劉能文，楊　勇

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京　100082)

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鉸接板橋梁病害分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

[1]劉能文，楊勇

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100082)

摘要：鉸接板橋在我國有著極為廣泛的應(yīng)用，但鉸接板橋設(shè)計(jì)、施工及使用過程中存在的病害普遍比較嚴(yán)重，目前也沒有很好的解決辦法。本文介紹了鉸接板橋的特點(diǎn)、主要病害特征及其危害性，總結(jié)了產(chǎn)生這些病害的原因。并重點(diǎn)分析了鉸接板橋的設(shè)計(jì)不足及缺陷，并對交通部舊標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)況標(biāo)準(zhǔn)圖的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析、計(jì)算，得出了鉸接板橋的破壞關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，提出了鉸接板橋的加固及新建優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對解決目前鉸接板橋存在的問題有很大的參考價(jià)值。

0引言

鉸接板橋具有施工簡單、快速、造價(jià)低、對交通影響小的特點(diǎn)，因此鉸接板橋在我國很早就得到了極廣范圍的運(yùn)用，尤其是20世紀(jì)50年代至90年代國內(nèi)修建了大量的鉸接板橋。以北京為例，1989年以前建成的公路、城市橋梁共計(jì)401座，其中裝配式橫向鉸接板(梁)橋[2]所占比例為44.3%。北京市公路橋梁三四類橋梁中裝配式橫向鉸接板(梁)橋136座，所占比例高達(dá)77.9%。

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展，以及對橋梁使用的耐久性、舒適性要求的提高，對鉸接板橋梁的固有不足與逐步顯現(xiàn)的病害近年來開始逐步得到重視。如何對鉸接板橋梁進(jìn)行有效的維修加固并盡量減少對交通的干擾并降低造價(jià)，是擺在管理者和設(shè)計(jì)、科研人員面前的一道難題。 本文簡要闡述鉸接板橋梁的特點(diǎn)，并論述此類橋梁的主要病害特征，重點(diǎn)分析鉸接板橋梁的受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)不足。在此基礎(chǔ)上，提出加固及新建鉸接板橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為今后此類橋梁的加固及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 橋梁特征及病害形式[3]

鉸接板橋一般為預(yù)制裝配式，有先張板與后張板之分，先張板寬度一般為1 m，后張板通常為1.25 m寬，預(yù)制板之間通過后澆鉸縫連接形成整體，最后在板頂面澆注10 cm左右厚的混凝土整體化層，使車輛荷載在各主梁之間有一定的橫向分布。典型的鉸接板橋梁斷面形式如圖1所示。

圖1　典型橫向鉸接空心板橋斷面示意圖Fig.1　Schematic diagram of typical section of transverse hinged hollow slab bridge

鉸接板橋雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也顯而易見。主要表現(xiàn)為鉸縫容易損壞，橫向分布均勻性差，上部結(jié)構(gòu)耐久性差，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致單板受力，影響橋梁的安全使用。此外，行車舒適性也較差，容易發(fā)生跳車現(xiàn)象。鉸接板橋梁的病害[4]主要表現(xiàn)為如下特征：

(1)橋面鋪裝出現(xiàn)鉸縫位置的縱向裂縫、坑槽和塌陷。

(2)板間鉸縫結(jié)構(gòu)混凝土有脫落、塌陷，嚴(yán)重時完全碎裂、脫落，甚至通透，出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象。

(3)因鉸縫混凝土開裂，導(dǎo)致橋面防水系統(tǒng)失效，橋面水會沿鉸縫下滲進(jìn)入主結(jié)構(gòu)。

(4)鉸縫漏水導(dǎo)致預(yù)制板邊緣析白，嚴(yán)重時會導(dǎo)致板鋼筋銹脹，混凝土開裂、破碎。

(5)重型車輛通過單板受力板時會產(chǎn)生明顯彈性下?lián)稀?/p>

(6)單板受力發(fā)生后，彈性下?lián)现饾u發(fā)展成塑性變形，單板受力板與兩側(cè)板之間形成永久性高差，嚴(yán)重時甚至斷裂。

(7)單板受力預(yù)制板底面跨中部位形成有規(guī)律的橫向貫通裂縫。

典型的鉸接板病害圖見圖2～圖4。

圖2　橋面鉸縫破碎帶Fig.2　Broken belt in bridge hinge joint

圖4　鉸縫漏水、析白 Fig.4　Hinge joint leakage and white frost

2病害成因分析[5]

鉸接板橋梁病害的出現(xiàn)是受多方面、多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果，其中包括鉸縫、鋪裝層的設(shè)計(jì)問題，以及鉸接板預(yù)制、鉸縫和鋪裝的施工問題和橋梁的使用狀況及后期養(yǎng)護(hù)問題等。歸納起來，主要原因有以下幾點(diǎn)：

