空心板梁桥增强横向联系加固方法研究

刘永超

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心 沈阳市 110111)

0 引言

随着我国经济社会的快速发展，逐步进入工业化、城市化的高峰期。为了适应经济社会发展需求，车辆载重能力不断提升，重载车辆数量不断攀升。2003～2011年，我国重型货车数量由136.8万辆迅速增至460.6万辆，重型货车数量翻了两倍多。同时，超载车辆不断增多，2007～2011年超载车辆平均超载率分析显示，各车型平均超载率均在10%～15%[1]。这将导致桥梁结构损伤加剧，降低使用寿命。尤其对于中小跨径桥梁，由于其活载效应在总荷载效应中所占比重较大，重载车辆往往会对其产生严重的损伤，甚至垮塌。

由于具有受力明确、施工快速等特点，空心板梁桥在中、小跨径桥梁中所占比例较大。早期修建的空心板梁桥跨径小，设计荷载等级较低，且多为钢筋混凝土结构。面对日益严峻的交通状况，空心板梁桥面临着不小的挑战。特别是对于重载车辆较多的路线，很多空心板梁桥已经出现了结构性病害，甚至威胁到结构安全。

传统维修、加固方式多需要封闭交通，严重阻碍了车辆正常通行，不利于经济的快速发展，甚至会引发交通事故，严重威胁旅客生命财产安全。如何对已经出现结构性病害的空心板桥梁进行有效加固，对管养单位提出了更高的要求。

本文旨在不中断交通情况下，探索实用高效的空心板梁桥加固技术。不妨碍经济活动的正常运行，最大程度降低经济损失，经济效益十分显著。

1 典型病害分析

空心板梁桥典型病害主要有：跨中梁段存在横向裂缝，板端梁段存在斜向裂缝，横向联系削弱、单板受力过大等[2]。

梁底横向裂缝及板端斜向裂缝加固方法较多，效果也较明显。对于空心板跨中梁段横向开裂、抗弯承载力不足，可以采用有黏结预应力加固方法。对于板端梁段斜向开裂、抗剪承载力不足，可以采用增大截面或横向有黏结预应力加固方法。但是对于横向联系削弱、单板受力过大的问题，上述方法并不能有效解决。

空心板在设计的时候，假设铰缝只传递剪力而不传递弯矩[3]。实际上，空心板在承受纵向弯矩作用的同时，还承受着横向弯矩的作用。而空心板之间连接由铰缝混凝土、少量铰缝连接钢筋以及桥面铺装组成。由于铰缝本身的横向联系比较脆弱，横向弯矩主要是由桥面铺装来承受的。然而桥面铺装钢筋较少、厚度有限，所以，桥面会出现纵向裂缝，如图1所示。桥面出现纵向裂缝后，水分会渗漏进去，破坏空心板之间的联系，当空心板两侧铰缝开裂的长度约为0.67倍的计算跨径时，就会出现单板受力过大现象[4]。

横向联系削弱、单板受力过大病害较为特殊，其危害性更大。虽然不是整体出现结构性病害，但是个别空心板横向分布系数显著增大[5]。荷载作用效应将明显提高，空心板板底跨中部位更易产生横向裂缝、板端腹板更易产生斜向裂缝等结构性病害，甚至超出承载能力范围，威胁结构安全，因此需要特别注意，如图2所示。

综上所述，空心板之间的横向联系对整体受力性能起到至关重要的影响。有效解决空心板间横向联系薄弱问题对桥梁的结构安全和耐久性具有重要的现实意义。对此，提出几种加强空心板之间横向联系的加固方法，主要有粘贴钢板加固、横向预应力加固、板端增设支撑加固及改变结构形式加固等方法，能够有效指导实际空心板梁桥的维修、养护工作。

2 加固方法研究

2.1 粘贴钢板加固

在空心板底铰缝处锚固钢板，能够增强铰缝的抗剪能力，同时提高铰缝的横向抗弯能力，从而增强了空心板间的横向联系，提高了整体工作性能，有效减小荷载横向分布系数，间接提高了空心板承载能力，如图3、图4所示。

