空心板橋鉸縫失效綜合處治

朱 屏

(宜賓市敘州區農村公路建設管理所 宜賓市 644100)

0 引言

伴隨著我國現代化建設的需要，公路橋梁發展迅速，作為橋梁工程中常見的橋型，混凝土空心板橋因其具有結構自重輕、受力性能好、建筑高度小、施工方便、造價低且可批量化預制等眾多優點而被廣泛應用于公路中小橋梁建設。但此類橋梁在長期的使用過程中，由于多種因素導致空心板間的鉸縫處有著不同程度的損壞(圖1～圖4)，存在著鉸縫混凝土破碎、脫落，橋面鋪裝層沿鉸縫縱向開裂等典型病害導致鉸縫失效，橋梁出現單板受力現象。橋梁單板受力嚴重削弱了橋梁上部結構的整體作用，大幅降低了橋梁的整體承載能力，在車輛荷載作用下，單板受力的空心板產生彈性下撓，與相鄰空心板上下錯位明顯，形成臺階；在車輛荷載長期作用下，彈性下撓逐漸變成塑性變形，形成永久性臺階[1]，使得上部結構主要承重構件處于非常不利的受力狀態，降低了結構耐久性，嚴重影響橋梁的結構安全，為橋面行車埋下了安全隱患。

圖1 空心板鉸縫混凝土脫落

圖2 空心板單板受力表現

圖4 空心板縱縫破壞

1 鉸縫的工作原理

通過觀察空心板橋的橫截面(圖5)可以看出它是由數塊梁板并排排列組合而成的，而為了使得原本獨立的各梁板在橫橋向連接成為一個整體，共同承受作用于橋面板的局部荷載，減小單塊梁板受力，防止局部應力過大，提高橋梁的承載能力，通過在空心板間設置現澆企口混凝土鉸，使得相鄰的空心板在橫橋向連成整體，分散橋面荷載。目前國內常見的企口混凝土鉸縫布置形式有淺鉸、中較、深鉸這三種類型(圖6)。

圖5 空心板橫橋向布置圖

圖6 目前國內空心板常見鉸縫形式

2 鉸縫破壞成因分析

通過大量的調查與統計分析發現鉸縫破壞失效的成因大致可以歸納為以下幾方面。

2.1 使用方面的因素

(1)車輛超載。交通運輸業的迅速發展使得橋梁長期承受超載車輛的行駛。在橋面活載的作用下，空心板鉸縫頂部受壓，底部受拉，同時承受豎向剪力。在這種復雜應力狀態下，一旦橋面行駛超載車輛，鉸縫處所受內力會迅速增大。

(2)結構次內力影響?？招陌辶号c橋面鋪裝之間由于溫差、混凝土收縮徐變會產生次內力，在次內力的作用下鉸縫變形、受拉逐漸破壞。

(3)橋面鋪裝裂縫的影響。橋面鋪裝的縱向裂縫主要沿空心板間的鉸縫展開，出現這種現象是由于空心板自身的抗彎剛度較大，在荷載作用下的豎向撓度小，但結構的橫向剛度較小，鉸縫間的鋪裝層受彎剪作用，以抗剪為主[2]，在荷載的重復作用下，會沿著板縫縱向開裂，當超載車輛經過時，空心板的撓度加大，加劇了橋面鋪裝的縱向開裂，鉸縫混凝土和鋪裝層產生裂縫，經過雨水侵蝕、泥沙堵塞等破壞，加速鉸縫失效。

(4)次生災害。在橋梁的服役過程中由于突遇的山體滑坡、泥石流、洪水、爆炸、車輛船舶的撞擊、地震等次生災害使得橋墩或橋臺的基礎形成不均勻沉降，從而導致結構體系發生轉換使得主梁與橋面板產生附加應力，超出結構的承載能力，導致空心板和起到橫向聯接作用的鉸縫破壞失效。

