢梁桥类似的剪力连接件，将剪力钉焊接到钢板上预埋在混凝土梁中。

在桥面板更换项目中，犹他州交通部建议在灌浆槽口中布置 T 型头部的低碳钢钢筋（ 61 ）。推荐的钢筋尺寸为 #6 或等效尺寸，头部尺寸能够充分发挥钢筋的性能。建议埋入深度为 6 5/8 英寸，以提供至少 26.4 kip 的拉力，该数值基于钢筋在拉伸状态下完全发挥屈服强度。

剪力连接件需要埋入钻孔 / 灌浆孔以及预制桥面板中达到足够深度，以根据水平荷载传递的剪切摩擦理论发挥钢筋的全部拉伸强度。弗吉尼亚理工大学研究发明了一种非常方便的后安装连接构造，采用将连接钢筋一端埋入环氧树脂填充的钻孔中。（ 59 ）在该研究中， #5 号钢筋埋入环氧灌浆孔中的深度为 5 英寸，埋入 5000psi 预制混凝土桥面板中的深度为 5.5 英寸； #6 号钢筋埋入环氧灌浆孔中的深度为 6.5 英寸，埋入预制桥面板中的深度为 5.25 英寸。图 72 展示了这种连接构造，可用于将预制桥面板安装在混凝土梁桥上。

图 72 后安装钢筋的剪力连接件

4.8 采用 UHPC 华夫板桥面

作为桥面板更换工序的一部分，在进行表面处理并将剪力钉或加强筋等连接元素安装到现有主梁后，可以继续进行 UHPC 华夫板的安装。这个过程与在新建桥梁中没有任何区别（参见第 2 章和第 3 章）。华夫板和剪力连接件的尺寸需要使用前几章推荐的设计程序进行详细设计。在此过程中，可以使用推荐的加固件和剪力钉长度，而不是典型全深度预制混凝土板所推荐的长度。