在役PC寬幅空心板破壞性試驗研究及豎向預應力抗剪加固技術探討

鄭世虎 周洋 葉飛

摘要：20世紀九十年代中期，PC變截面寬幅空心板以其優越的經濟性能在我國公路橋梁建設中得到廣泛應用，并在浙江各市縣迅速普及。然而隨著橋梁運營時間的推移，PC寬幅空心板結構挖空率過大、板壁較薄、自身抗力不足等構造缺陷問題逐漸暴露出來，并造成該類空心板的病害問題日益嚴重。本文對金華市在役PC變截面寬幅空心板的使用現狀進行了詳細的調查及檢測，調查結果顯示該類橋梁病害情況較為嚴重，且具有一定的普遍性。通過空心板破壞性試驗及有限元模擬，研究空心板病害及產生原因、在役空心板承載能力及結構破壞形式，為該類空心板的承載力評估及加固提供參考。

關鍵詞：PC變截面寬幅空心板 破壞性試驗 承載力 混凝土開裂 抗剪加固 豎向預應力

衣食住行，是人類社會生存與發展的基本要素。橋梁作為交通線上的重要工程實體，自古便有“山無徑跡，澤無橋梁，不相往來”的說法，它是連接道路、鐵路、渠道、管線，跨越天險和其他人工障礙的交通樞紐，與社會進步相輔相成，對促進經濟發展和加強文化交流有著不可替代的重要作用。

從對天生橋的利用到人工造橋，這是一個歷史的飛躍過程。然而隨著時間的推移，人們越來越多的關注到一個新的問題：橋梁結構病害。我國正處于新建橋梁與橋梁維修的過度期，橋梁加固技術的研究已成為現階段的重要課題，如何有效的對病害橋梁進行評定，準確的對橋梁承載力進行估算更顯得尤為重要。

1.PC變截面寬幅空心板橋簡介

預應力空心板具有結構形式簡單，截面效率高，整體性能好，截面抗扭剛度大等特點。較大的頂、底板混凝土面積可以有效承受正負彎矩，良好的傳力性能使空心板的各部件可以共同工作，有效增加了構件的抗扭能力，能夠獲得較好的荷載橫向分布，同時，空心板便于標準化生產，適于布置預應力管線，適合懸臂施工法、推頂法等現代化施工法。基于這些優點，空心板在橋梁建設中的應用非常廣泛。PC變截面寬幅空心板結構是上世紀90年代中期新興的一種結構，其雛形是1993年在京石高速公路設計中提出的預應力混凝土箱型板，但由于技術問題未被采用。

與普通空心板梁相比，變截面寬幅空心板的梁高較低，可以節約空間，有效增大橋梁凈空。寬幅空心板板壁較薄，挖空率大， 自重相對較輕，經濟性能好。同時，由于板寬較大，在運輸、安裝、維修等方面效率也相應提高，相對于普通1m寬空心板綜合造價可降低10%以上。基于以上優勢，寬幅空心板在我國一些高等級公路建設中，尤其是平原以及橋梁凈空受限制的地區被普遍采用。

2.寬幅空心板病害解剖試驗及病害機理分析

2.1白洋渡公跨鐵立交橋工程概況

白洋渡公跨鐵立交橋位于44省道上茭道至松陽二級公路上，跨越金溫鐵路。橋梁全長603.88m，上跨鐵路部分為1孔20m預應力混凝土空心板結構，其余均為石拱橋結構。該橋設計荷載為汽-20，掛-100，工程于1994年3月開工，1995年6月竣工。橋梁標準橫斷面布置為：0.45m（石欄桿）+1.2m（人行道）+0.35m（波形護欄）+14.0m（行車道）+0.35（波形護欄）+1.2m（人行道）+0.45m（石欄桿），總寬18.0m。上跨鐵路的主橋橫橋向共12塊空心板梁，橋面凈寬為14.0m。橋面橫坡為雙向1.5%。

