装配式空心板梁桥铰缝病害机理与应对措施

2020-05-06谢文剑贾世林张非凡

绿色环保建材 2020年4期

谢文剑阳龙贾世林张非凡

河海大学土木与交通学院

1 引言

过去几十年以来，中国桥梁建设取得了长足发展，结构形式也日益增多，其中，装配式空心板梁桥由于具有结构简单，受力清晰，成本较低，施工方便等优点而被广泛使用，是我国目前最常用的桥型之一[1]。

近年来我国公路通行量与车辆荷载正在日渐增大，尤其是大吨位运输车辆的出现，使得一些运营中的装配式混凝土空心板梁桥逐渐出现了多种病害，本就较为薄弱的铰缝部位更是病害频发，中小跨径的空心板梁出现的单板受力现象非常严重，部分情况已经严重影响到了桥梁通行与结构安全[2]。

2 铰缝的技术原理

装配式空心板梁桥一般采用宽1m左右的空心预制板梁，各板梁间通过铰缝相连接形成整体来共同承受外部荷载。铰缝对于外部荷载在各板梁间的荷载横向分布起重要作用，影响着板梁与桥面铺装层的整体性。装配式空心板梁桥的铰缝多采用现浇混凝土纵向企口缝形成连接，利用铰缝传递剪力使横向各片板梁形成整体，充当传递荷载的角色。常见的铰缝连接方式有企口缝混凝土铰连接和钢板焊接连接两类。

（1）企口缝混凝土铰连接。企口缝混凝土铰的施工方法为：板梁凿毛→板梁吊装→钢筋绑扎→模板安装→混凝土浇注→养护，待混凝土养护至设计强度后即可投入使用。企口缝混凝土铰的因结构简单，横向连接的能力强而得到广泛的应用。这种连接方式根据开口形状又可以分为很多种，主要有圆弧形、棱形和漏斗形等，其中漏斗形铰缝的应用最广泛，并且有浅铰缝、中铰缝、深铰缝三类形式[3]。

（2）钢板焊接连接。铰缝采用企口缝混凝土铰时，需待现浇混凝土养护至设计强度后才可投入使用。过去在实际施工过程中，许多单位为使桥梁尽早通车而采用了钢板连接方式，即在相邻板梁间将盖板与预埋钢板焊接实现横向连接。现如今，由于钢板焊接连接的造价较高，整体性相对较差，这种方式只是铰缝加固中应用较多。

3 铰缝病害的特征

3.1 造成病害的设计因素[4]

空心板梁桥的铰缝病害是在多种影响因素的共同作用下造成，可概括为设计、施工、运营阶段三方面因素，，其中空心板梁桥结构上的“先天不足”是发生“单板受力”的重要原因。归纳起来，造成空心板铰缝病害的设计因素有三点：首先，理论铰与实际铰的受力状态不同。铰接板法计算理论的假定是理想“铰”只承受剪力，不承受拉力和纵向扭矩。但在荷载作用下板梁将发生竖向、横向挠曲以及扭转铰缝混凝土在受到剪力、弯矩、扭矩共同作用的情况下，往往不是发生受剪破坏，而是和板的粘结面发生破坏。造成设计上的忽略部分因素的缺陷使得铰缝的实际抗剪能力低于理论计算值。其次，由于受建筑高度的限制，空心板梁这种桥型的强度、刚度不如T形梁和箱形梁，用铰缝来保证桥梁整体性的效果也不够理想。最后，在设计中，有时由于桥面超高或设置预拱度等原因，桥面某些部位的铺装厚度不足；另一方面，由于铺装层内的钢筋普遍存在直径较小、间距较大的情况，铺装层与空心板梁体的整体性减小，使得桥梁的整体性亦随之降低。

3.2 破坏形式[5]

