既有空心板橋底板裂縫與加固分析

趙 剛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

空心板底部產生裂縫是空心板橋最常見的病害之一，板底的裂縫分為縱向裂縫和橫向裂縫兩種，其中縱向裂縫較為常見，也比橫向裂縫更易產生和發展[1-2]。根據大量的調查和橋梁外觀檢測的結果可以發現，在產生板底裂縫的局部位置往往都還伴隨著滲水和白色結晶體析出的現象[3]。

縱向裂縫的位置主要集中在鉸縫區域、梁肋處以及梁板中間，病害較嚴重的橋梁其縱向裂縫還會布滿梁底的整個區域，而且呈固定間距的排列[4-5]?？v向裂縫一旦產生，在沒有對其進行適當的養護處理的情況下，其寬度會不斷擴大，長度和深度方向不斷延伸，最后貫通整個截面，削弱了截面的各項性能[6-7]。此外，大氣中的水分和雨水可能通過裂縫進入混凝土，腐蝕內部的鋼筋，嚴重影響結構的健康和質量，大大削弱橋梁結構的承載能力[8]。因此，研究既有空心板橋的底板裂縫對橋梁的影響及加固措施具有重要的現實意義。

基于此，本文結合某空心板橋底板裂縫檢測結果，利用有限元分析空心板橋底板裂縫存在情況下空心板橋使用性能，并探討鋼板加固方法在空心板橋底板加固的效果。研究結果對于空心板橋的設計和加固具有重要的理論價值。

1 工程概況

某跨河橋建成于2000年，上部結構為7×14 m預應力混凝土空心板橋，橋臺為U形橋臺配擴大基礎，橋墩為柱式墩配擴大基礎，橋梁全長132.80 m，橋面寬度17.5 m，橋寬布置為1.25 m（人行道）+15 m（車行道）+1.25 m（人行道），雙向四車道，原橋荷載標準為汽-20級，掛車-100，設計洪水頻率1/100。作為城市快速路，該跨河橋的交通流量很大。橋梁上部結構橫斷面圖如圖1所示。

圖1 上部結構橫斷面圖

2 裂縫檢測與原因分析

通過該橋的外觀檢測結果可以發現該橋病害情況較多，上部結構以空心板裂縫破壞為主，其對橋梁結構的承載能力和整體性影響較大。裂縫具體外觀檢測結果如下：主梁底板出現10余條縱橋向裂縫，裂縫長度0.8～3.2 m，寬度分布為0.11～0.25 mm，超過《養護規范》的限值0.2 mm，個別裂縫位置帶有滲水結晶情況。表1列舉了上部結構底板裂縫部分情況。

表1 上部結構部分縱向裂縫統計結果

縱向裂縫產生的原因可依據不同位置分為三類。第一類是鉸縫處的縱向裂縫，鉸縫是用于橫向連接各塊空心板的構件，可以傳遞剪力和發生轉動，不能傳遞彎矩，在經過一定時間的運營后，其反復的轉動與變形會導致內部混凝土發生壓裂破壞。此外施工質量不合格也是一個重要的原因，鉸縫寬度較小，在澆筑鉸縫混凝土時難以通過振搗使縫內空間填充密實，在汽車反復的沖擊作用下，這種薄弱構件極有可能出現損傷。第二類是梁肋附近的縱向裂縫，這類裂縫主要是由于后張法預應力管道定位不牢固，預應力鋼束在澆筑混凝土后出現起伏狀，則張拉鋼束預應力導致底板出現局部開裂。第三類是空心板底部中間部位的縱向裂縫，這類裂縫的產生與橋梁的橫向變形有關。通常在重載交通荷載的反復作用下，空心板底部產生較大的橫向變形，變形能力超過結構抗拉極限能力而產生縱向疲勞裂縫。

3 有限元分析與建模

為研究上述縱向空心板橋對橋梁使用性能的影響，以該橋為對象建立空間有限元模型分析空心板的關鍵截面的應力、撓度情況。

采用常用的有限元軟件MIDAS CIVIL建立橋梁一跨上部結構空間模型，以空間梁格理論為基礎，通過虛擬橫梁模擬各塊空心板之間的橫向連接，空心板之間的鉸縫可以看作是鉸結構，在軟件中的具體操作是通過釋放橫梁梁端約束的方式模擬鉸的連接。該模型中的單元均采用梁單元，邊界條件采用簡支梁的支撐方式，上部結構主要材料的參數如表2，一跨上部結構模型如圖2所示。

表2 上部結構主要材料參數表

圖2 某跨上部結構模型圖

4 空心板裂縫對橋梁的影響

由該跨河橋的外觀檢測結果可知梁板底存在較多的縱向裂縫，縱向裂縫的出現會削弱截面的各項性能，并且隨著裂縫的發展，大量水分和具有侵蝕性的物質會進入梁體內部，腐蝕鋼筋和混凝土，嚴重降低梁體結構的耐久性，對橋梁結構的承載力產生不利的影響。

