空心板鉸縫失效機(jī)理與處治

張 萍

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

由于空心板梁預(yù)制工藝簡單、安裝方便、造價較低以及建筑高度較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此空心板梁橋在各類公路工程中廣為應(yīng)用。20 世紀(jì)90年代，我國有很多公路橋梁建成通車，隨著橋梁服役年限的增長和交通量的劇增，近幾年混凝土空心板梁橋出現(xiàn)了大量的病害，并有加劇的趨勢。在這些病害中，由于混凝土鉸縫薄弱導(dǎo)致的病害占很大比例。橋梁的結(jié)構(gòu)受力分析主要由承重結(jié)構(gòu)(主梁)及傳力結(jié)構(gòu)(橫梁、橋面板)兩大部分組成。多片主梁依靠橫梁和橋面板聯(lián)成空間整體結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)的空間整體性，當(dāng)橋上作用荷載時，各片主梁將共同參與工作，形成各片主梁之間的內(nèi)力分布。空心板梁橋的傳力結(jié)構(gòu)主要依靠空心板之間的鉸縫和橋面板。空心梁板在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時，需要將橋面承受的車輛荷載通過橫向分布系數(shù)分配至各片梁板上，具體系數(shù)的數(shù)值和梁板間連接形式及其效果有關(guān)。其力學(xué)理念就是將整幅的梁板看作一個共同受力的整體，通過其相互間變形協(xié)調(diào)的程度來決定分配比例，而鉸縫就承擔(dān)著梁板間傳遞內(nèi)力并約束位移的關(guān)鍵作用。鉸縫直接關(guān)系著空心板梁上部結(jié)構(gòu)的整體受力性能，鉸縫病害最極端的情況，將出現(xiàn)空心板“單板受力”，從而導(dǎo)致空心板承受大于設(shè)計(jì)荷載的外力，危及結(jié)構(gòu)安全。一直以來，鉸縫問題沒有引起廣大技術(shù)人員的足夠重視，致使許多橋梁因此而過早損壞，造成了很大的損失。

1 鉸縫失效的機(jī)理分析

1.1 鉸縫受剪截面小

從空心板梁截面構(gòu)造上，早先國內(nèi)板梁常用鉸縫的形式有無鉸縫或小鉸縫，其連接示意如圖1。空心板通過鉸縫傳遞剪力，形成空間整體受力結(jié)構(gòu)。如果鉸縫受剪截面過小，則會因抗剪強(qiáng)度不足而破壞。圖1 和圖2 列出兩種鉸縫形式受剪截面均較小。無鉸縫連接依靠橋面鋪裝來傳遞剪力;小鉸縫連接的鉸縫承擔(dān)小部分剪力，大部分剪力由橋面鋪裝來承擔(dān)。橋面鋪裝層厚度一般為8～12 cm，抗剪能力較弱。雖然鉸縫處鋪裝層內(nèi)一般都沒有板頂預(yù)埋鋼筋搭接，但由于混凝土截面過小還是極易引起鉸縫開裂破壞。

1.2 鉸縫新舊混凝土粘結(jié)不良

圖1 無鉸縫示意圖

圖2 小鉸縫示意圖

鉸縫混凝土與與預(yù)制空心板間的連接為新舊混凝土結(jié)合問題，需解決好粘結(jié)力問題。目前在橋梁施工現(xiàn)場中鋼模被普遍使用，澆筑成型的梁表面較光滑，一些單位對混凝土表面不經(jīng)處理，在光滑的鉸縫壁面上直接澆筑鉸縫混凝土。這樣就可能會因?yàn)樾屡f混凝土間的粘結(jié)不良而導(dǎo)致鉸縫混凝土開裂、剝離和脫落，從而使鉸縫喪失傳遞荷載而失效。

1.3 鉸縫混凝土澆筑不密實(shí)

空心板梁間的鉸縫一般都較狹窄，施工中鉸縫澆筑混凝土不易振搗，振區(qū)混凝土不易保證密實(shí)。鉸縫間的模板安裝不到位，特別是空心板梁支座處的端模板在混凝土澆筑中易滲漏砂漿，造成鉸縫混凝土出現(xiàn)蜂窩和空洞，甚至出現(xiàn)局部混凝土完全漏光。鉸縫作為梁板連接的混凝土后澆帶，其應(yīng)力情況較復(fù)雜，鉸縫混凝土不密實(shí)或內(nèi)部存在空洞，受力時，將加劇應(yīng)力集中現(xiàn)象，易導(dǎo)致鉸縫提前破壞。

1.4 交通量過大

交通量過大尤其是重車及超限重車的頻繁通過，也是產(chǎn)生橋梁鉸縫提前破裂的一個重要因素。目前汽車超載現(xiàn)象相當(dāng)普遍，導(dǎo)致許多橋梁過早損壞。超載使汽車軸重大幅增加。梁板間需傳遞的剪力也跟著大幅增加，鉸縫及鋪裝會因無法承受如此大而頻繁的剪切作用而破壞。

2 鉸縫失效過程

鉸縫失效在時間上有一個過程。從裂縫的出現(xiàn)到無法傳遞剪力是鉸縫從開始失效到完全失效的過程，時間短則一年，長則幾年或更長。如果因?yàn)樾屡f混凝土粘結(jié)不良而導(dǎo)致鉸縫脫落，則鉸縫的失效過程更快。