铰缝损坏对桥梁的影响一般在竣工四五年后才会逐渐出现，短期并不明显。根据潭洪河等人对广西高速公路中空心板梁桥的调查，运营期在1～7年、跨径在16m～30m间的装配式空心板梁桥，最为突出典型的病害便是铰缝所在位置的桥面产生纵向裂缝。铰缝破坏表现为空心板铰缝处出现混凝土开裂、脱落等现象，铰缝位置处有渗水、析白，个别症状严重的桥梁纵向裂缝已贯穿主梁铰缝和桥面铺装，且长期的水蚀和活载反复作用将使铰缝病害加剧。

3.3 病害带来的危害

铰缝病害是目前该桥型最为严重的一种病害。如果混凝土铰缝由于某些因素产生病害，桥梁的整体性将被削弱，板梁间将无法很好传递荷载。更严重的是，这将反过来增大铰缝受力，进而加速铰缝的破坏。当板梁间横向传递完全失效时，他们彼此之间不再有任何协同受力关系，空心板梁桥将变成单板受力的状态，即外部荷载将由直接受力的板梁所承担，无法形成多板协同工作的整体受力体系。此时单个板梁所受的荷载大于设计值，板梁由此产生裂缝，甚至可能断裂坍塌[4]。

4 铰缝破坏的预防对策

4.1 采用深铰缝构造

根据在役空心板梁桥的调查，随着铰缝竖向高度的增大，铰缝破坏的程度与频率大体上逐渐变小。事实上，铰缝加宽有利于施工人员对铰缝内混凝土进行充分振捣，铰缝加深可加大混凝土与板梁的接触面积。因此说，空心板梁桥可采用漏斗形深铰缝的形式来增强铰缝截面强度，降低病害发生的可能性。

此外，为了避免收缩引起的早期裂缝，铰缝内应采用微膨胀混凝土，利用膨胀剂来补偿收缩。如果希望在施工过程中保证铰缝混凝土的密实性、提高铰缝混凝土耐久性，还可采用自密实微膨胀混凝土，使混凝土无需振捣便可在自身重力作用下实现流动，即使存在致密钢筋也能均匀地填充模板。

4.2 加强横向连接钢筋

过去铰缝的钢筋布置通常是在仅横向配置连接钢筋，且钢筋的直径较小，剪力的传递能力有限。而近年来的铰缝除了增大尺寸外，还增大了铰缝内构造钢筋布置量：在相邻空心板间的顶部和底部增加了连接钢筋，在铰缝中增设两根纵向受力钢筋，并且增大钢筋直径。如此一来，铰缝与板梁之间的连接得到了有效增强，从而保证了力的横向传递。

4.3 其他加强措施

目前大多数空心板梁桥桥面的横向连接能力较弱，可以通过在桥面铺设钢纤维混凝土加强桥面铺装层的横向连接，同时添加聚丙烯纤维以增强桥面的防水抗渗能力。此外，在施工方面，预制阶段须预先对板梁与铰缝的结合面凿毛处理，铰缝混凝土浇筑前应清理缝内杂物并适当洒水湿润。此外，还可以选择在板梁侧模板上焊接钢筋使板梁结合面形成6mm大小的粗糙面[2]。

5 铰缝裂缝的维修方式

修补空心板梁桥铰缝处裂缝通常有三种方法：灌浆法，植筋法和返修法[5]。灌浆法简便易行但仅适用于初期病害，植筋法可以对更严重的贯穿性裂缝有效补强，重新返修是根治桥面纵向裂缝的可靠方法。除此以外，另一类简单的做法是在相邻板梁表面粘贴如钢板、玻璃钢、碳纤维等加固材料。以粘贴钢板加固法为例，其加固原理是通过粘结剂和锚固钢筋在铰缝底面粘贴钢板，使之与板梁形成整体。为了增强加固效果，还可以将短钢板同时粘接至铰缝的顶面与底面[2]。但是粘贴钢板加固法同时也存在对板梁造成损伤、长期效果欠佳、钢板防腐成本高、施工难度大等不可避免的缺陷，对此，可以改为在板底的企口缝位置增加∏型钢层，∏形钢由于特殊的截面形式可以增大板梁的惯性矩，其加固效果也优于粘贴钢板加固法。