2.1超載

超載是橋梁結(jié)構(gòu)病害發(fā)展的主要因素之一。以北京為例，根據(jù)市治超站對北京市2008年重載交通線的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)超限情況比較嚴(yán)重。其中最大車重?cái)?shù)量較大，重車平均超限大約在1～1.5倍。長期承受超過設(shè)計(jì)荷載的車輛荷載，會導(dǎo)致橋梁病害加劇，技術(shù)狀況急劇下降，甚至因承載能力不夠發(fā)展為危橋。

2.2氯離子侵蝕

對于北方地區(qū)來說，冬季雪后，通常需采取撒含大量氯離子的除冰鹽或融雪劑除雪，這種方式費(fèi)用低、效果好、見效快。但氯離子具有很強(qiáng)的腐蝕性，鹽水會通過瀝青混凝土滲入到橋面混凝土鋪裝層及鉸縫混凝土內(nèi)，導(dǎo)致橋面水泥混凝土鋪裝層及鉸縫混凝土內(nèi)鋼筋嚴(yán)重銹蝕?；炷?xí)蜾P脹開裂，嚴(yán)重?fù)p傷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.3預(yù)制板反拱問題

預(yù)制板在預(yù)制過程中，由于模板誤差、蒸養(yǎng)混凝土彈性模量不足時進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉以及混凝土徐變等因素，會造成預(yù)制板反拱值大小不一，反拱線形達(dá)不到設(shè)計(jì)要求值，這將直接影響到混凝土鋪裝層的厚度。

2.4鉸縫、橋面鋪裝施工問題

施工中鉸縫混凝土振搗不密實(shí)、預(yù)留鋼筋位置及連接沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求、鉸縫底部沒有按照要求澆注鉸縫砂漿、鉸縫內(nèi)雜物未清除等問題普遍存在。此外，主梁頂面和鉸縫兩側(cè)面沒有采取鑿毛、清理以及涂刷界面劑等施工措施，也無法確保鉸縫、預(yù)制板及混凝土鋪裝層三者之間的有效連接。鋪裝層混凝土施工厚度不足也是常見現(xiàn)象。以上因素會導(dǎo)致鉸縫混凝土的施工質(zhì)量嚴(yán)重不足，使得鉸縫成為整座橋梁的最薄弱環(huán)節(jié)。

2.5養(yǎng)護(hù)問題

很多橋梁沒有及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)甚至長期不養(yǎng)護(hù)，如排水設(shè)施缺失或不暢，伸縮縫堵塞、沒有對橋梁的局部病害如鋼筋銹脹、混凝土開裂、橋面鋪裝破損等進(jìn)行及時維修，造成橋梁長期帶病工作，病害逐步加劇，小毛病發(fā)展成大病害，最后發(fā)展成危橋。

2.6設(shè)計(jì)問題[6]

目前鉸縫多采用企口縫的形式，常見為漏斗形。為確?？招陌褰Y(jié)構(gòu)整體性，需將預(yù)制板中的鉸縫預(yù)留鋼筋伸出與相鄰板的鋼筋互相綁扎，鉸縫內(nèi)用細(xì)骨料混凝土填充，最后再澆注混凝土鋪裝層。對空心板而言，鉸縫顯然是一個復(fù)雜的受力結(jié)構(gòu)，承受了彎、拉、剪復(fù)合作用力。雖然車輛超載是產(chǎn)生單板受力主要原因，但從設(shè)計(jì)角度來看，出現(xiàn)單板受力的橋梁中，預(yù)制空心板頂板被壓碎的情況卻很少發(fā)生。這說明鉸縫部位在設(shè)計(jì)方面的安全儲備遠(yuǎn)低于頂板的設(shè)計(jì)，成為全橋的薄弱環(huán)節(jié)。目前設(shè)計(jì)主要存在如下問題與不足：

(1)鉸縫受剪截面過小?？招陌逋ㄟ^鉸縫傳遞橫向剪力，形成空間整體受力結(jié)構(gòu)。如果鉸縫受剪截面過小，則會因豎向抗剪強(qiáng)度不足而破壞。小鉸縫承擔(dān)小部分剪力，大部分剪力只能由橋面鋪裝來承擔(dān)。但橋面鋪裝層厚度一般為8～12 cm，抗剪能力也較弱，容易導(dǎo)致鋪裝混凝土開裂。

