新型铰缝设计及增强技术研究

卞华伟

摘 要：近年来，随着我国城市化进程的不断推进，桥梁建设行业得到了飞速发展。铰接空心板梁桥具有结构简单、建筑高度小、成本低、自重小等优势，它可以进行批量工厂化预制，施工方便，在中小跨径桥梁中得到了广泛应用。然而，随着交通量的日益增大，在多种因素综合影响下，装配式空心板梁桥的病害问题日益凸显。为了克服传统铰缝无法有效振捣及抗裂性能差等缺陷，本文提出一种新型的铰缝形式，并探讨了相关铰缝增强技术。

关键词：空心板桥;铰缝筋;增强技术

中图分类号：U442.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0088-03

Abstract： In recent years， with the continuous advancement of urbanization in China， the bridge construction industry has developed rapidly. The articulated hollow slab bridge has the advantages of simple structure， small building height， low cost， and low self-weight，which can be prefabricated in batches and convenient to construct，and is widely used in small and medium span bridges. However， with the increasing traffic volume， under the comprehensive influence of various factors， the disease problem of fabricated hollow slab bridges has become increasingly prominent.In order to overcome the defects that traditional hinge joints could not be effectively vibrated and have poor crack resistance， this paper proposed a new type of hinge joint and discussed related hinge joint reinforcement technologies.

Keywords： hollow slab bridge;hinge joint;reinforcement technology

装配式简支板空心板梁桥具有构造简单、可工厂大批量生产、自重小、便于运输和安装等优势[1-3]，和相同跨径的T形梁相比，其建筑高度小，现场湿作业少，所以其在中小跨径桥梁中应用广泛。钢筋混凝土空心板梁跨径一般为6～10m，而预应力混凝土空心板梁跨径一般为10～20m。早期设计的该类型桥中，连接形式以小企口缝为主，一些设计人员认为，这种桥梁结构形式简单，理论基础和实践经验成熟，但是在进行荷载设计时，荷载估算存在较大偏差。面对长期交变荷载和超重荷载，结构的振动特性、动力性能以及疲劳特性等缺乏可靠的理论支持和工程实践。在这种情况下，空心板梁桥经过若干年的使用，易出现铰缝断裂，而桥面板处于“单板受力”状态。

1 空心板桥铰缝发展历程

对于装配式钢筋混凝土空心板梁桥来说，其荷载的横向分布必须依靠横向传力构件来实现，一般称横向传力构件为铰缝。铰缝沿桥跨方向将各片纵梁连成整体而协同工作，这是该类桥梁的结构特点，进而保证各板梁共同承受车辆荷载[4-6]。而装配式钢筋混凝土梁桥采用的铰缝经历了从多样到单一、从浅到深的过程，其构造钢筋的布置也经历了从无到有、从少到多的过程。

1.1 铰缝从多样到单一

横向连接方式种类繁多，常见的有混凝土企口缝铰连接、钢板焊接连接和其他连接方式。混凝土企口缝铰连接根据开口的类型又可以分为很多种，主要有圆形、棱形和漏斗形等，如图1所示。其中，工程应用较为广泛的是漏斗形铰缝。

1.2 铰缝从浅到深，钢筋由少到多

装配式钢筋混凝土简支板梁桥的设计多采用鉸接板法来计算。铰接板法是指将铰缝看成是铰接连接，铰缝只传递剪力，但这种计算方法忽略了铰缝实际上处于拉、弯、剪的复合受力状态。按照此理论计算，抗剪对于铰缝尺寸没有太大的要求，在铰缝设计时满足构造设计的要求就行，不需要进行受力验算。在这种情况下，投入运营后，小铰缝往往会出现明显的损坏，其传递剪力的作用有所降低，还可能出现单板受力等情况，削弱桥梁的整体性。

设计时，通过优化漏斗形铰缝，铰缝呈现宽而深的变化趋势，如图2所示，铰缝分别为浅铰缝、中铰缝和深铰缝。基于铰接板理论，和浅铰缝相比，深铰缝结构的极限承载力明显较大。在达到固定的使用年限后，疲劳荷载对铰缝的破坏更加显著，如果疲劳荷载幅度较大，深铰缝的工作性能比浅铰缝好。随着铰缝尺寸的增大，其内部构造筋布置量相应增多，另外，增大铰缝尺寸和增加铰缝钢筋，有助于强化铰缝和板梁的连接，进而提升力的传递效果。

1.3 铰缝病害形式及影响因素

当前，我国交通运输行业发展迅猛，超载车辆明显增加，导致公路桥梁承受相当大的负荷。同时，受施工工艺限制，加上某些部位设计不合理，最终，多数空心板梁桥出现不同程度的损伤。

1.3.1 铰缝病害形式。铰缝病害形式主要有两类。一是铰缝处纵向开裂、渗水，二是铰缝处混凝土脱落、钢筋暴露。

1.3.1.1 铰缝处纵向开裂、渗水。由于车轮的冲击疲劳作用，桥面行车道上的桥面铺装层普遍存在车辙和纵向贯通裂缝，长此以往即形成一条破碎带。纵向裂缝规律性地分布在行车道铰接缝的上方，严重时雨雪水常通过此破碎带下的铰缝渗入板底，继而留下明显的渗水痕迹。