粘贴钢板流程为：探明结构主筋位置→确定螺栓植入位置→空心板底和钢板表面处理→粘结剂配制→固定、加压→螺栓锚固→注胶→固化→涂刷防腐涂装。

施工过程中应注意三点：

(1)螺栓锚固应牢靠，必须保证钻孔深度。

(2)对混凝土表面及钢板表面须清理干净。对混凝土表面进行打磨，对破损部分可用环氧砂浆修补，钢板表面的油污和铁锈必须清除干净。

(3)钢板应粘贴紧密，不应有空鼓现象[6]。采用压力注胶法进行黏结。待硬化后用手锤敲击钢板，如无空洞声表示已粘贴密实，否则应再注胶直至密实。钢板粘贴完毕，对其进行防腐处理。

另外，板底增设钢横梁方法也可有效增强空心板梁桥横向整体工作性能，设计原理与施工方法与粘贴钢板类似[7]。

2.2 横向预应力加固

在空心板上安装锚固装置，张拉横向预应力筋，铰缝处于受压状态，有效增强空心板间横向联系。

可以在边板外侧腹板设置锚固板，张拉横向体外预应力筋[8-9]。也可以在空心板底设置锚固板，张拉横向预应力筋，喷射高性能复合砂浆，对预应力筋进行保护。亦或者在空心板底部跨中位置增大截面，预埋波纹管，待增大截面混凝土强度达到设计要求后张拉预应力筋，并注浆、封锚，如图5、图6所示。加固后荷载试验表明，桥梁的整体工作性能明显改善，空心板的横向分布接近按照刚接板梁法的计算结果。

单板受力过大的空心板两侧铰缝一般破损较严重，故采用横向预应力加固时，一般需要对铰缝进行处理。另外，空心板底部张拉横向预应力筋，会使空心板顶部的桥面铺装产生横向拉应力，对结构的耐久性将产生不利影响。因此，需要在桥面铺装中增加横向受拉钢筋。综上所述，采用横向预应力加固方法一般结合桥面大修进行施工，能够有效改善结构整体受力性能。

施工时需要注意，预应力筋锚固点应与空心板连接牢靠，才能保证预应力的有效施加和传递。另外注意预应力筋应采取有效的防腐措施。

2.3 板端增设支撑加固

对于板端破损相对严重的空心板梁桥，可以在板端设置支撑，减小计算跨径，从而减小跨中弯矩效应和支点剪力效应，如图7所示。

施工过程中应注意两点：

(1)牛腿锚固要可靠，与墩台牢固接触，必须保证钻孔深度。

(2)确保使支撑与空心板底接触紧密，才能有效传递上部结构的荷载，从而起到加固效果。

2.4 改变结构形式加固

对于空心板病害较严重且危及桥梁结构安全的，可以采取在空心板底部浇注混凝土，变梁为拱。转变结构形式后，其各项受力性能应符合无铰拱的要求[10]。

在桥台处开挖，露出基础顶面，绑扎钢筋，浇注混凝土拱座。按设计线型分段拼装钢波纹板。在波纹板与原结构间填充自密实微膨胀混凝土，浇注时应注意对称填充，避免偏压改变波纹板设计形状，如图8所示。变梁为拱加固方法效果明显，但是对桥下净高有影响，加固后桥下净高应满足通行要求或在桥下无通行要求时使用此种方法。

施工过程中应注意三点：

(1)波纹板安装时，确保接缝搭接紧密。

(2)浇筑应对称进行，避免产生明显偏压，改变波纹板线性。

(3)新浇注填充混凝土应密实，与空心板底接触紧密，形成统一整体。

3 结语

(1)空心板梁桥典型病害主要有跨中梁段存在横向裂缝，板端梁段存在斜向裂缝，横向联系削弱、单板受力过大等。其中，横向联系削弱、单板受力过大病害危害性更大。会使个别空心板受力显著增大，甚至超出承载能力范围，易于产生突发性事故，需要重点处置。

(2)研究了加强空心板之间横向联系的加固方法，主要有粘贴钢板加固、横向预应力加固、板端增设支撑加固及改变结构形式加固等方法，能够有效指导实际空心板梁桥的维修、养护工作。

(3)研究的加固方法具有不中断交通、安全可靠、加固效果显著等特点，具有良好的经济效益，具有较好的适用性。