(2)設(shè)計(jì)中沒有考慮鉸縫混凝土自身的收縮作用。由于鉸縫混凝土與預(yù)制板混凝土并非同期澆注，導(dǎo)致兩者之間的混凝土收縮、徐變并不能同步發(fā)生，從而在鉸縫澆注面上產(chǎn)生附加應(yīng)力。此外，鉸縫接觸面由于表面粗糙度、潔凈度等達(dá)不到要求，導(dǎo)致接觸面混凝土的抗拉、抗剪結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)小于混凝土的正?？估⒖辜魪?qiáng)度，而設(shè)計(jì)時并沒有考慮新舊混凝土之間黏結(jié)力的弱化作用。

(3)鉸縫受板高限制，往往空間狹小，鉸縫鋼筋布置不合理。尤其是鉸縫下端橫向抗拉鋼筋錨固長度不足，容易引起鉸縫混凝土橫向拉裂破壞，進(jìn)而導(dǎo)致鉸縫失效。

(4)混凝土鋪裝層過薄。試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，參與鉸接板共同受力的混凝土橋面鋪裝層厚度及配筋對各板塊之間的橫向聯(lián)系有重要影響。目前混凝土鋪裝一般為10 cm，且配筋很少，難以承受現(xiàn)有超重車荷載的重復(fù)作用，在橫向彎矩作用下橋面鋪裝層出現(xiàn)裂縫是不可避免的。在局部荷載作用下，鉸縫處混凝土鋪裝層承受較大的正彎矩，下邊緣出現(xiàn)縱向裂縫，甚至造成整個截面的斷裂也時有發(fā)生。混凝土橋面鋪裝層縱縫的出現(xiàn)，進(jìn)一步削弱了各板塊之間的橫向連接，使各板受力更不均，形成惡性循環(huán)。嚴(yán)重時可能造成單板受力的最不利工作狀態(tài)。

(5)鉸接板橋橫向分配設(shè)計(jì)理論不夠完善，難以真實(shí)體現(xiàn)梁(板)實(shí)際受力狀態(tài)。從活載的橫向分布理論可知，對于鉸接板(梁)橋，目前主要有杠桿原理法、偏心壓力法、鉸接板法、比擬正交異性板法等4種計(jì)算方法。杠桿原理法可近似應(yīng)用于橫向聯(lián)系很弱的無中間橫隔梁的橋梁；偏心壓力法適用于有主梁、連續(xù)的橋面板和多道橫隔梁所組成的鋼筋混凝土T梁橋，當(dāng)其寬度與跨度之比較小(通常指橋的寬跨比小于1/2的情況)時采用；鉸接板法是根據(jù)橫向鉸接板 (梁)理論來計(jì)算荷載的橫向分布，這個理論的假設(shè)板(梁)之間只傳遞剪力而不傳遞彎矩；比擬正交異性板法適用于由主梁、連續(xù)的橋面板和多道橫隔梁所組成的鋼筋混凝土T梁橋，當(dāng)其寬度與跨度之比較大(通常指橋的寬跨比大于1/2的情況)時采用。因此，鉸接板的橫向分配計(jì)算理論首選杠桿原理法或鉸接板法，實(shí)踐中往往偏安全地用杠桿原理分布法來計(jì)算荷載位于靠近主梁支點(diǎn)時的橫向分布系數(shù)。對于跨中荷載橫向分布的計(jì)算，往往采用鉸接板法。雖然采用這兩種理論來分別計(jì)算梁端和跨中的橫向分配系數(shù)可最大限度來模擬鉸接板橋的受力狀況，但由于橋梁實(shí)際受力介于鉸接與剛接之間，采用以上理論對單個荷載進(jìn)行荷載橫向分配的計(jì)算方法，還是有很大誤差。

3常用鉸接板計(jì)算分析[7]

我國交通運(yùn)輸部發(fā)布過兩版應(yīng)用廣泛的鉸接板標(biāo)準(zhǔn)圖，目前在役橋梁用得最多的是按照交通部舊標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)的小鉸縫預(yù)應(yīng)力混凝土鉸接板橋。2008年，交通部組織多家設(shè)計(jì)單位，重新編制了鉸接板的通用標(biāo)準(zhǔn)圖。本次主要改進(jìn)在于提高了板預(yù)制混凝土的標(biāo)號，加大了鉸縫的尺寸，加強(qiáng)了鉸縫鋼筋的構(gòu)造，并根據(jù)不同的跨徑，增加板高5～10 cm。以典型的16 m跨徑中板為例，鉸縫外形見圖5、圖6。

圖5　 16 m板鉸縫大樣圖(舊標(biāo)準(zhǔn))(單位：cm)Fig.5　Detail drawing of hinge joint of 16 m plate (old standard)(unit:cm)

圖6　16 m板鉸縫大樣圖(新標(biāo)準(zhǔn))(單位：cm)Fig.6　Detail drawing of hinge joint of 16 m plate (new standard)(unit:cm)

