交通弱干擾下的板梁橋鉸縫加固技術(shù)

張守軍

（江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司橋梁所，江蘇南京 211112）

由于板梁橋荷載傳遞路徑明確、施工方便，能較好地適應(yīng)道路路線，在中國得到了廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路荷載等級(jí)需求提高，超載車輛增多，會(huì)導(dǎo)致板梁橋鉸縫開裂。在汽車荷載頻繁作用下，鉸縫開裂逐漸發(fā)展，外界雨水通過路面裂縫滲入板梁鉸縫，侵蝕鉸縫內(nèi)的混凝土和鋼筋，使得板梁鉸縫逐漸失效，加大了橋梁運(yùn)營的安全隱患。

解決板梁鉸縫開裂的工程問題，常用的鉸縫加固方法有：橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、鉸縫植筋加固法、粘貼鋼板加固法及體外預(yù)應(yīng)力加固法。橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法［1］能夠有效控制橋梁裂縫的開展，防止鉸縫部位裂縫流入雨水對(duì)鉸縫混凝土和鋼筋的侵蝕。鉸縫植筋加固法［2］是在橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法的基礎(chǔ)上建立起來的。在鉸縫內(nèi)設(shè)置交叉鋼筋，加強(qiáng)了對(duì)鉸縫混凝土的約束作用，增強(qiáng)了鉸縫對(duì)剪力的傳遞作用和板梁的整體性。橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法和鉸縫植筋加固法的施工工藝復(fù)雜，工程量大，且施工過程需對(duì)交通運(yùn)營進(jìn)行封閉。粘貼鋼板加固法［3］是采用粘結(jié)劑和錨栓，將鋼板粘貼錨固在鉸縫薄弱部位，使各混凝土板梁形成整體，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。該方法效果可靠，施工工期短，但其未能封閉病害鉸縫的滲流路徑，鉸縫的滲水聚集在粘貼鋼板上方，導(dǎo)致鋼板銹蝕和錨固界面粘結(jié)失效，同時(shí)該方法還存在應(yīng)力滯后、錨固區(qū)域承受不利的剪拉復(fù)合力以及易銹蝕等局限性。體外預(yù)應(yīng)力法［4］是將預(yù)應(yīng)力鋼束在板底上緣橫穿各個(gè)梁板，使得各個(gè)板間受到的壓力一致，抵消了鉸縫間的橫向彎矩，梁板間由鉸接縫變?yōu)轭A(yù)應(yīng)力鋼束連接，鉸縫間既傳遞剪力也傳遞橫向彎矩。該方法提高了空心板梁橋的橫向整體性和剛度，使得各板梁能有效相互協(xié)作，共同承擔(dān)外部荷載。但由于預(yù)應(yīng)力鋼束的施加，使板梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布，板梁橫向剛度加大，結(jié)構(gòu)體系變化，導(dǎo)致主梁橫向彎矩增大，梁體底板開裂。此外，該方法施工工藝繁瑣，防腐的維護(hù)成本高。

為適應(yīng)中國交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展需求，根據(jù)板梁鉸縫的工作機(jī)理和破壞原因，作者擬提出壓力注膠鉸縫加固技術(shù)，并通過有限元軟件仿真分析和實(shí)際工程試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 簡支板梁鉸縫工作機(jī)理

板梁鉸縫是空心板梁橋上部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)造。它將各預(yù)制梁板連接，形成整體上部結(jié)構(gòu)，傳遞各預(yù)制空心板間活載內(nèi)力。

按照傳統(tǒng)鉸接板理論［5］，假定空心板梁間的橫向聯(lián)系（鉸縫）為理想的“鉸”，即僅傳遞豎向剪力g（x），忽略縱向剪力t（x）、法向力n（x）以及橫向彎矩m（x），如圖1所示。將板梁鉸縫簡化為理想“鉸”，僅考慮豎向剪力傳遞，而忽略其他力的作用。

