簡支空心板橋梁典型病害及維修加固措施

1 引言

中小跨徑簡支空心板梁的結構較為簡單， 可以進行預制裝配施工，在當前的公路橋梁建設中應用極為廣泛。 簡支空心板梁需要經過合理設計，確保施工質量，避免運行過程中出現使橋梁結構耐久性衰減的病害，如空心板裂縫、鉸縫、鋼筋銹蝕等。 空心板梁橋的結構性病害對于橋梁安全性具有重要影響，如果不及時加以處理，會造成不可避免的安全事故，針對空心板梁的病害分析及加固研究是實現橋梁長期使用性能的重要基礎。

2 空心板典型病害

2.1 裂縫

空心板梁底裂縫是主要結構性病害， 板底裂縫主要分為縱向裂縫和橫向裂縫，如圖1 所示。

圖1 空心板底裂縫病害

縱向裂縫的病害影響程度極為嚴重， 空心板底縱向裂縫需要及時進行修復處理。 縱向裂縫主要由外部荷載作用所引起，現場需要依據裂縫分布及尺寸采取針對性措施進行處理。裂縫寬度一般在0.1～0.3 mm， 縱向裂縫多分布在空心板底厚度較小區域及預應力筋周圍， 裂縫附近多存在混凝土析白和滲水、鋼筋銹蝕等情況。

橫向裂縫則主要分布在空心板跨中截面處， 多由結構承載強度缺陷造成。 當橋梁面層鋪裝受力破壞時，造成空心板鉸縫失效，荷載橫向系數發生變化，導致單板承受荷載作用，繼而引發橫向裂縫[1]。

2.2 鉸縫

預應力混凝土空心板梁多為裝配式施工， 不同空心板塊之間橫向連接主要采取鉸縫，橫向連接不承擔彎矩，只承擔剪力作用。 鉸縫病害主要表現為以下幾種形式：鉸縫位置處混凝土松散脫落； 鉸縫上覆結構破碎后造成滲水， 引發鉸縫處析白、漏水，如圖2 所示。 大中型車輛荷載作用下，鉸縫破壞則會造成單塊空心板受力，板塊撓度變形增大，形成錯臺[2]。

圖2 空心板鉸縫病害

2.3 橋面鋪裝病害

行車荷載作用下，輪壓直接作用于橋面鋪裝，橋面鋪裝主要表現為推移、擁包及車轍病害。 其中，推移則為瀝青面層滑移導致的鋪裝波浪狀起伏變化； 行車制動及啟動位置則會存在擁包和車轍病害。 橋面鋪裝病害會造成局部破損、坑槽及網狀裂縫等，在地表徑流作用下，空心板梁上部結構的承載強度明顯喪失，引發行車安全風險。

3 工程概況

長沙市某上跨公路處存在3×15 m 先張法預應力裝配式簡支混凝土空心板梁，計算跨徑14.4 m，梁長14.96 m，橋下凈空高6 m，行車荷載設計等級為汽車超20 級。簡支空心板梁橫向單幅存在9 個空心板，橫斷面中板寬1.25 m，鉸縫寬1 cm。上部結構采取HRB335、HPB235 鋼筋、C50 混凝土。預應力鋼絞線直徑15.2 mm，彈性模量1.9×105MPa，抗拉強度標準值1 860 MPa，張拉控制應力σcon=1 305 MPa[3]。 橋面鋪裝結構層為8 cm 瀝青混凝土（上面層）+8 cm 鋼筋混凝土（下面層）， 橋梁單幅寬度：0.5 m 防撞護欄+11 m 行車道+0.5 m防撞護欄；橋梁下部結構為樁柱式墩臺。 該空心板梁經多年運行，上部結構主梁左幅1～2 跨出現板底混凝土脫落及鋼筋銹蝕病害， 結構破損面積為0.2 m×0.15 m，2～6 跨處鉸縫混凝土脫落；右幅1～3 跨處出現縱橫向裂縫病害，縱縫平均寬度2.5 mm，長度10 m，橫縫開裂寬度4.5 mm，長度8.5 m。現場檢測該橋技術狀況評分60 分， 急需采取加固措施進行病害處治，考慮到該橋梁的底板厚度較小，且主梁底部附近存在鋼絞線，為避免損傷到預應力鋼絞線，項目部擬采取碳纖維布粘貼法進行空心板維修處理[4]。