采用傳統(tǒng)的橫向分布系數(shù)模擬鉸計(jì)算接板鉸縫的實(shí)際受力狀況有很大的誤差，采用有限元分析計(jì)算，才能更好地分析鉸縫的破壞機(jī)理。因此，本文選取不同鉸縫形式、連接方式等進(jìn)行建模計(jì)算分析。計(jì)算模型考慮如下計(jì)算條件：鉸縫與主梁結(jié)構(gòu)連接良好；橋面鋪裝與主梁頂面連接良好，且共同受力；活載加載車輛選用車輛荷載；加載位置按規(guī)范布載，最不利位置為140 kN的中間重軸，同時考慮車輪分布寬度，且考慮對鉸接縫的不利位置。

計(jì)算模型選擇13～20 m典型跨徑的簡支板，以常用的橋梁寬度7.5 m(6片預(yù)制板、板寬1.25 m)作為計(jì)算寬度，參與共同受力的混凝土鋪裝厚度按照8 cm進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間分析，另外2 cm的鋪裝作為均布荷載作用于板上(整個鋪裝層厚度為10 cm)。根據(jù)不同的鉸縫大小，采用有限元程序，建立實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算分析，共選取6個實(shí)體計(jì)算模型。計(jì)算時，將主梁、鉸縫及8 cm鋪裝分成若干個實(shí)體單元，考慮鉸縫與板單元之間共同受力，鉸縫既傳遞剪力，也傳遞彎矩。計(jì)算模型一覽表見表1。

表1　常用鉸接板橋計(jì)算模型一覽表(單位：m)

以典型的L=16 m跨簡支板為例，計(jì)算及荷載模型圖見圖7、圖8。

圖7　16 m板在汽車荷載作用下的整體模型圖Fig.7　Overall model of 16 m plate under vehicle load

圖8　16 m板跨中斷面圖Fig.8　Midspan cross-section of 16 m plate

板跨中撓度值反映了單板的剛度大小，板跨中撓度的分布情況則直接反映了橋梁活載橫向分布的均勻性。在汽車活載作用下，16 m舊、新標(biāo)準(zhǔn)簡支板的計(jì)算撓度分布云圖見圖9、圖10。

圖9　16 m板舊標(biāo)準(zhǔn)板撓度云圖(單位:mm)Fig.9　Nephogram of deflection of 16 m plate (old standard)(unit:mm)

圖10　16 m板新標(biāo)準(zhǔn)板撓度云圖(單位：mm)Fig.10　Nephogram of deflection of 16 m plate (new standard)(unit:mm)

以上各跨徑的新舊標(biāo)準(zhǔn)板跨中計(jì)算撓度列表見表2。撓度分布圖見圖11。

表2　新舊標(biāo)準(zhǔn)鉸接板跨中撓度一覽表(單位：mm)

圖11　新舊標(biāo)準(zhǔn)鉸接板跨中撓度對比圖Fig.11　Comparison of midspan deflections of hinged plate in new and old standards

從圖11、表2可以看出，跨徑越大，撓度越大，最大撓度發(fā)生在荷載作用集中的6#邊梁，最小撓度為遠(yuǎn)離荷載的1#邊梁，中間梁撓度值為漸變。可以看出新標(biāo)準(zhǔn)板的撓度明顯減小，且橫向更為均勻，這表明新標(biāo)準(zhǔn)板的設(shè)計(jì)有了很大的優(yōu)化與提高。板剛度更大，最大活載橫向分布系數(shù)更小，分布更為均勻。

選取最有代表性的16 m跨簡支板，來分析舊、新標(biāo)準(zhǔn)板應(yīng)力分布規(guī)律，重點(diǎn)分析導(dǎo)致鉸縫破壞的兩大關(guān)鍵因素，其分布云圖見圖12～圖13。

圖12　絞縫橫向正應(yīng)力(單位：N/mm2)Fig.12　Transverse normal stress of hinged plate joint (unit:N/mm2)

圖13　絞縫豎向剪應(yīng)力(單位：N/mm2)Fig.13　Vertical shear stress of hinged plate joint (unit:N/mm2)

