交通弱干扰下的板梁桥铰缝加固技术

张守军

（江苏省交通科学研究院股份有限公司桥梁所，江苏南京 211112）

由于板梁桥荷载传递路径明确、施工方便，能较好地适应道路路线，在中国得到了广泛的应用。随着经济的发展，道路荷载等级需求提高，超载车辆增多，会导致板梁桥铰缝开裂。在汽车荷载频繁作用下，铰缝开裂逐渐发展，外界雨水通过路面裂缝渗入板梁铰缝，侵蚀铰缝内的混凝土和钢筋，使得板梁铰缝逐渐失效，加大了桥梁运营的安全隐患。

解决板梁铰缝开裂的工程问题，常用的铰缝加固方法有：桥面补强层加固法、铰缝植筋加固法、粘贴钢板加固法及体外预应力加固法。桥面补强层加固法［1］能够有效控制桥梁裂缝的开展，防止铰缝部位裂缝流入雨水对铰缝混凝土和钢筋的侵蚀。铰缝植筋加固法［2］是在桥面补强层加固法的基础上建立起来的。在铰缝内设置交叉钢筋，加强了对铰缝混凝土的约束作用，增强了铰缝对剪力的传递作用和板梁的整体性。桥面补强层加固法和铰缝植筋加固法的施工工艺复杂，工程量大，且施工过程需对交通运营进行封闭。粘贴钢板加固法［3］是采用粘结剂和锚栓，将钢板粘贴锚固在铰缝薄弱部位，使各混凝土板梁形成整体，以提高结构的承载能力和耐久性。该方法效果可靠，施工工期短，但其未能封闭病害铰缝的渗流路径，铰缝的渗水聚集在粘贴钢板上方，导致钢板锈蚀和锚固界面粘结失效，同时该方法还存在应力滞后、锚固区域承受不利的剪拉复合力以及易锈蚀等局限性。体外预应力法［4］是将预应力钢束在板底上缘横穿各个梁板，使得各个板间受到的压力一致，抵消了铰缝间的横向弯矩，梁板间由铰接缝变为预应力钢束连接，铰缝间既传递剪力也传递横向弯矩。该方法提高了空心板梁桥的横向整体性和刚度，使得各板梁能有效相互协作，共同承担外部荷载。但由于预应力钢束的施加，使板梁结构应力重新分布，板梁横向刚度加大，结构体系变化，导致主梁横向弯矩增大，梁体底板开裂。此外，该方法施工工艺繁琐，防腐的维护成本高。

为适应中国交通运输业的发展需求，根据板梁铰缝的工作机理和破坏原因，作者拟提出压力注胶铰缝加固技术，并通过有限元软件仿真分析和实际工程试验进行验证。

1 简支板梁铰缝工作机理

板梁铰缝是空心板梁桥上部结构的重要构造。它将各预制梁板连接，形成整体上部结构，传递各预制空心板间活载内力。

按照传统铰接板理论［5］，假定空心板梁间的横向联系（铰缝）为理想的“铰”，即仅传递竖向剪力g（x），忽略纵向剪力t（x）、法向力n（x）以及横向弯矩m（x），如图1所示。将板梁铰缝简化为理想“铰”，仅考虑竖向剪力传递，而忽略其他力的作用。

图1 铰接板梁受力示意Fig.1 The stress of the hinged plate girder

分析简支板梁桥荷载传递分布机理及内力分布规律可知，板梁桥铰缝受拉剪或压剪及横向弯矩作用［6］。板梁桥常承受偏心荷载作用，其变形既有挠曲又有转动。板梁的挠曲和转动引起的竖向位移分量使相邻板也产生挠曲和转动，并将剪力和扭矩传递给相邻板梁，而板梁转动产生的侧向水平位移分量将通过铰缝及桥面铺装层向相邻板梁施加水平拉压力。在车辆荷载驶离后，变形的恢复也将在铰缝中产生反向的拉压作用。为了确保铰缝能够传递和抵抗剪力作用，铰缝多采用多边形来起到互相镶嵌的作用，从而约束板的自由转动。而“大铰缝”的横向弯曲刚度不容忽视，它能够传递横向弯矩。因此铰缝在弹性阶段的实际受力状态应该为半刚性，与假定中的理想“铰”不同。理想“铰”与实际铰缝受力状态的对比如图2所示。

图2 理想铰缝及实际铰缝受力状态Fig.2 The stress state of ideal hinge joints and actual hinge joints

2 板梁铰缝病害成因

随着中国经济的高速发展，重型车辆和超载车辆频繁出现，装配式板梁桥常出现铰缝的连接破坏。铰缝的破坏导致企口缝混凝土与空心板侧壁相分离，从而使得雨水渗透并侵蚀混凝土和钢筋，使得混凝土丧失强度，对空心板失去横向连接的能力，出现“单板受力”［7－9］现象。

针对成板梁桥铰缝出现的渗水和析白、损伤板梁铰缝对应部位桥面铺装层纵向开裂和凹陷等现象［10］，结合板梁桥现场检测资料分析，认为铰缝破坏涉及到设计、施工、运营及材料等因素。