為研究空心板裂縫對橋梁承載能力的不利影響程度，擬定空心板材料性能損失分別為10%、20%、30%的3個不同等級，分別建立相應模型，其具體操作方法是通過調整材料的彈性模量模擬由裂縫的影響而產生的截面性能損失，求解各塊空心板在公路-Ⅱ級的汽車設計荷載等級情況下跨中截面的最大拉應力和撓度，并與空心板材料性能完好時進行對比。由于結構對稱，只需求解1～9號空心板的跨中截面的最大拉應力和撓度，最大拉應力如圖3所示，撓度變化情況如圖4所示。

圖3 空心板不同性能損失的跨中截面最大拉應力圖

圖4 空心板不同性能損失的跨中截面撓度圖

從圖3和圖4中可知，在公路-Ⅱ級汽車設計荷載作用下，該橋跨中截面的最大拉應力出現在2號空心板下緣，達到了2.95 MPa，已經超過了C40混凝土的設計抗拉強度1.71 MPa，表明按原荷載等級設計的該空心板橋已不能滿足現在的公路-Ⅱ級汽車設計荷載等級的要求。隨著空心板裂縫的發展和材料性能的衰退，跨中截面各塊空心板下緣的拉應力逐漸增大，但增幅較小，這是由于模型中未考慮橋梁運營過程中的預應力損失；同時跨中截面各塊空心板的撓度也逐漸增大，且增幅較大。通過對空心板性能損失分別為10%、20%和30%三種情況下的跨中截面應力和撓度分析可以看出，空心板裂縫會降低結構的強度和剛度，影響橋梁的承載能力和正常使用性能，嚴重危及橋梁的安全性。

5 加固方案的擬定和驗證分析

根據空心板裂縫對橋梁的影響分析可以看出，在公路-Ⅱ級汽車設計荷載作用下，該橋在現有的車輛荷載等級下已不能滿足結構的安全性要求，且隨著裂縫的擴展，空心板剛度不斷減弱，橋梁的跨中撓度急劇增加，對橋梁的正常使用性能造成了極大的威脅。針對由空心板裂縫引起的一系列問題，在綜合分析比較各種加固方法的基礎上，認為粘貼鋼板法自重增加少，外觀影響小，施工簡單，因此，提出了采用粘貼鋼板加固方法，擬在各塊空心板底粘貼10 mm厚的Q235鋼板。

在MIDAS CIVIL中采用施工聯合截面的方式模擬粘貼鋼板的加固過程，鋼筋混凝土與Q235鋼板的聯合截面如圖5所示（僅以中板為例）。

圖5 中板聯合截面示意圖

計算各塊空心板加固前和加固后在公路-Ⅱ級的汽車設計荷載等級情況下跨中截面的最大拉應力和撓度，由于結構對稱，只需求解1～9號空心板的跨中截面的最大拉應力和撓度，加固前后最大拉應力如圖6所示，加固前后撓度變化如圖7所示。

圖6 加固前后跨中截面原空心板底緣最大拉應力對比圖

圖7 加固前后各塊空心板跨中截面最大撓度對比圖

從圖6和圖7中可知，在采用粘貼鋼板法對空心板進行加固后，空心板底緣混凝土的拉應力顯著降低，且其最大拉應力變為1.31 MPa，小于C40混凝土的設計抗拉強度1.71 MPa，保證了混凝土裂縫不繼續擴展，提高了橋梁整體結構的承載能力。在采用粘貼鋼板法對空心板進行加固后，各塊空心板的跨中截面最大撓度均有所減小（除邊板外，這是因為邊板距車輪荷載直接作用點較遠），提高了橋梁的剛度和正常使用性能。

6 結語

結合空心板橋工程案例，運用有限元模擬分析了裂縫存在情況下對既有空心板橋的性能影響，在綜合分析比較各種加固方法的基礎上，提出了采用粘貼鋼板加固方法，并對該加固方法進行了驗證。主要結論如下：

a）在公路-Ⅱ級汽車設計荷載作用下，該空心板橋已不能滿足現在的公路-Ⅱ級汽車設計荷載等級的要求。隨著空心板裂縫的發展和材料性能的衰退，跨中截面各塊空心板下緣的拉應力逐漸增大，但增幅較??；跨中截面各塊空心板的撓度也逐漸增大，且增幅較大。

b）在采用粘貼鋼板法對空心板進行加固后，空心板底緣混凝土的拉應力顯著降低，提高了橋梁整體結構的承載能力。各塊空心板的跨中截面最大撓度均有所減小，提高了橋梁的剛度和正常使用性能。