1.3.1.2 铰缝处混凝土脱落及钢筋暴露。发生病害的简支钢筋混凝土板梁桥，其铰缝处混凝土被剪坏，并逐步松散、脱落，致使铰缝中钢筋暴露在自然环境中。铰缝处因错台形成“台阶”，当重型车辆通过单板受力的梁板时，这里产生明显弹性下挠，使其与两侧的板上下错动，形成台阶。待重车过后，这种错动消除，又恢复原状。

1.3.2 铰缝病害因素。简支空心板梁桥铰缝破坏的影响因素很多，并且各个因素在铰缝破坏程度上所起的作用各有不同。调查研究发现，空心板桥铰缝破坏主要是由结构设计、施工质量、运营条件等因素造成的。

1.3.2.1 设计因素。铰缝设计本身可能存在不足，铰缝设计理论不完善，难以真实反映梁板间的实际受力状况，铰缝的形式不够合理。例如，铰缝下缘最窄处宽度只有1cm，使得铰缝在施工时振捣及浇筑质量难以保障。

1.3.2.2 施工因素。施工时铰缝侧面没有认真凿毛，没有彻底清除由于凿毛而产生的松动混凝土块，从而降低了新旧混凝土间的粘结和抗剪能力，在浇筑铰缝时，结合面没有提前洒水湿润等。另外，现场施工人员没有严格按照规范和施工工艺要求施工。

1.3.2.3 运营管理因素。目前，高速公路上行驶的重载车辆较多，超载运输的现象较为严重，在超载车辆的长期重复作用下，桥梁铰缝混凝土的破坏速度加快。

1.3.2.4 材料特性因素。原材料是决定混凝土构件质量的本质因素，也是影响混凝土构件质量最为重要的因素，很多桥梁产生的病害都是由于原材料没有达到有关标准。此外，混凝土的收缩和徐变是其固有特点，也是重要影响因素。

2 新型装配式空心板铰缝

根据前文所述，铰缝下缘最窄宽度只有1 cm，使得铰接縫的浇筑质量难以保证，这一部分只能填筑水泥砂浆，导致铰缝抗裂能力减弱，进而影响桥梁整体使用寿命。基于此，本文设计一种新型铰缝来改善这一状况。

2.1 新型铰缝的设计

本文所提出的新型铰缝结构设计如图3所示。图中铰缝下缘最窄处宽度b为10～20 cm，和以往的铰缝相比，尺寸有所增加，方便铰缝混凝土的浇筑和振捣，确保铰缝混凝土施工质量满足要求。此外，铰缝中设置横向钢筋，主要起到抗弯作用。预制空心板上设置横向搭接钢筋、箍筋，使得空心板与铰缝整体性更强，增加其抗剪功能。有关研究表明，铰缝破坏时裂缝最先沿着铰缝与空心板的结合面向上发展，为了提高铰缝与空心板的粘结强度，同时在新型铰缝侧面设置凹槽，凹槽的设置增加了新旧混凝土粘结性能，进而提高铰缝的开裂荷载及抗剪承载力。

2.2 新型铰缝的增强加固技术

对于铰缝的加固技术，大多研究主要集中于施加整体横向预应力、粘贴钢板、传统灌封及增加铺装层厚度等加固方法。而对于施加整体横向预应力的这一加固技术，在实际工程中，因桥面宽度较大，施工不易，预应力损失较大，试验时不易操作。对于上述加固技术，工程实践表明，铰缝仍然存在耐用性欠佳的问题。为提高铰缝开裂荷载、减缓裂缝发展及提高铰缝承载力，结合本文所提的新型铰缝形式，除采用以上加固方案外，另采用局部施加预应力及铰缝加销接钢筋[7]的加固方案，具体的加固方案如图4所示。

3 结语

本文通过对传统铰缝的发展历程、病害形式及影响因素的分析，提出一种新型铰缝形式，新型铰缝中配有横向抗弯钢筋、箍筋及抗拉钢筋，可以提高铰缝的抗弯性能和抗剪性能。新型铰缝下缘最窄处相比传统铰缝大，更有利于混凝土的振捣，有效保证浇筑质量，进而提高铰缝的整体受力性能。此外，铰缝侧面另设凹槽，使铰缝与空心板的结合面粘结强度进一步增强，提高了铰缝的抗剪性能。因此，本文提出的新型铰缝可运用于工程实践。

参考文献：

[1]吕长荣，周世军.装配式简支空心板梁纵向裂缝分析[J].华东公路，2006（5）：167-171.

[2]吴庆雄，陈悦驰，陈康明.结合面底部带门式钢筋的铰接空心板破坏模式分析[J].交通运输工程学报，2015（5）：15-25.

[3]赵素洁.行车道板单板受力状态分析[J].中外公路，2003（8）：29-30.

[4]凌伟.装配式空心板桥铰缝受力性能研究[D].福州：福州大学2013.

[5]钟永锋.空心板梁铰接缝模型实验研究[D].西安：长安大学，2008.

[6]陈记豪，朱倩，裴松伟，等.节段横向无粘结预应力装配式预制空心板桥结构及其施工工艺：中国，CN105735127A[P].2016-10-05.

[7]陈记豪，朱倩，钱晓军，等.一种混凝土空心板桥铰缝钢筋结构：中国，CN105648899A[P].2016-06-08.