桥梁单板受力病害分析及处理策略

2011-02-27戴桂华

湖南交通科技 2011年2期

戴桂华

(湖南省张花高速公路建设开发有限公司,湖南张家界 427000)

随着我国交通基础设施的快速发展,公路交通运输量大幅度增长。行车密度及车辆载重越来越大,而桥梁单板受力病害的产生,使得相当一部分现有桥梁已不能满足使用上的要求。湖南省运营的多条高速公路普遍存在着单板受力病害。所谓桥梁单板受力病害,顾名思义,即装配式板梁桥横向连接破坏,横向分布失效,造成由车轮直接作用的单个板梁独自承受行车荷载。该病害破坏桥梁功能的整体性,引起荷载横向分布不利变化和桥面板的内力集中。如何避免该病害的发生及有效处理现有病害显得尤为重要。

1 单板受力病害特点

根据作者多年的现场调查发现,桥梁单板受力病害的主要特点如下:

1)行车道部分的开裂频率远大于超车道部分,这主要是因为超载车一般只在行车道行驶。

2)单板受力病害一般发生在各种不同跨径的钢筋混凝土板梁桥上,而其他型式的桥梁,如箱型梁桥、T型梁桥则很少发生或不发生。

3)重型车辆通过单板受力梁板时,产生明显的弹性下挠,与相邻梁板产生上下错位,形成台阶,重车通过后,这种错位自动消失并回复原状。

4)发生病害的梁板,铰缝处混凝土发生剪切破坏。首先,板底勾缝脱落,铰缝混凝土逐步松散而脱落。目前常用的企口式混凝土铰缝形式有圆形、菱形和漏斗形等3种,见图1。

图1 各种铰缝形式

5)实心板比空心板更容易出现单板受力。因为实心板的梁高通常比空心板小,铰缝受剪面积也小,在轮载相同的情况下,剪切作用更为明显。

6)发生病害的梁板,由于荷载的反复作用,桥面铺装混凝土面层普遍存在车辙、网裂(一般位于跨中部位)或纵向裂缝(一般从跨中向两端延伸,最终贯通)。其病害分布在梁板铰缝上方,严重时形成一条破碎带。

7)桥面铺装产生裂缝,降水沿裂缝下渗,在板底和墩台帽上留下明显的渗水痕迹,并发生明显的碱集料反应而产生碱蚀破坏。

8)桥面铺装层较厚者单板受力较少,它得益于轮载传力面积的扩散效果。

9)在桥面厚度相同的情况下,水泥混凝土铺装比沥青混凝土要好些。因为水泥混凝土的抗剪能力远大于沥青混凝土,而且对应力的扩散作用也较大。

10)支座顶为湿接头的比预制梁板直接压设在橡胶支座上的好一些。因为每块预制板通常都设4个支座,施工中很难保证4个支座受力完全一致。另外,橡胶支座都有一个较大的接触面,施工时即使是同一个支座,也难以保证接触面全面与梁板底面紧密接触,造成受力不匀,给梁端受剪留下隐患。

11)病害一般发生在高速公路运营3～4 a后,而且病害有逐年递增的趋势。

2 单板受力病害原因的分析

从目前情况来看,湖南、湖北和广西等省份的桥梁病害特征及交通状况类似,通过对湖南省单板受力状况及加固方法的调查和对周边省份的调查,经过分析研究,作者认为单板受力病害主要是由于梁板间铰缝受荷载剪切作用所致。其成因可以从设计、施工和使用3个方面来分析。

2.1 设计方面

尽管车辆超载是产生单板受力的主要原因所在,但从设计角度来看,为什么在已出现单板受力的桥梁中,预制空心板顶板被压碎的情况却极少发生?这至少可以说明铰缝部位在设计方面的安全储备远低于顶板的设计。目前通常的预制板设计,一般都存在以下一些缺憾。