4 空心板碳纖維布粘貼加固分析

4.1 裂縫修補

依據該橋梁既有病害情況， 項目部對于裂縫寬度小于0.15 mm 處主要采取表面封閉處理， 大于0.15 mm 的裂縫則需要灌漿加固。

灌縫施工步驟如下：裂縫清潔、灌漿嘴埋設、封縫、漿液配制及灌漿、封口處理及檢查。 其中，裂縫首先需要采取角磨機、鋼絲刷等進行浮渣、灰塵等清除，采取丙酮將裂縫兩側10 cm 區域進行清洗；灌漿嘴埋設則需要沿裂縫40～50 cm 間隔布置，固定灌漿嘴位置后，采用5～10 mm 厚結構膠進行密封；封縫時需要在裂縫上涂抹5 mm 厚、50 mm 寬的結構膠， 避免出現氣泡和小孔，之后開展封縫的壓氣試漏檢測，確保其密閉性符合要求；灌漿則采取灌漿系統進行，灌漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，吸漿率達到0.05 L/min 時停止灌漿；縫內漿液凝結后，則可拆除相關設備，最后進行結構膠封牢及抹平[5]。

4.2 空心板粘貼碳纖維布

粘貼碳纖維布之前， 技術人員需要清潔混凝土空心板底的蜂窩、剝落、疏松，施加環氧砂漿整平空心板結構面。 結構表面需要保持潔凈及干燥，之后用底層膠滾刷結構面，滾刷厚度控制在0.5 mm 以內，且不存在氣泡、流淌現象。 碳纖維布粘貼結束后需要在加固材料表面涂刷防護材料， 避免外界環境導致碳纖維布老化[6]。

5 有限元分析

5.1 模型構建

項目采取MIDAS FEA 軟件開展碳纖維布粘貼加固效果評價，項目組擬采取3 層碳纖維布粘貼空心板底進行加固，主要對行車靜載作用下主梁控制截面加固前后的撓度、 應變發展進行對比，有限元模型如圖3 所示。 其中，有限元模型設計安全等級為I 級，構件采用A 類預應力混凝土，板單元采用實體單位；碳纖維布采用平面應力單元，不存在抗壓抗彎，只表現為抗拉效果，碳纖維布、板單元之間采用共同節點，植入式預應力鋼筋。

圖3 有限元模型示意圖

5.2 荷載施加

項目組依據橋梁布置特點、病害檢測及結構形式，選取撓度、應變行車靜載測試橋跨為單幅第1 跨，設定跨中截面為控制截面，跨中最大正彎矩截面偏載為荷載施加工況。 經模型測試，空心板梁橋靜載施加采用3 梁三軸自卸式載重汽車（單車重500 kN），中軸設定在跨中位置。為進行理論和實際的對比，現場需要布置檢測設備， 采用數顯百分表對控制截面的豎向位移進行動態測定， 采用靜態應變計對控制截面進行應變采集，實際結構測點布置如圖4 所示[7]。

圖4 變形測點布置示意圖

5.3 加固效果分析

3 層碳纖維布粘貼后梁體豎向變形測試對比如表1、 表2所示。 結果表明，梁體最大撓度變形產生在靜載作用下無加固控制截面處，為-3.6 mm；粘貼3 層碳纖維布之后的最大撓度則僅為-1.8 mm，減小幅度達到了1.8 mm。 空心板梁底最大應變則減小幅度達到了35 με。行車靜載作用下的空心板梁碳纖維布加固效果較為顯著。

表1 行車靜載作用下控制截面空心板梁撓度、應變變化

6 結語