2.2白洋渡公跨鐵立交橋病害成因分析

（1）橋面縱、橫向裂縫

預制空心板梁橋的鉸縫處受力復雜且比較薄弱，最容易受到破壞和侵蝕。鉸縫處產生縱向裂縫主要有以下幾個方面的原因：梁板鉸縫尺寸較小，橫向聯結薄弱，以及車輛頻繁超載，導致鉸縫被剪壞，加上橋面鋪裝與大氣層直接接觸，氣溫的變化和雨水的滲入，進一步加速了裂縫的發展。縱向裂縫的存在降低了梁板的整體受力性能，進一步加快了空心板跨中附近出現橫向裂縫的速度。

（2）底板縱向裂縫

鑒于空心板縱向裂縫較多的現象，近年來很多學者對縱向裂縫的產生原因做了細致研究，邵旭東等人通過有限元理論計算與實橋荷載試驗對比得出空心板由于板壁較薄，板間剛度低，橫向鋼筋布置較少，橫向抗力較小等原因造成空心板畸變應力偏大，引起板底縱向開裂的結論；

3.寬幅空心板抗彎破壞性試驗研究與模擬分析

3.1加載裝置設計

破壞性試驗采用千斤頂、枕木、工字鋼、傳感器、鋼絞線和地錨裝置等構成加載體系，通過地錨裝置將千斤頂產生的壓力以反力的形式施加給縱向工字鋼，并通過枕木用于空心板結構。

試驗前對空心板的原有裂縫進行標記，繪制原始裂縫圖，詳細標明裂縫長度、寬度及坐標等。

3.2空心板抗彎承載力分析

（1）抗彎承載力試驗結果

結構加載至520kN時，空心板跨中附近出現數條寬度大于3mm的裂縫，并形成多條貫通腹板的倒U形裂縫，且有混凝土壓碎現象，最終宣布結構破壞。以此為依據判斷現場加載試驗得到的空心板極限抗彎承載力為2666kN·m。

（2）抗彎承載力ANSYS模擬結果

通過ANSYS模擬分析，PC變截面寬幅空心板施加的極限荷載為488kN，同時考慮自重產生的彎矩為482kN·m，則極限抗彎承載力為2556 kN·m。

4.結論

本文基于PC變截面寬幅空心板解剖試驗與單板破壞性試驗的試驗結果，結合ANSYS軟件缺陷性建模分析，系統分析了金華市白洋渡公跨鐵立交橋的病害情況，通過對比單板破壞性加載試驗結果與軟件模擬得到的數據，研究了病害寬幅空心板的承載能力。針對寬幅空心板抗剪承載力不足的狀況，提出施加體外豎向預應力的抗剪加固方法，并通過試驗、規范計算、ANSYS模擬等方法進行了加固效果評定。對于PC變截面寬幅空心板，本文所做研究具有一定的通用性，可以為今后的設計及加固工作提供參考。研究成果如下：

（1）本文通過對白洋渡公跨鐵立交橋部分寬幅空心板進行解剖試驗，證明該類空心板存在波紋管下灌漿不密實、波紋管灌漿不飽滿、波紋管保護層厚度為3.6mm小于規范4mm的限值等缺陷，同時通過對金華市所有在役寬幅空心板橋梁的病害調查，證明該類橋梁的病害類型較為相似，病害情況具有普遍性，。

（2）本文所采用缺陷建模方法對模擬破壞性抗彎試驗較為準確，模擬結果與現場試驗較為接近。對比分析表明，試驗寬幅空心板存在較多微裂縫，導致試驗空心板初始剛度較低，約為ANSYS模擬結果的82.8%。但剛度退化分析顯示，試驗空心板的剛度退化速度較慢，現場試驗與軟件模擬得到的空心板后期剛度較為接近。抗彎承載力的試驗值與軟件模擬值均大于按照規范計算的結果，試驗結果與按照規范計算結果相比有9.8%的富裕度。

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