圖1 鉸接板梁受力示意Fig.1 The stress of the hinged plate girder

分析簡支板梁橋荷載傳遞分布機(jī)理及內(nèi)力分布規(guī)律可知，板梁橋鉸縫受拉剪或壓剪及橫向彎矩作用［6］。板梁橋常承受偏心荷載作用，其變形既有撓曲又有轉(zhuǎn)動(dòng)。板梁的撓曲和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的豎向位移分量使相鄰板也產(chǎn)生撓曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，并將剪力和扭矩傳遞給相鄰板梁，而板梁轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向水平位移分量將通過鉸縫及橋面鋪裝層向相鄰板梁施加水平拉壓力。在車輛荷載駛離后，變形的恢復(fù)也將在鉸縫中產(chǎn)生反向的拉壓作用。為了確保鉸縫能夠傳遞和抵抗剪力作用，鉸縫多采用多邊形來起到互相鑲嵌的作用，從而約束板的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。而“大鉸縫”的橫向彎曲剛度不容忽視，它能夠傳遞橫向彎矩。因此鉸縫在彈性階段的實(shí)際受力狀態(tài)應(yīng)該為半剛性，與假定中的理想“鉸”不同。理想“鉸”與實(shí)際鉸縫受力狀態(tài)的對(duì)比如圖2所示。

圖2 理想鉸縫及實(shí)際鉸縫受力狀態(tài)Fig.2 The stress state of ideal hinge joints and actual hinge joints

2 板梁鉸縫病害成因

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，重型車輛和超載車輛頻繁出現(xiàn)，裝配式板梁橋常出現(xiàn)鉸縫的連接破壞。鉸縫的破壞導(dǎo)致企口縫混凝土與空心板側(cè)壁相分離，從而使得雨水滲透并侵蝕混凝土和鋼筋，使得混凝土喪失強(qiáng)度，對(duì)空心板失去橫向連接的能力，出現(xiàn)“單板受力”［7－9］現(xiàn)象。

針對(duì)成板梁橋鉸縫出現(xiàn)的滲水和析白、損傷板梁鉸縫對(duì)應(yīng)部位橋面鋪裝層縱向開裂和凹陷等現(xiàn)象［10］，結(jié)合板梁橋現(xiàn)場檢測資料分析，認(rèn)為鉸縫破壞涉及到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營及材料等因素。

2.1 設(shè)計(jì)方面

由于板梁橋橫向連接常采用“小鉸縫”構(gòu)造形式，按鉸接板理論計(jì)算的“小鉸縫”抗剪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)荷載要求。但工程實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)：“小鉸縫”上口預(yù)留尺寸小，灌入鉸縫的混凝土只能靠插搗使得混凝土密實(shí)，嚴(yán)重影響了鉸縫混凝土密實(shí)澆筑的質(zhì)量要求。同時(shí)，鉸縫設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)部不存在鋼筋且忽略鉸縫混凝土收縮徐變作用，實(shí)踐表明：鉸縫破壞多是由于鉸縫混凝土和板梁粘結(jié)面破壞，而不是鉸縫混凝土的剪切破壞，因此鉸縫實(shí)際抗剪能力比理論計(jì)算值偏低。

2.2 施工方面

在同一路線、相同結(jié)構(gòu)形式的空心板梁橋中，有的出現(xiàn)鉸縫破壞現(xiàn)象，有的卻未出現(xiàn)，而且鉸縫破壞病害有輕、重之別，這表明鉸縫施工質(zhì)量存在離散性。因此，鉸縫破壞不僅與板梁橋的設(shè)計(jì)有關(guān)，還與鉸縫施工控制不嚴(yán)有關(guān)。

原材料是決定施工質(zhì)量的最基本要求，也是影響施工質(zhì)量的最重要因素。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空心板梁橋鉸縫破壞很多時(shí)候是由于材料強(qiáng)度不滿足要求。同時(shí)，作為確保整體受力的關(guān)鍵部位，鉸縫混凝土澆筑質(zhì)量往往存在較多施工問題，缺少必要的養(yǎng)護(hù)。

為了保證板梁的外觀，預(yù)制空心板時(shí)側(cè)模板使用鋼模，這樣形成的楔狀鉸縫側(cè)面就比較光滑。如果在澆筑鉸縫混凝土施工之前未對(duì)光滑的結(jié)合面進(jìn)行鑿毛，將嚴(yán)重影響鉸縫與板梁之間的連接，不利于鉸縫的受力。

2.3 運(yùn)營方面

與其他橋梁相比，板梁橋路幅寬，交通運(yùn)營量大，超載車輛多，促使鉸縫產(chǎn)生破壞。此外，高速公路車道的劃分使得車輛運(yùn)行軌跡有明顯的跟馳現(xiàn)象，且各荷載載重等級(jí)車輛的分道行駛使得車輛在荷載沖擊和疲勞作用下易發(fā)生鉸縫的剪切疲勞破壞。

