朱 屏

(宜賓市敘州區(qū)農(nóng)村公路建設(shè)管理所 宜賓市 644100)

0 引言

伴隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，公路橋梁發(fā)展迅速，作為橋梁工程中常見(jiàn)的橋型，混凝土空心板橋因其具有結(jié)構(gòu)自重輕、受力性能好、建筑高度小、施工方便、造價(jià)低且可批量化預(yù)制等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于公路中小橋梁建設(shè)。但此類橋梁在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，由于多種因素導(dǎo)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(kāi)裂等典型病害導(dǎo)致鉸縫失效，橋梁出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象。橋梁?jiǎn)伟迨芰?yán)重削弱了橋梁上部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生彈性下?lián)?，與相鄰空心板上下錯(cuò)位明顯，形成臺(tái)階；在車輛荷載長(zhǎng)期作用下，彈性下?lián)现饾u變成塑性變形，形成永久性臺(tái)階[1]，使得上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件處于非常不利的受力狀態(tài)，降低了結(jié)構(gòu)耐久性，嚴(yán)重影響橋梁的結(jié)構(gòu)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(xiàn)

圖4 空心板縱縫破壞

1 鉸縫的工作原理

通過(guò)觀察空心板橋的橫截面(圖5)可以看出它是由數(shù)塊梁板并排排列組合而成的，而為了使得原本獨(dú)立的各梁板在橫橋向連接成為一個(gè)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(yīng)力過(guò)大，提高橋梁的承載能力，通過(guò)在空心板間設(shè)置現(xiàn)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(guó)內(nèi)常見(jiàn)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(guó)內(nèi)空心板常見(jiàn)鉸縫形式

2 鉸縫破壞成因分析

通過(guò)大量的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)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(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展使得橋梁長(zhǎng)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(shí)承受豎向剪力。在這種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，一旦橋面行駛超載車輛，鉸縫處所受內(nèi)力會(huì)迅速增大。

(2)結(jié)構(gòu)次內(nèi)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(huì)產(chǎn)生次內(nèi)力，在次內(nèi)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(kāi)，出現(xiàn)這種現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(fù)作用下，會(huì)沿著板縫縱向開(kāi)裂，當(dāng)超載車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，空心板的撓度加大，加劇了橋面鋪裝的縱向開(kāi)裂，鉸縫混凝土和鋪裝層產(chǎn)生裂縫，經(jīng)過(guò)雨水侵蝕、泥沙堵塞等破壞，加速鉸縫失效。

(4)次生災(zāi)害。在橋梁的服役過(guò)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(zāi)害使得橋墩或橋臺(tái)的基礎(chǔ)形成不均勻沉降，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)換使得主梁與橋面板產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出結(jié)構(gòu)的承載能力，導(dǎo)致空心板和起到橫向聯(lián)接作用的鉸縫破壞失效。

2.2 設(shè)計(jì)因素

(1)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與實(shí)際不符。鉸接板的受力計(jì)算理論忽略了鉸縫受壓和受拉的情形，且鉸縫受剪計(jì)算圖式與實(shí)際受力狀態(tài)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(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)所采用的鉸縫板間橫向聯(lián)結(jié)薄弱，較難使鉸縫與預(yù)制板牢固結(jié)合，在橫向不能形成較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)?？招陌彘g預(yù)埋的連接鋼筋薄弱，且抗拉能力低，經(jīng)常出現(xiàn)鉸縫連接鋼筋被拉斷的情況。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)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(wèn)題。由于鉸縫處的橫橋向連續(xù)剛度較差，當(dāng)荷載作用在鉸縫處時(shí)，鉸縫間的橋面鋪裝必然為受力薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致橋面鋪裝破壞進(jìn)一步惡化，加速鉸縫破壞[4]。

2.3 施工因素

空心板橋設(shè)計(jì)預(yù)留的鉸縫空間小，當(dāng)澆注鉸縫混凝土?xí)r振搗混凝土僅能采取插搗方式進(jìn)行，然而采取插搗方式振搗不密實(shí)，會(huì)降低混凝土的密實(shí)度從而影響鉸縫質(zhì)量。此外，鋼筋綁扎不合要求，施工時(shí)對(duì)板梁的橫向聯(lián)結(jié)沒(méi)有引起足夠重視。施工時(shí)對(duì)混凝土鋪裝層內(nèi)的鋼筋網(wǎng)位置控制不準(zhǔn)、預(yù)制板鉸縫及頂面鑿毛不到位。施工完成后，部分鋼筋網(wǎng)位于鋪裝層與板梁間，形成一道夾層，鋼筋網(wǎng)未達(dá)到使用效果，混凝土鋪裝層及鉸縫與預(yù)制行車道板粘結(jié)不牢固情況導(dǎo)致。