從16 m跨新舊鉸接板的鉸縫橫向正應(yīng)力圖可以看出，橫向最大正應(yīng)力均出現(xiàn)在5#鉸縫，此斷面距跨中0.6 m，而非跨中斷面，主要是因?yàn)榇颂幘植亢奢d作用最大。1#～5#鉸縫橫向正應(yīng)力的大小呈遞減趨勢。新標(biāo)準(zhǔn)鉸縫的最大正應(yīng)力為0.61 MPa，與舊標(biāo)準(zhǔn)鉸縫的0.60 MPa相當(dāng)，主要原因是新標(biāo)準(zhǔn)雖然提高了梁高，但同時將鉸縫深度由48 cm增加到68 cm，因此，鉸縫最大橫向正應(yīng)力值并沒有明顯的降低，總體上，兩者均小于C40，C50混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65，1.83 MPa以及標(biāo)準(zhǔn)值2.40，2.65 MPa，這表明在車輛荷載作用下，鉸縫不會因?yàn)槔瓚?yīng)力不足而引起下部拉裂破壞。

從新舊鉸接板的豎向剪應(yīng)力圖可以看出，豎向最大剪應(yīng)力斷面在鉸縫的端部位置，跨中及距跨中0.6 m斷面鉸縫豎向剪應(yīng)力值不大。舊鉸縫最大剪應(yīng)力值0.61 MPa，新鉸縫最大剪應(yīng)力值為0.34 MPa，新鉸縫應(yīng)力有了明顯的降低，主要是因其鉸縫深度增加了20 cm，鉸縫與預(yù)制板之間的豎向受剪面積明顯增大。兩者剪應(yīng)力均小于C40，C50混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、標(biāo)準(zhǔn)值。這表明在車輛荷載作用下，鉸縫不會因?yàn)槔瓚?yīng)力不足而引起鉸縫側(cè)面剪切破壞。

對于掛-120荷載，其跨中彎矩荷載效應(yīng)為車輛荷載的2.99倍，因此，在掛車荷載作用下，對于新、舊標(biāo)準(zhǔn)板而言，計(jì)算正應(yīng)力可以達(dá)到1.82，1.79 MPa，剪應(yīng)力達(dá)到1.02，1.82 MPa，除新標(biāo)準(zhǔn)板鉸縫的剪應(yīng)力值尚有一定的富余外，兩種板的正應(yīng)力及舊標(biāo)準(zhǔn)板鉸縫的剪應(yīng)力值已經(jīng)大于C40混凝土設(shè)計(jì)值，達(dá)到C50混凝土設(shè)計(jì)值，小于兩者標(biāo)準(zhǔn)值。故在理想施工狀態(tài)下，舊標(biāo)準(zhǔn)板跨中附近位置的鉸縫底部拉壞的風(fēng)險(xiǎn)較大，支點(diǎn)附近截面鉸縫側(cè)向剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)大。新標(biāo)準(zhǔn)板跨中附近位置的鉸縫底部被拉壞的風(fēng)險(xiǎn)大，故新標(biāo)準(zhǔn)板也需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4加固設(shè)計(jì)方法

鉸接板橋梁進(jìn)行加固，要根據(jù)鉸接板的計(jì)算分析結(jié)果及病害情況[8]的不同，采取不同的方式、方法。常用的有增設(shè)橫向鋼板帶、縱向預(yù)應(yīng)力加固、黏貼縱向鋼板加固、鉸縫改造等，這幾種方法均為常規(guī)做法，本文不再詳細(xì)介紹?？偨Y(jié)近年的研究及加固經(jīng)驗(yàn)，將舊橋混凝土鋪裝層改造成為加厚的混凝土整體化層的加固方法[9]，可以有效地改善鉸接板橫向分配的均勻性，明顯增大橋梁的剛度。此法存在以下優(yōu)勢：(1)設(shè)計(jì)計(jì)算明確、較簡單；(2)所采取加固措施受原結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響小；(3)工序簡單，施工快速，易于施工操作；(4)加固效果顯著，是所有方法中最好的；(5)通過對橋面系防水層等方面的維修，結(jié)構(gòu)耐久性好；(6)對橋梁使用運(yùn)營階段養(yǎng)護(hù)要求低。(7)經(jīng)濟(jì)性好。具體做法為：鑿除現(xiàn)況破損的橋面鋪裝，在橋面板上植入剪力釘，使混凝土鋪裝層的總厚度增加至14～16 cm。鋪裝層采用雙層鋼筋網(wǎng)，并與剪力釘焊接成整體。補(bǔ)強(qiáng)層混凝土采用快硬、早強(qiáng)、無收縮的高標(biāo)號混凝土，以減少新澆混凝土的收縮，從而減少新舊混凝土之間因收縮徐變而產(chǎn)生的差動收縮力，提高補(bǔ)強(qiáng)效果。施工時應(yīng)注意將橋面板頂面鑿毛，確保表面粗糙，澆注鋪裝混凝土?xí)r，應(yīng)確保板頂面潔凈。整體化層加固示意圖見圖14。

圖14　橫向鉸接空心板橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固Fig.14　Reinforced layer of deck of lateral hinged hollow slab bridge