1)铰缝的形式不够合理。铰缝的断面形式多为V字型企口缝,下口缝宽约为1 cm左右,如果再加上梁板预制和安装就位时的误差,会造成铰缝的浇筑质量难以保障。对于跨径较大的桥梁,梁板两端一定范围的铰缝为平企口缝,宽度较窄,很难浇筑或无法浇筑。

2)铰缝设计理论不够完善,难以真实体现板间的实际受力状况。预制拼装的铰接板梁桥,荷载横向分布计算采用的是横向铰接板(梁)法。此种方法的基本假定是相邻板(梁)之间视为铰接,只传递剪力,而实际情况下,铰缝不但传递剪力,同时也承受横向弯矩作用。由于铰缝本身的横向连接比较薄弱,那么横向弯矩主要由铰缝顶面的混凝土铺装层来承担。但是,混凝土铺装层设计厚度又偏薄,致使铰缝承担更大的横向弯矩。

3)铰缝钢筋布置太少,顶板连接钢板抗力不足。

4)设计时没有考虑铰缝混凝土自身的收缩作用,没有足够重视新旧混凝土间粘结力的弱化作用。

2.2 施工方面

由于铰缝混凝土体积小,在实际施工中一直没有得到足够的重视,而铰缝混凝土的施工质量又是产生单板受力的关键因素,因此铰缝施工要引起施工单位及监理的高度重视,除严格按设计文件及相关施工规范进行施工外,施工时应注意以下几个方面。

1)梁板吊装时,要密切注意梁板与橡胶支座是否紧密接触,使支座均匀受力,切忌支座脱空。

2)最好使用防收缩或膨胀水泥浇筑铰缝混凝土。

3)铰缝混凝土务必饱满密实,并进行必要的养护。铰缝混凝土未达到设计强度前,严禁重型车辆在桥上行驶,以免造成铰缝产生内伤。

4)确保铰缝处预留足够的钢筋。

5)预制板侧面要进行凿毛处理,并清除松动混凝土块,浇筑铰缝混凝土前,应对预制板侧面进行洒水湿润,以增强新旧混凝土间的黏结力和抗剪能力。

2.3 使用方面

1)目前高速公路上行使的重载车辆较多,超载运输的现象比较严重,桥梁在超载车辆的长期重复作用下,加速了铰缝混凝土的破坏速度,应该说,超载现象是形成桥梁单板受力的主要原因。

2)运营过程中,应注意桥面排水。大部分铰缝混凝土总是先有渗水,然后出现脱落。桥面防水性能不好,雨雪等渗入铰缝混凝土,通过雨雪的反复冻融作用,铰缝混凝土逐渐碎裂而渐渐脱落。

3 预防单板受力的措施

单板受力问题严重影响桥梁的正常使用和行车安全,解决问题的宗旨应在于防患于未然,因此应从设计方面人手,采取必要的预防措施。本文作者认为,除了规范运输以外,从以下三方面考虑,便可基本消除单板受力的弊端。

1)对于小跨径桥梁,尽量设计成整体现浇结构。

2)采用深铰缝。

3)在预制板的跨中和两端设计横隔暗梁,以加强相邻梁体间的联结作用,当然铰缝相应部位的钢筋也须予以加强。

4)对预制板设横向预应力筋。因为预制板(多数为空心板)的跨径一般都在20m以下,所以横向预应力筋的设置一般只在跨中和两端共设三道即可。其中两端的横向预应力筋,除了加强铰缝的抗剪能力外,尚有克服支座不均匀变形方面的作用。

众所周知,铰缝的抗剪强度除了混凝土质量以外,在很大程度上取决于新旧混凝土间的粘结力和摩阻力,其中摩阻力=垂直力×摩阻系数,由此可见,设置横向预应力可以大大增强铰缝的抗剪强度。另外,横向预应力的作用还有助于提高铰缝混凝土本身的抗剪能力,对铰缝混凝土本身的收缩也极为有利。因此,设置横向预应力可以说是抓住了问题的关键,对于铰缝的施工也可不必苛求。