2.1 设计方面

由于板梁桥横向连接常采用“小铰缝”构造形式，按铰接板理论计算的“小铰缝”抗剪强度满足设计荷载要求。但工程实际检测发现：“小铰缝”上口预留尺寸小，灌入铰缝的混凝土只能靠插捣使得混凝土密实，严重影响了铰缝混凝土密实浇筑的质量要求。同时，铰缝设计时内部不存在钢筋且忽略铰缝混凝土收缩徐变作用，实践表明：铰缝破坏多是由于铰缝混凝土和板梁粘结面破坏，而不是铰缝混凝土的剪切破坏，因此铰缝实际抗剪能力比理论计算值偏低。

2.2 施工方面

在同一路线、相同结构形式的空心板梁桥中，有的出现铰缝破坏现象，有的却未出现，而且铰缝破坏病害有轻、重之别，这表明铰缝施工质量存在离散性。因此，铰缝破坏不仅与板梁桥的设计有关，还与铰缝施工控制不严有关。

原材料是决定施工质量的最基本要求，也是影响施工质量的最重要因素。据调查发现，空心板梁桥铰缝破坏很多时候是由于材料强度不满足要求。同时，作为确保整体受力的关键部位，铰缝混凝土浇筑质量往往存在较多施工问题，缺少必要的养护。

为了保证板梁的外观，预制空心板时侧模板使用钢模，这样形成的楔状铰缝侧面就比较光滑。如果在浇筑铰缝混凝土施工之前未对光滑的结合面进行凿毛，将严重影响铰缝与板梁之间的连接，不利于铰缝的受力。

2.3 运营方面

与其他桥梁相比，板梁桥路幅宽，交通运营量大，超载车辆多，促使铰缝产生破坏。此外，高速公路车道的划分使得车辆运行轨迹有明显的跟驰现象，且各荷载载重等级车辆的分道行驶使得车辆在荷载冲击和疲劳作用下易发生铰缝的剪切疲劳破坏。

2.4 材料方面

新、老混凝土结合面之间的抗拉强度仅为混凝土抗拉强度的l／3。因此，预制板梁与铰缝的连接本身就是薄弱环节。铰缝混凝土的抗剪能力依赖于铰缝混凝土和空心板梁之间的粘结强度，而非铰缝混凝土的抗拉强度。铰缝破坏是铰缝混凝土和板梁之间粘结面的破坏，而不是铰缝混凝土自身的破坏。新、老混凝土之间的粘结强度取决于混凝土面的粗糙度、界面剂和混凝土的设计强度。在铰缝混凝土设计标号强度不变的情况下，铰缝和板梁之间粘结面的粗糙度和界面剂的选择至关重要，它将直接影响新、老混凝土的粘结强度，从而影响板梁桥铰缝传递荷载的能力。

3 压力注胶铰缝加固

简支板梁铰缝的损伤使得部分板梁桥出现单板受力，给桥梁结构和桥梁交通运营带来了严重的安全隐患。为较好地解决板梁铰缝加固问题，根据铰缝的工作机理及铰缝破坏特征和原因，结合板梁桥的板梁内力传递机理，作者拟提出压力注胶加固铰接板缝技术。

在压力注胶加固施工中，使用封闭胶和灌封胶两种胶体。封闭胶是在不中断交通的情况下对铰缝注胶加固施工，用于封闭玻璃压条与板梁底板的连接处。使胶体粘结密实，起到防止施工过程中漏胶的作用。灌封胶是用于注入铰缝中的胶体，起到粘结板梁两侧面的作用，从而提高板梁结构整体受力性能。封闭胶和灌封胶的性能指标见表1。

压力注胶加固铰接板缝技术的原理是：将铰缝形成一个密闭空腔，在预留进、出口的情况下，利用胶体良好的流动性，有效运用高压灌浆设备，将其灌入铰缝缝隙内，使其迅速扩散、凝结并固化。利用胶体良好的粘结性能、力学性能及快速凝固的特性，快速恢复两侧梁板之间的连接，提高铰缝的抗剪能力，有效恢复桥梁结构的整体性能，达到加固、维护板梁铰缝的目的。其主要技术原理如图3所示。

表1 胶体的性能指标Table 1 Performance indicators of colloids

通过对该加固技术实现流程分析可知，该方案实施过程中对交通运营干扰较小，且施工操作简便，工期较短。为明析压力注胶加固技术原理，给出该技术的工艺流程，如图4所示。

图3 压力注胶加固原理示意Fig.3 The principle of the pressure injecting reinforcement

图4 压力注胶铰缝加固技术流程Fig.4 Flow chart of pressure injecting reinforcement technique for hinge joints