5優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)計(jì)算分析及加固設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并考慮到超載的現(xiàn)實(shí)存在，應(yīng)盡量采用預(yù)制T梁或小箱梁[10]，因其加固技術(shù)相對簡單有效[11]。加固技術(shù)增大單板的承載能力安全儲備，防止在使用過程中，因鉸縫破壞、橫向聯(lián)系變差時，單板因承載能力不足而破壞。對于鉸接板橋，增強(qiáng)混凝土鋪裝層，加大鉸縫尺寸、改變鉸縫形狀、細(xì)化鉸縫構(gòu)造是主要措施。其中加大混凝土鋪裝層的厚度，并將其作為受力結(jié)構(gòu)的一部分，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1加強(qiáng)理論研究，盡量采用空間有限元程序?qū)︺q接板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析

對于橋梁的橫向分配，目前的計(jì)算理論有所不足。傳統(tǒng)計(jì)算方法均存在一定的局限性，且誤差較大，比如鉸接板法[12]，假設(shè)板縫之間是一個只傳遞剪力、不傳遞彎矩的鉸。實(shí)際上，鉸縫是個半剛性連接，剛度取決于鉸縫的大小、形狀、施工質(zhì)量以及混凝土鋪裝層的厚度、構(gòu)造等。而這樣的結(jié)構(gòu)，用傳統(tǒng)的平面桿系結(jié)構(gòu)很難準(zhǔn)確模擬與計(jì)算。此外，鉸縫的鋼筋構(gòu)造方式?jīng)Q定了它幾乎不能轉(zhuǎn)動，如果轉(zhuǎn)動了，鉸縫也破壞了，一旦破壞，會造成單梁受力，根本起不到鉸的傳力作用。因此，應(yīng)盡量采用空間有限元程序進(jìn)行分析，了解鉸縫的真實(shí)受力狀況，減少計(jì)算誤差。

5.2增加鉸接板橋的混凝土鋪裝層厚度，并加強(qiáng)其與預(yù)制件的連接

現(xiàn)有混凝土鋪裝層厚度僅為10 cm，考慮到預(yù)制板預(yù)制、拼裝時的誤差，不同位置的實(shí)際厚度應(yīng)該為8～12 cm。去除2 cm磨耗層，最薄的地方只有6 cm 的受力層。因此，加大混凝土鋪裝層的厚度可大大提高主梁橫向分配的均勻性，降低單梁承載力，明顯改善橋梁的受力狀況。同時，應(yīng)加大對整體化層內(nèi)部鋼筋的配筋率，尤其是要加大橋梁橫向主筋的直徑，減小其間距，建議不低于15 cm。為確保整體化層與預(yù)制梁的有效連接，可考慮主梁在預(yù)制時預(yù)埋錨筋，待混凝土整體化層施工時，將其與整體化結(jié)構(gòu)層內(nèi)的鋼筋有效連接，起到抗剪作用，避免剪力完全由兩層混凝土的接觸面?zhèn)鬟f。為確保主梁頂面混凝土與鋪裝混凝土的有效結(jié)合，一定要對主梁頂面混凝土進(jìn)行鑿毛，待錨筋與整體化層鋼筋連接并徹底清除雜物后，涂刷界面劑后才能澆注混凝土。

5.3加大鉸接板鉸縫尺寸，確保底部橫向錨固鋼筋N1長度

鉸縫與混凝土鋪裝層共同作用，是橫向傳力的關(guān)鍵部位，鉸縫質(zhì)量的好壞及配筋構(gòu)造，直接關(guān)系到橫向分布系數(shù)的大小及橫向力分布的均勻性。

舊標(biāo)準(zhǔn)圖在長期的使用過程中發(fā)現(xiàn)存在不少不足，主要是整體上鉸縫尺寸偏小、構(gòu)造偏弱，出現(xiàn)受損或者橫向分布不均勻現(xiàn)象較為普遍。尤其是鉸縫尺寸小，最窄地方只有11 cm，導(dǎo)致混凝土振搗極其困難，無法保證混凝土密實(shí)度，混凝土空洞、蜂窩現(xiàn)象比較普遍。此外，鉸縫內(nèi)配筋N1錨固長度很小，板內(nèi)預(yù)埋的鉸縫橫向鋼筋縱向間距達(dá)到20 cm，直徑只有φ8 mm,φ10 mm，偏小。由于鉸縫小，鉸縫鋼筋錨固長度小，導(dǎo)致整個鉸縫的橫向鋼筋連接效果差，鉸縫承載能力差，鉸縫極易發(fā)生破壞，嚴(yán)重時甚至形成單梁受力。