2.2 設計因素

(1)結構計算理論與實際不符。鉸接板的受力計算理論忽略了鉸縫受壓和受拉的情形，且鉸縫受剪計算圖式與實際受力狀態也存在著一定差別，車輛軸重荷載在換算為等效半波正弦荷載后，二者荷載總效應雖接近，但車輪荷載集中作用處鉸縫間的局部剪力要比按半波正弦換算荷載作用下的值大很多[3]。而設計時所采用的鉸縫板間橫向聯結薄弱，較難使鉸縫與預制板牢固結合，在橫向不能形成較強的聯結?？招陌彘g預埋的連接鋼筋薄弱，且抗拉能力低，經常出現鉸縫連接鋼筋被拉斷的情況。

(2)設計時沒有充分考慮絞縫混凝土的收縮徐變及新舊混凝土的接觸問題。由于鉸縫處的橫橋向連續剛度較差，當荷載作用在鉸縫處時，鉸縫間的橋面鋪裝必然為受力薄弱環節，導致橋面鋪裝破壞進一步惡化，加速鉸縫破壞[4]。

2.3 施工因素

空心板橋設計預留的鉸縫空間小，當澆注鉸縫混凝土時振搗混凝土僅能采取插搗方式進行，然而采取插搗方式振搗不密實，會降低混凝土的密實度從而影響鉸縫質量。此外，鋼筋綁扎不合要求，施工時對板梁的橫向聯結沒有引起足夠重視。施工時對混凝土鋪裝層內的鋼筋網位置控制不準、預制板鉸縫及頂面鑿毛不到位。施工完成后，部分鋼筋網位于鋪裝層與板梁間，形成一道夾層，鋼筋網未達到使用效果，混凝土鋪裝層及鉸縫與預制行車道板粘結不牢固情況導致。

3 鉸縫失效后的有限元分析

通過采用Midas Civil有限元軟件，以20m簡支空心板模型為研究對象對比分析：成橋狀態、鉸縫破壞狀態、鉸縫破壞+加勁橫梁狀態下空心板在活載作用下的變形。

圖7 Midas Civil 20m簡支梁模型圖

該模型荷載包括自重、預應力、二期鋪裝、車道荷載。其中車道荷載的布置按照最不利荷載布置，車輪邊緣距邊板至少1m(防護欄0.5m+最少凈距0.5m)，但考慮到所有的車輪荷載都能布置到空心板上，防止車輪布置到空心板與板之間的縫隙中,布載時取車輪邊緣到邊板距離為1.2m。每列車輪的荷載值大小為1/2的車道荷載。車道荷載取公路一級。模型一共設置了3個工況。

工況1：成橋狀態下空心板的受力與變形。

測試內容：活載作用下的變形。

工況2：鉸縫破壞狀態下空心板的受力與變形。

測試內容：活載作用下的變形。

工況3：鉸縫破壞+加勁橫梁狀態下空心板的受力與變形。(加勁橫梁為工字鋼垂直連接于空心板底部，通過膨脹螺栓連接)

測試內容：活載作用下的變形。

圖8 車道荷載的布置

3.1 成橋狀態下空心板在活載作用下的變形

從應力云圖(圖9)可以看出，在工況1的條件下空心板由于鉸縫的粘接作用，在活載作用下橫橋向傳力均勻，變形協調。

圖9 成橋狀態下空心板在活載作用下的變形

3.2 鉸縫破壞狀態下空心板的受力與變形

如圖10所示，在工況2的條件下空心板在鉸縫破壞后，承受活載作用時，單板受力非常明顯，橫橋向應力分布不均勻，變形不協調。

圖10 鉸縫破壞狀態下空心板的受力與變形

3.3 鉸縫破壞+加勁橫梁狀態下空心板的受力與變形

如圖11所示，對比之前的工況1與工況2，在工況3中雖然空心板鉸縫受到破壞，但由于加勁橫梁提供了空心板之間的抗剪作用，使得空心板在活載作用下橫橋向與縱橋向應力分布較均勻，變形也比較協調與成橋狀態活載作用下變形基本一致。