(1)鉸縫的抗剪強(qiáng)度除了本身混凝土質(zhì)量以外，在很大程度上取決于新舊混凝土間的粘結(jié)力和摩阻力，其中摩阻力=垂直力×摩阻力系數(shù)。首先是鉸縫混凝土微裂紋逐漸擴(kuò)展形成通縫，通縫引導(dǎo)橋面鋪裝開裂，接著裂縫沿鉸縫縱向開展。裂縫的出現(xiàn)不等于鉸縫傳荷馬上失效(此時開裂面混凝土粘結(jié)失效)。但裂縫斷裂面上集料的嚙合作用(摩阻力尚存在)，還可部分傳遞剪力。

(2)隨著外部荷載繼續(xù)作用，裂縫逐漸張開變寬，裂縫斷裂面發(fā)生剪切摩擦，斷裂面的粗糙面被磨平(摩阻力失效)，鉸縫則因無法傳遞剪力而完全失效。

(3)當(dāng)雨水滲入斷裂面，沿著游離石灰中有銹跡鉸縫混凝土裂縫流下，溶解了混凝土中的氫氧化鈣，即形成白色“游離石灰”滲出。而雨水中往往存在腐蝕性的物質(zhì)，極易引起鉸縫鋼筋的銹蝕斷裂最終導(dǎo)致整個鉸縫破壞，隨著形成的“單板受力”出現(xiàn)鉸縫破壞，整個橋梁已處于危險狀態(tài)。

3 鉸縫失效后果

裝配式空心板梁間設(shè)置鉸縫主要目的是為了達(dá)到設(shè)計(jì)理論上橫向只傳遞剪力的鉸的作用，以形成荷載能橫向分布，避免單片板梁受力，并使上部構(gòu)造多片梁板結(jié)構(gòu)成為一個整體共同承擔(dān)外部荷載。如果鉸縫失效，則導(dǎo)致上構(gòu)單板受力，從而使空心板所承受的荷載大幅度增加，再加上車輛本身的超載，空心板往往因無法承受如此大的荷載而損壞，大大縮短橋梁的使用壽命。鉸縫失效除了導(dǎo)致上部損壞外，還伴隨著橋面的開裂、錯臺，影響行車的舒適和安全，所以空心板鉸縫的失效問題必須予以足夠重視。

4 鉸縫失效處治

鉸縫失效需進(jìn)行處理，否則影響上構(gòu)梁板的安全使用。處治的方法有多種，這里側(cè)重介紹采用自密實(shí)微膨脹混凝土進(jìn)行處治的方法。從空心板梁橋上部結(jié)構(gòu)的橫截面可以看出，混凝土鉸縫是沿板高度方向的下部直線折線段和上部折線部分組成(見圖2)。混凝土鉸縫沿板高度方向的折線段采用自密實(shí)微膨脹混凝土可解決新舊混凝土收縮引起直線段的粘結(jié)不良、局部不密實(shí)等缺陷。

(1)鉸縫混凝土表面處理:表面處理首先是鑿毛。鑿毛要鑿掉原表層混凝土露出新鮮混凝土粗骨料。鑿毛時應(yīng)盡可能使用振動較小的設(shè)備進(jìn)行，且鑿毛深度在5～10 mm 之間，形成平整的粗糙面，且鑿毛率必須大于70%。然后清理鉸縫中的混凝土碎屑及施工產(chǎn)生的油污或積水等。

(2)灌縫澆筑:對于預(yù)拌的自密實(shí)微膨脹砂漿和混凝土，應(yīng)先攪拌補(bǔ)償收縮砂漿完畢后應(yīng)盡快運(yùn)至澆筑地點(diǎn)，對鉸縫底部狹小縫隙(空心板間施工縫隙)先用微膨脹砂漿進(jìn)行澆筑，澆筑的高度以不超過圖2 中鉸縫下底部設(shè)計(jì)的直線高度為宜。攪拌好的自密實(shí)微膨脹混凝土，在現(xiàn)場可用小車運(yùn)輸至空心板鉸縫處，灌縫時可使用提桶從板間縫一端灌入(以利于排除空氣使灌漿密實(shí))，直接注入板間縫即可。為防止混凝土外撒，可采用簡易漏斗輔助灌注。灌注過程中可少振或不振，但要保證混凝土拌和物均勻。

5 自密實(shí)微膨脹混凝土質(zhì)量控制

自密實(shí)微膨脹混凝土所用材料的性能指標(biāo)必須符合有關(guān)規(guī)范的要求。澆筑后不得出現(xiàn)露筋和空洞現(xiàn)象;新舊混凝土的結(jié)合面不得出現(xiàn)裂縫。微膨脹混凝土的配合比必須達(dá)到規(guī)范(或設(shè)計(jì))要求的限制膨脹率。工程完工后要試水觀察，任何部位不允許發(fā)生滲漏現(xiàn)象。若局部出現(xiàn)滲漏，可將滲漏處有缺陷的混凝土徹底清除，將其表面鑿毛，沖洗干凈后，抹微膨脹水泥砂漿。如滲漏嚴(yán)重，先用堵漏材料止水，再用微膨脹水泥砂漿抹面。

6 結(jié)束語

鉸縫失效導(dǎo)致橋梁上構(gòu)遭到損壞的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，鉸縫問題必須引起足夠的重視。鉸縫失效后處治可采用自密實(shí)微膨脹混凝土來處治，并需要加強(qiáng)施工管理，確保施工質(zhì)量。從而改善空心板受力環(huán)境，以提高橋面的服務(wù)水平和使用年限。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程(上)［M］.北京:人民交通出版社，2001

［2］錢培舒.橋梁空心板鉸縫自密實(shí)微膨脹混凝土施工指南(2)［R］.南京:東南大學(xué)，2011