4 仿真分析及加固试验

为验证压力注胶加固技术的可靠性，以成都某板梁桥为例，进行实际工程加固试验。该桥梁为斜交桥，主梁与路线的夹角为75°，桥梁全长为9.14m。桥面宽度为0.75（护栏）＋17.8＋3（中央分隔带）＋18.8＋0.75（护栏）m，桥下净空为3m。上部结构桥跨组合为1×8.00m预制钢筋混凝土实心板，下部结构为八字型桥台，扩大基础。支座为油毛毡，CD－60型伸缩缝。桥梁设计荷载为汽车－超20级，挂车－120。

4.1 有限元仿真分析

预制板梁、铰缝采用C30混凝土，弹性模量为3×104MPa，密度为26kN／m3，泊松比为0.2；试验用胶弹性模量为3.8×103MPa，密度为10kN／m3，泊松比为0.3。固定支座情况下，以三向约束x，y和z进行施加；移动支座情况下，以z轴自由，x轴和y轴固定进行施加。鉴于桥梁实况道路上车辆行驶轨迹的规律性，取实际桥梁中的4片空心板梁（3个铰缝）分析铰缝的破坏规律。

为分析不同状态下板梁铰缝的应力分布状况，利用有限元软件Abaqus，建立铰缝受损模型、铰缝未受损模型和铰缝受损加固后模型。铰缝受损模型假定：空心板梁铰缝完全损坏，失去横向联系板梁的作用，车辆荷载通过混凝土铺装层传递并分配至每片板梁。铰缝未受损模型假定：空心板梁铰缝未受损，处于完好状态，则铰缝可传递竖向剪力、纵向剪力及横向弯矩等。铰缝受损加固后模型假定：空心板梁铰缝受损，压力注胶技术加固后梁板可联合受力，状态完好。

根据有限元软件分析，板梁在不同模型中的横向应力分布分别如图5所示。

各模型在汽车荷载作用下，1＃，2＃和3＃铰缝的横向拉应力分布如图6所示。从图6中可以看出，受损模型和未受损模型的横向拉应力均大于受损加固后模型的横向拉应力。这表明铰缝受损后，经过压力注胶加固，板梁间的横向联系得到了加强。与加固前相比，板梁整体性得到了加强，可以更有效地共同承担上部荷载。

4.2 加固试验

为保证在加固施工过程中交通运营不受影响，试验中在每片板梁下部跨中位置均布设位移计，用于检测板梁在加固施工前、后的绝对位移和相邻板梁间的相对位移。

布设的位移计在桥梁正常运营状况下，利用现有交通量，对铰缝加固前、后板梁的挠度进行实时连续监测，每次连续监测4h。采用DH5910动态数据采集仪采集位移数据，传输保存至电脑，方便后期数据的处理和分析。

图5 铰缝各模型的横向应力分布（单位：MPa）Fig.5 Lateral stress distribution of hinge joints in hinged analysis model（unit：MPa）

图6 各模型中铰缝的横向拉应力Fig.6 Lateral tensile stress in the model of the hinge joints

对板梁铰接缝加固前、后梁板间的相对位移和绝对位移数据进行了处理，左、右幅各板梁间的绝对位移和相对位移分别如图7，8所示。

从图7，8中可以看出，加固前，左、右幅的4＃～11＃板绝对位移偏大，尤其左幅6＃板的最大位移达到11.86mm，右幅9＃板的最大位移达到11.95mm。加固后，左、右幅板梁的绝对位移均明显减小，尤其受荷载作用最大的4＃～11＃板，加固后绝对位移仅占加固前绝对位移的20%～40%，左幅6＃板的绝对位移为2.54mm，仅为加固前绝对位移的21.4%；右幅9＃板的绝对位移为2.46mm，仅为加固前绝对位移的20.6%；加固前，各板的相对位移较大，易出现单板受力的情况；加固后，左、右幅各板的相对位移较均匀，均小于1mm。

图7 左幅板梁加固前、后的位移Fig.7 Left pieces of plate girder displacement

图8 右幅板梁加固前、后的位移Fig.8 Right pieces of plate girder displacement

分析结果表明：不中断运营交通的条件下，铰缝注胶加固后，左、右幅的绝对位移和相对位移均明显减小。这说明加固效果明显，提高了铰缝的实际工作性能，增强了铰缝的剪力传递能力，改善了板梁荷载横向分布状况，使板梁的整体性得到了显著提高。为评判注胶加固技术对铰接板梁整体受载性能的提高可行性和实用性，选取正常安全服役桥梁的变形、承载能力限值作为评定标准。

5 结论

根据经典板梁理论，结合板梁铰缝实际受力，分析修正后的铰缝模型。结合有限元仿真分析和实际工程试验，对板梁铰缝加固技术进行了研究，得到的结论为：

1）压力注胶铰缝加固方法对板梁受荷性能提升显著。分析和试验表明：压力注胶铰缝加固技术对板梁的横向拉应力减小较多，使得板梁的整体性增大，挠度减小，避免了单梁受力。

2）铰缝加固施工对交通运营影响微弱。压力注胶铰缝加固技术施工平面位于桥梁底板，对桥梁上部交通无影响。

3）压力注胶铰接板缝加固技术工艺简便，实用性强，可推广到工程实践。

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