3 鉸縫失效后的有限元分析

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

圖7 Midas Civil 20m簡(jiǎn)支梁模型圖

該模型荷載包括自重、預(yù)應(yīng)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(hù)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(shí)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(jí)。模型一共設(shè)置了3個(gè)工況。

工況1：成橋狀態(tài)下空心板的受力與變形。

測(cè)試內(nèi)容：活載作用下的變形。

工況2：鉸縫破壞狀態(tài)下空心板的受力與變形。

測(cè)試內(nèi)容：活載作用下的變形。

工況3：鉸縫破壞+加勁橫梁狀態(tài)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(guò)膨脹螺栓連接)

測(cè)試內(nèi)容：活載作用下的變形。

圖8 車道荷載的布置

3.1 成橋狀態(tài)下空心板在活載作用下的變形

從應(yīng)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(xié)調(diào)。

圖9 成橋狀態(tài)下空心板在活載作用下的變形

3.2 鉸縫破壞狀態(tài)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(shí)，單板受力非常明顯，橫橋向應(yīng)力分布不均勻，變形不協(xié)調(diào)。

圖10 鉸縫破壞狀態(tài)下空心板的受力與變形

3.3 鉸縫破壞+加勁橫梁狀態(tài)下空心板的受力與變形

如圖11所示，對(duì)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(yīng)力分布較均勻，變形也比較協(xié)調(diào)與成橋狀態(tài)活載作用下變形基本一致。

圖11 鉸縫破壞+加勁橫梁狀態(tài)下空心板的受力與變形

3.4 三種工況下對(duì)比分析結(jié)果

三種工況作用下空心板橋的受力與變形對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

表1 三種工況下空心板橋受力變形結(jié)果表

從表1中的對(duì)比結(jié)果可以看出在鉸縫破壞失效狀態(tài)下的空心板板頂上緣最大壓應(yīng)力、撓度、活載引起的內(nèi)力值都有著明顯的增加，而對(duì)于鉸縫破壞后增設(shè)加勁橫梁后空心板其受力結(jié)果與鉸縫未受破壞的空心板受力結(jié)果相近，從有限元模型分析的角度印證了通過(guò)鉸縫連接和加強(qiáng)橋面板的橫向聯(lián)系減小單塊梁板的受力，防止局部應(yīng)力過(guò)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(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全威脅巨大，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取安全措施。對(duì)于鉸縫失效的加固維修，可以采用施加體外橫向預(yù)應(yīng)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(guò)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(jìn)行加固，提高橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力[5]。

4.1 體外橫向預(yù)應(yīng)力加固法

體外橫向預(yù)應(yīng)力加固法是在對(duì)原鉸縫修復(fù)和加強(qiáng)的基礎(chǔ)上，在橫橋向空心板底增置體外橫向無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的方式來(lái)增強(qiáng)各空心板間的橫向聯(lián)系，減小單塊梁板的受力，防止局部應(yīng)力過(guò)大，提高橋梁的承載能力。如圖12、圖13所示。施工時(shí)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(shí)微膨脹混凝土)，隨后張拉設(shè)置在空心板下方的橫向體外預(yù)應(yīng)力鋼束，最后進(jìn)行橋面鋪裝及墊層混凝土施工。

圖12 體外橫向預(yù)應(yīng)力加固

圖13 橫向預(yù)應(yīng)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(xué)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(jìn)行橋面鋪裝及墊層混凝土施工，加強(qiáng)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(guò)在橋面種植鋼筋，綁扎橋面鋼筋網(wǎng)，如圖15，然后澆注橋面混凝土恢復(fù)橋面鋪裝，使得橋面板結(jié)合成為一個(gè)整體，利用增大截面的方式增強(qiáng)橋梁上部構(gòu)件的整體抗彎剛度，使橋面荷載在每塊板上分?jǐn)偟酶泳鶆?，降低了鉸縫處橋面鋪裝底面的拉應(yīng)力和板塊的峰值內(nèi)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(guò)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(jìn)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(duì)梁板底部和頂部進(jìn)行打磨平整，清理鉸縫混凝土，再將環(huán)氧基液粘劑涂抹在底部鋼板上，然后通過(guò)螺栓和拉桿連接頂部鋼板，最后進(jìn)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(jié)語(yǔ)

回顧了不同類型鉸縫的工作原理，對(duì)鉸縫破壞的原因進(jìn)行分析歸納，并通過(guò)有限元模擬分析鉸縫失效后橋面板的受力狀態(tài)，驗(yàn)證了通過(guò)鉸縫連接和加強(qiáng)橋面板的橫向聯(lián)系可有效提高橋梁的承載能力。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)列舉了體外橫向預(yù)應(yīng)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(duì)解決類似工程問(wèn)題具有參考意義。