2.4 材料方面

新、老混凝土結(jié)合面之間的抗拉強(qiáng)度僅為混凝土抗拉強(qiáng)度的l／3。因此，預(yù)制板梁與鉸縫的連接本身就是薄弱環(huán)節(jié)。鉸縫混凝土的抗剪能力依賴于鉸縫混凝土和空心板梁之間的粘結(jié)強(qiáng)度，而非鉸縫混凝土的抗拉強(qiáng)度。鉸縫破壞是鉸縫混凝土和板梁之間粘結(jié)面的破壞，而不是鉸縫混凝土自身的破壞。新、老混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度取決于混凝土面的粗糙度、界面劑和混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在鉸縫混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)強(qiáng)度不變的情況下，鉸縫和板梁之間粘結(jié)面的粗糙度和界面劑的選擇至關(guān)重要，它將直接影響新、老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，從而影響板梁橋鉸縫傳遞荷載的能力。

3 壓力注膠鉸縫加固

簡支板梁鉸縫的損傷使得部分板梁橋出現(xiàn)單板受力，給橋梁結(jié)構(gòu)和橋梁交通運(yùn)營帶來了嚴(yán)重的安全隱患。為較好地解決板梁鉸縫加固問題，根據(jù)鉸縫的工作機(jī)理及鉸縫破壞特征和原因，結(jié)合板梁橋的板梁內(nèi)力傳遞機(jī)理，作者擬提出壓力注膠加固鉸接板縫技術(shù)。

在壓力注膠加固施工中，使用封閉膠和灌封膠兩種膠體。封閉膠是在不中斷交通的情況下對(duì)鉸縫注膠加固施工，用于封閉玻璃壓條與板梁底板的連接處。使膠體粘結(jié)密實(shí)，起到防止施工過程中漏膠的作用。灌封膠是用于注入鉸縫中的膠體，起到粘結(jié)板梁兩側(cè)面的作用，從而提高板梁結(jié)構(gòu)整體受力性能。封閉膠和灌封膠的性能指標(biāo)見表1。

壓力注膠加固鉸接板縫技術(shù)的原理是：將鉸縫形成一個(gè)密閉空腔，在預(yù)留進(jìn)、出口的情況下，利用膠體良好的流動(dòng)性，有效運(yùn)用高壓灌漿設(shè)備，將其灌入鉸縫縫隙內(nèi)，使其迅速擴(kuò)散、凝結(jié)并固化。利用膠體良好的粘結(jié)性能、力學(xué)性能及快速凝固的特性，快速恢復(fù)兩側(cè)梁板之間的連接，提高鉸縫的抗剪能力，有效恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能，達(dá)到加固、維護(hù)板梁鉸縫的目的。其主要技術(shù)原理如圖3所示。

表1 膠體的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of colloids

通過對(duì)該加固技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程分析可知，該方案實(shí)施過程中對(duì)交通運(yùn)營干擾較小，且施工操作簡便，工期較短。為明析壓力注膠加固技術(shù)原理，給出該技術(shù)的工藝流程，如圖4所示。

圖3 壓力注膠加固原理示意Fig.3 The principle of the pressure injecting reinforcement

圖4 壓力注膠鉸縫加固技術(shù)流程Fig.4 Flow chart of pressure injecting reinforcement technique for hinge joints

4 仿真分析及加固試驗(yàn)

為驗(yàn)證壓力注膠加固技術(shù)的可靠性，以成都某板梁橋?yàn)槔M(jìn)行實(shí)際工程加固試驗(yàn)。該橋梁為斜交橋，主梁與路線的夾角為75°，橋梁全長為9.14m。橋面寬度為0.75（護(hù)欄）＋17.8＋3（中央分隔帶）＋18.8＋0.75（護(hù)欄）m，橋下凈空為3m。上部結(jié)構(gòu)橋跨組合為1×8.00m預(yù)制鋼筋混凝土實(shí)心板，下部結(jié)構(gòu)為八字型橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。支座為油毛氈，CD－60型伸縮縫。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車－超20級(jí)，掛車－120。

4.1 有限元仿真分析

預(yù)制板梁、鉸縫采用C30混凝土，彈性模量為3×104MPa，密度為26kN／m3，泊松比為0.2；試驗(yàn)用膠彈性模量為3.8×103MPa，密度為10kN／m3，泊松比為0.3。固定支座情況下，以三向約束x，y和z進(jìn)行施加；移動(dòng)支座情況下，以z軸自由，x軸和y軸固定進(jìn)行施加。鑒于橋梁實(shí)況道路上車輛行駛軌跡的規(guī)律性，取實(shí)際橋梁中的4片空心板梁（3個(gè)鉸縫）分析鉸縫的破壞規(guī)律。