交通運(yùn)輸部2008年版的新標(biāo)準(zhǔn)圖，從實(shí)際運(yùn)行效果來看，對鉸接板的橫向分布均勻性起到了很大的改善作用，單板承載力也有了明顯提高。但是經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在重載線路，鉸接板鉸縫破壞現(xiàn)象還是比較普遍，鉸縫的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為進(jìn)一步了解預(yù)制板內(nèi)錨固鋼筋N1的錨固狀況，需對鉸縫內(nèi)N1鋼筋的錨固長度及握裹力進(jìn)一步計(jì)算分析。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的有關(guān)規(guī)定，錨固長度公式如下：

(1)

式中，fsk為鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；d為鋼筋直徑；τ為鋼筋與混凝土極限錨固黏結(jié)力。

新舊標(biāo)準(zhǔn)板混凝土標(biāo)號分別為C40和C50，舊標(biāo)準(zhǔn)板采用光圓鋼筋，新標(biāo)準(zhǔn)板采用帶肋鋼筋。鋼筋與混凝土極限錨固黏結(jié)應(yīng)力參考《英國混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范BS 5400》(1984)的有關(guān)規(guī)定，經(jīng)計(jì)算，對于舊鉸縫，光圓φ8鋼筋在C40鉸縫混凝土內(nèi)的最小錨固長度為24.8 cm，而按照舊鉸縫的構(gòu)造，實(shí)際錨固長度只有15 cm，從而導(dǎo)致混凝土握裹力不足，鋼筋與混凝土接觸面發(fā)生相對滑動而破壞。

2004年版的新規(guī)范，N1改用帶肋鋼筋，直徑采用φ10，混凝土標(biāo)號提高到C50，則計(jì)算錨固長度為25.4 cm，新標(biāo)準(zhǔn)板縫寬度沒有變化，實(shí)際錨固長度仍然為15 cm，也只有需要長度的60%。

根據(jù)前述計(jì)算分析，鉸縫破壞主要是橫向受拉破壞，由于拉應(yīng)力大于鉸縫混凝土及鉸縫接觸面的混凝土拉應(yīng)力，最終的拉力必然由N1鋼筋來承擔(dān)，而前述兩種標(biāo)準(zhǔn)板均不能滿足要求，必須對鉸縫鋼筋的配置進(jìn)行改進(jìn)，那就是增大鉸縫尺寸來增加錨固長度。

現(xiàn)行交通運(yùn)輸部的標(biāo)準(zhǔn)圖，其N1設(shè)計(jì)存在的問題主要是鉸縫內(nèi)錨固長度不足，且在掛-120車輛荷載下，其配筋略有不足。N1仍然采用φ10，計(jì)算需要25.4 cm的錨固長度，再加上2.5 cm的保護(hù)層，鉸縫在此處的最小寬度應(yīng)該為30.4 cm。據(jù)此，可將鉸縫在此處的寬度由17 cm增加到31 cm，即可滿足錨固長度的需求。同時，為解決掛車荷載下配筋不足問題，建議鋼筋縱向間距由20 cm調(diào)整為15 cm。

過小的鉸縫會導(dǎo)致縫內(nèi)鋼筋密集，縫內(nèi)混凝土振搗困難，容易出現(xiàn)蜂窩、空洞等情況。將鉸縫適當(dāng)加大，不僅使得鉸縫的鋼筋安裝及綁扎、焊接更為便捷方便，混凝土的澆注與振搗效果也更好。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，所采用的鉸縫及形狀見圖15，鉸縫大樣及構(gòu)造見圖16、圖17。

圖15　16 m板橫斷圖(單位：cm)Fig.15　Cross-section of 16 m plate(unit:cm)

圖16　16 m板鉸縫大樣圖(單位：cm)Fig.16　Detail drawing of hinge joint of 16 m plate(unit:cm)

圖17　16 m板鉸縫構(gòu)造圖(單位：cm)Fig.17　Structure of hinge joint of 16 m plate(unit:cm)

5.4取消N1錨固鋼筋，鉸縫內(nèi)設(shè)置抗拉銷栓

因鉸縫內(nèi)N1鋼筋錨固長度不足的問題難以解決，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案也可直接將其取消，改用抗拉銷栓，同時也便于鉸縫內(nèi)銷栓的安裝?？估N栓在鉸縫內(nèi)的設(shè)置及構(gòu)造大樣見圖18、圖19。

圖18　鉸縫銷栓設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)Fig.18　Schematic diagram of design of pin bolt on hinge joint(unit:cm)

圖19　鉸縫銷栓安裝大樣圖(單位：cm)Fig.19　Detail drawing of installation of pin bolt on hinge joint(unit:cm)