圖11 鉸縫破壞+加勁橫梁狀態下空心板的受力與變形

3.4 三種工況下對比分析結果

三種工況作用下空心板橋的受力與變形對比分析結果如表1所示。

表1 三種工況下空心板橋受力變形結果表

從表1中的對比結果可以看出在鉸縫破壞失效狀態下的空心板板頂上緣最大壓應力、撓度、活載引起的內力值都有著明顯的增加，而對于鉸縫破壞后增設加勁橫梁后空心板其受力結果與鉸縫未受破壞的空心板受力結果相近，從有限元模型分析的角度印證了通過鉸縫連接和加強橋面板的橫向聯系減小單塊梁板的受力，防止局部應力過大，提高橋梁的承載能力。

4 鉸縫失效綜合處治措施

鉸縫失效對于橋梁結構的安全威脅巨大，應當及時采取安全措施。對于鉸縫失效的加固維修，可以采用施加體外橫向預應力法，鉸縫橫向局部植筋加固法，增大橋面鋪裝鋼筋加固法，橫橋向粘貼鋼板加固法等加固方法予以處治。在加固維修過程中，多采取混合加固的方法，即利用上述兩種或多種不同的加固措施進行加固，提高橋梁結構的承載能力[5]。

4.1 體外橫向預應力加固法

體外橫向預應力加固法是在對原鉸縫修復和加強的基礎上，在橫橋向空心板底增置體外橫向無粘結預應力筋的方式來增強各空心板間的橫向聯系，減小單塊梁板的受力，防止局部應力過大，提高橋梁的承載能力。如圖12、圖13所示。施工時先拆除原橋面鋪裝及墊層混凝土，清除原空心板間鉸縫混凝土，修理原鉸縫鋼筋，然后重新澆注鉸縫混凝土(自密實微膨脹混凝土)，隨后張拉設置在空心板下方的橫向體外預應力鋼束，最后進行橋面鋪裝及墊層混凝土施工。

圖12 體外橫向預應力加固

圖13 橫向預應力筋布置

4.2 鉸縫橫向局部植筋加固方法

鉸縫橫向局部植筋加固方法是在受損鉸縫相鄰的空心板腹板垂直向下鉆孔，把帶肋鋼筋用化學粘膠劑錨固于鉆孔中，形成U形的鉸上鋼筋(圖14)，然后重新進行橋面鋪裝及墊層混凝土施工，加強鉸縫。

圖14 鉸縫上部植筋示意圖

4.3 增大橋面鋪裝鋼筋加固方法

增大橋面鋪裝鋼筋加固方法是通過在橋面種植鋼筋，綁扎橋面鋼筋網，如圖15，然后澆注橋面混凝土恢復橋面鋪裝，使得橋面板結合成為一個整體，利用增大截面的方式增強橋梁上部構件的整體抗彎剛度，使橋面荷載在每塊板上分攤得更加均勻，降低了鉸縫處橋面鋪裝底面的拉應力和板塊的峰值內力[6]。

圖15 種植、綁扎橋面鋼筋

4.4 橫橋向粘貼鋼板加固法

橫橋向粘貼鋼板加固方法是通過橫橋及縱橋向有間隔地在空心板鉸縫頂部和底部粘貼鋼板，采用螺栓與拉桿進行連接將空心板從橫向與縱向連成整體，將橋面荷載均勻地分散到每一塊空心板上。如圖16、圖17所示。施工前，需先對梁板底部和頂部進行打磨平整，清理鉸縫混凝土，再將環氧基液粘劑涂抹在底部鋼板上，然后通過螺栓和拉桿連接頂部鋼板，最后進行鉸縫混凝土澆注和橋面鋪裝及墊層混凝土施工。

圖16 橫橋向粘貼鋼板加固布置

圖17 橫橋向粘貼鋼板加固

5 結語

回顧了不同類型鉸縫的工作原理，對鉸縫破壞的原因進行分析歸納，并通過有限元模擬分析鉸縫失效后橋面板的受力狀態，驗證了通過鉸縫連接和加強橋面板的橫向聯系可有效提高橋梁的承載能力。在此基礎上，總結列舉了體外橫向預應加固法、鉸縫橫向局部植筋加固方法、增大橋面鋪裝鋼筋加固方法、橫橋向粘貼鋼板加固法，對解決類似工程問題具有參考意義。