為分析不同狀態(tài)下板梁鉸縫的應(yīng)力分布狀況，利用有限元軟件Abaqus，建立鉸縫受損模型、鉸縫未受損模型和鉸縫受損加固后模型。鉸縫受損模型假定：空心板梁鉸縫完全損壞，失去橫向聯(lián)系板梁的作用，車輛荷載通過混凝土鋪裝層傳遞并分配至每片板梁。鉸縫未受損模型假定：空心板梁鉸縫未受損，處于完好狀態(tài)，則鉸縫可傳遞豎向剪力、縱向剪力及橫向彎矩等。鉸縫受損加固后模型假定：空心板梁鉸縫受損，壓力注膠技術(shù)加固后梁板可聯(lián)合受力，狀態(tài)完好。

根據(jù)有限元軟件分析，板梁在不同模型中的橫向應(yīng)力分布分別如圖5所示。

各模型在汽車荷載作用下，1＃，2＃和3＃鉸縫的橫向拉應(yīng)力分布如圖6所示。從圖6中可以看出，受損模型和未受損模型的橫向拉應(yīng)力均大于受損加固后模型的橫向拉應(yīng)力。這表明鉸縫受損后，經(jīng)過壓力注膠加固，板梁間的橫向聯(lián)系得到了加強(qiáng)。與加固前相比，板梁整體性得到了加強(qiáng)，可以更有效地共同承擔(dān)上部荷載。

4.2 加固試驗(yàn)

為保證在加固施工過程中交通運(yùn)營不受影響，試驗(yàn)中在每片板梁下部跨中位置均布設(shè)位移計(jì)，用于檢測板梁在加固施工前、后的絕對(duì)位移和相鄰板梁間的相對(duì)位移。

布設(shè)的位移計(jì)在橋梁正常運(yùn)營狀況下，利用現(xiàn)有交通量，對(duì)鉸縫加固前、后板梁的撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，每次連續(xù)監(jiān)測4h。采用DH5910動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集位移數(shù)據(jù)，傳輸保存至電腦，方便后期數(shù)據(jù)的處理和分析。

圖5 鉸縫各模型的橫向應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.5 Lateral stress distribution of hinge joints in hinged analysis model（unit：MPa）

圖6 各模型中鉸縫的橫向拉應(yīng)力Fig.6 Lateral tensile stress in the model of the hinge joints

對(duì)板梁鉸接縫加固前、后梁板間的相對(duì)位移和絕對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，左、右幅各板梁間的絕對(duì)位移和相對(duì)位移分別如圖7，8所示。

從圖7，8中可以看出，加固前，左、右幅的4＃～11＃板絕對(duì)位移偏大，尤其左幅6＃板的最大位移達(dá)到11.86mm，右幅9＃板的最大位移達(dá)到11.95mm。加固后，左、右幅板梁的絕對(duì)位移均明顯減小，尤其受荷載作用最大的4＃～11＃板，加固后絕對(duì)位移僅占加固前絕對(duì)位移的20%～40%，左幅6＃板的絕對(duì)位移為2.54mm，僅為加固前絕對(duì)位移的21.4%；右幅9＃板的絕對(duì)位移為2.46mm，僅為加固前絕對(duì)位移的20.6%；加固前，各板的相對(duì)位移較大，易出現(xiàn)單板受力的情況；加固后，左、右幅各板的相對(duì)位移較均勻，均小于1mm。

圖7 左幅板梁加固前、后的位移Fig.7 Left pieces of plate girder displacement

圖8 右幅板梁加固前、后的位移Fig.8 Right pieces of plate girder displacement

分析結(jié)果表明：不中斷運(yùn)營交通的條件下，鉸縫注膠加固后，左、右幅的絕對(duì)位移和相對(duì)位移均明顯減小。這說明加固效果明顯，提高了鉸縫的實(shí)際工作性能，增強(qiáng)了鉸縫的剪力傳遞能力，改善了板梁荷載橫向分布狀況，使板梁的整體性得到了顯著提高。為評(píng)判注膠加固技術(shù)對(duì)鉸接板梁整體受載性能的提高可行性和實(shí)用性，選取正常安全服役橋梁的變形、承載能力限值作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