對于板內(nèi)預(yù)埋筋N2，考慮到此處沒有拉應(yīng)力，是以受壓為主，故鋼筋直徑及連接方式不變，只是將鋼筋間距由@20 cm調(diào)整為@15 cm。鉸縫內(nèi)N3，N4鋼筋的設(shè)置維持現(xiàn)行交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)圖集不變。

鉸縫內(nèi)混凝土與預(yù)制板結(jié)合程度，直接關(guān)系到鉸縫質(zhì)量的好壞，施工時應(yīng)對鉸縫進(jìn)行認(rèn)真的鑿毛處理。

5.5取消鉸接板鉸縫，加強(qiáng)混凝土鋪裝層設(shè)計(jì)，厚度由10 cm加大到15 cm

目前鉸縫存在的最大問題是，鉸縫設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，造成鉸縫的受力狀態(tài)差，設(shè)計(jì)理論是考慮鉸縫與混凝土共同受力。實(shí)際上，往往是鉸縫達(dá)不到其設(shè)計(jì)受力狀態(tài)及要求。總結(jié)多年的鉸接板橋加固經(jīng)驗(yàn)，對于失效的鉸接板橋，當(dāng)鉸縫無法維修或不能徹底維修時，往往只通過加厚混凝土鋪裝層，即整體化層維修設(shè)計(jì)措施時，能達(dá)到比較好的效果。因此，在新建鉸接板橋時，可以考慮取消鉸縫，改由混凝土整體化層來加強(qiáng)橫向活載的傳遞。為防止鉸縫處應(yīng)力集中，可以在鉸縫位置處設(shè)置倒角，設(shè)計(jì)示意圖見圖20。

圖20　無鉸縫板設(shè)計(jì)示意圖Fig.20　Schematic diagram of design of plate without hinge joint

6結(jié)論

本文總結(jié)了鉸接板橋的主要特點(diǎn)，指出了鉸接板橋鉸縫引起病害的主要特征，并分析了產(chǎn)生這些病害的主要原因，重點(diǎn)分析了因設(shè)計(jì)而導(dǎo)致病害產(chǎn)生的因素。在總結(jié)鉸接板橋的常用設(shè)計(jì)理論及適用條件的基礎(chǔ)上，采用空間有限元程序?qū)ΤＳ玫? m寬單車道橋按照不同跨徑、不同鋪裝、不同鉸縫進(jìn)行建模計(jì)算分析，得出了鉸接板橋的撓度云圖及鉸縫受力薄弱環(huán)節(jié)的位置及關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，提出了加固及新建鉸接板橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并對這些設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析與說明，這些方法具有很大的實(shí)用性，核心方法就是圍繞鋪裝層厚度及鉸縫構(gòu)造這兩大影響因素來進(jìn)行。通過對鋪裝層及鉸縫構(gòu)造的加強(qiáng)設(shè)計(jì)、細(xì)部銷栓構(gòu)造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可極大地改善鉸接板橋的受力狀況，尤其是采用的鉸縫銷栓構(gòu)造直接傳遞橫向拉應(yīng)力，可徹底解決鉸縫底部N1鋼筋錨固不足的問題，使得板的橫向分配更為均勻合理，也提高了單板的承載能力，可有效提高新建鉸接板橋的橫向分布均勻性及耐久性。這些方法可在鉸接板橋的加固與設(shè)計(jì)中進(jìn)一步得到應(yīng)用。

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關(guān)鍵詞：橋梁工程；鉸接板；優(yōu)化設(shè)計(jì)；橫向分配；鉸縫；整體化層

Analysis and Optimization Design Method of Diseases of Hinged Plate Bridge LIU Neng-wen, YANG Yong

(Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd., Beijing 100082，China)

Abstract：Hinged plate bridge in China owns a very wide range of applications, but its shortcomings and diseases in design, construction and service process is generally more serious, at present there is no good solution. We introduced the characteristics, main disease characteristics and the harmfulness of hinged plate bridge, summed up the causes of these diseases. We focused on the analysis of the shortcomings and defects in its designing, analyzed and calculated the old standards of MOC and the current situation of the standard graph design to obtain the key disrupt factors of hinged plate bridge. On this basis, we put forward the hinged plate bridge reinforcement and the new optimal design method, which is referential to solve the problems currently exist in the hinged plate bridges.

Key words：bridge engineering； hinge joint；optimization design； transverse distribution；hinged plate； integrated layer

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)02-0073-09

中圖分類號：U443.3

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.012

作者簡介：劉能文(1970-)，男，安徽合肥人，教授級高工.(lnw99@126.com)

基金項(xiàng)目：北京市交通行業(yè)科技項(xiàng)目(2014Z10S-KYQL-038)

收稿日期：2015-06-03