根據(jù)經(jīng)典板梁理論，結(jié)合板梁鉸縫實(shí)際受力，分析修正后的鉸縫模型。結(jié)合有限元仿真分析和實(shí)際工程試驗(yàn)，對(duì)板梁鉸縫加固技術(shù)進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論為：

1）壓力注膠鉸縫加固方法對(duì)板梁受荷性能提升顯著。分析和試驗(yàn)表明：壓力注膠鉸縫加固技術(shù)對(duì)板梁的橫向拉應(yīng)力減小較多，使得板梁的整體性增大，撓度減小，避免了單梁受力。

2）鉸縫加固施工對(duì)交通運(yùn)營影響微弱。壓力注膠鉸縫加固技術(shù)施工平面位于橋梁底板，對(duì)橋梁上部交通無影響。

3）壓力注膠鉸接板縫加固技術(shù)工藝簡便，實(shí)用性強(qiáng)，可推廣到工程實(shí)踐。

（References）：

［1］房濤.化學(xué)灌漿在簡支板梁橋鉸縫加固中的應(yīng)用研究［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（9）：93－96.（FANG Tao.Chemical grouting in the application of the hinge joints in hinged girder bridge reinforcement［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development：Applications and Technology，2007（9）：93－96.（in Chinese））

［2］姜云霞，柴金義，伍必慶，等.不中斷交通實(shí)施鉸接板橋加固的研究［J］.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2002（2）：1－3.（JIANG Yun－xia，CHAI Jin－yi，WU Bi－qing，et al.The traffic implement hinged slab reinforcement［J］.Inner Mongolia Highway and Transportation，2002（2）：1－3.（in Chinese））

［3］陳曉強(qiáng)，趙佳軍，吳建平.板梁結(jié)構(gòu)由鉸縫引起的病害分析及加固改造［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2004（1）：46－49.（CHEN Xiao－qiang，ZHAO Jia－jun，WU Jianping.Disease analysis and reinforcement of plate girders damaged by hinge joints［J］.Modern Transportation Technology，2004（1）：46－49.（in Chinese））

［4］李友好，趙豫生.某病害橋橫向體外預(yù)應(yīng)力加固實(shí)踐［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（2）：18－21.（LI Youhao，ZHAO Yu－sheng.A disease bridge lateral external prestressed strengthening practice［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Institute，2005（2）：18－21.（in Chinese））

［5］姚玲森.橋梁工程［M］.第2版.北京：人民交通出版社，2008.（YAO Ling－sen.Bridge engineering［M］.Version 2.Beijing：China Communications Press，2008.（in Chinese））

［6］衛(wèi)軍，李沛，徐岳.空心板鉸縫協(xié)同工作性能影響因素分析［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2011（2）：29－33.（WEI Jun，LI Pei，XU Yue.Hinge joints in hinged hollow slab work performance influence factor analysis［J］.China Journal of Highway，2011（2）：29－33.（in Chinese））

［7］王硯桐.高等級(jí)公路中“單板受力”現(xiàn)象及原因分析［J］.公路交通技術(shù)，2004（4）：29－32.（WANG Yantong.High grade highway“solvating”phenomenon and the reason analysis［J］.Highway Traffic Technology，2004（4）：29－32.（in Chinese））

［8］黃民水，朱宏平.空心板梁橋“單板受力”病害機(jī)理及其加固處治研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（2）：118－121.（HUANG Min－shui，ZHU Hong－ping.“Solvating”slabs bridge disease mechanism and reinforcement treatment research［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology：Natural Science Edition，2008，36（2）：118－121.（in Chinese））

［9］孫文智，肖質(zhì)江.某寬幅空心板橋上部結(jié)構(gòu)病害診斷及處治［J］.公路交通技術(shù)，2011（2）：97－99.（SUN Wen－zhi，XIAO Zhi－jiang.A wide hollow slab bridge upper structure disease diagnosis and treatment［J］.Highway Traffic Technology，2011（2）：97－99.（in Chinese））

［10］丁權(quán)，黃律群，斯挺，等.空心板梁橋鉸縫破壞機(jī)制分析及加固技術(shù)［J］.中國市政工程，2012（2）：38－41.（DING Quan，HUANG Lv－qun，SI Ting，et al.Hinge joint failure mechanism analysis and strengthening technology of hollow slab beam bridge［J］.China Municipal Engineering，2012（2）：38－41.（in Chinese））