混凝土簡支梁橋單梁受力病害原因與維修加固措施探討

□文/張廣寅

國道主干線及高速公路上鋼筋混凝土（或預(yù)應(yīng)力混凝土）簡支T型梁橋和板梁橋常出現(xiàn)單梁受力病害。所謂單梁受力病害是指相鄰梁間的橫向連接構(gòu)造或鉸縫發(fā)生破壞，當(dāng)汽車輪重全部作用于某一片梁時，該片梁與相鄰梁相比有明顯的下?lián)犀F(xiàn)象。病害首先表現(xiàn)為橋面瀝青混凝土面層出現(xiàn)沿相鄰梁鉸縫位置的縱向裂縫或帶狀破損，雨天后鉸縫滲水嚴(yán)重，隨著時間的推移和外界環(huán)境的影響，裂縫附近的瀝青混凝土小范圍剝離、脫落以致形成帶狀坑槽，嚴(yán)重者梁體開裂或折斷，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)和行車安全。

單梁受力病害原因

單梁受力病害多為橫隔板連接處開裂或鉸縫嚴(yán)重?fù)p壞引起的。簡支T型梁橋的橫隔板連接新形式主要有2種。一種干接縫，即相鄰梁通過在橫隔板靠下邊緣兩側(cè)和梁頂部翼板內(nèi)預(yù)埋的鋼板焊接連接；另一種是濕接縫，即T型梁預(yù)制時相鄰梁通過在橫隔板和頂部翼板間一定寬度范圍內(nèi)預(yù)留的鋼筋綁焊，然后現(xiàn)場澆注混凝土（后澆帶）連接。簡支板梁橋的鉸縫形式分大小鉸縫，均采用企口混凝土鉸連接，同時板梁鉸縫內(nèi)及梁頂預(yù)留連接鋼筋伸出與相鄰板梁的連接鋼筋互相綁扎澆注在鉸縫內(nèi)和水泥混凝土鋪裝層內(nèi)。簡支T型梁橋橫隔板和翼板橫向連接與板梁橋鉸縫的橫向連接作用是傳遞相鄰梁在汽車荷載下產(chǎn)生的豎向剪切力，使橋上所有梁共同受力。

設(shè)計上對簡支梁橋橫向連接度考慮不足

T型梁橋在構(gòu)造上追求小而巧，相對主體結(jié)構(gòu)抗彎剛度、橫向連接剛度薄弱，在車輛荷載作用下，鄰近梁的整體橫向剛度不足。其破壞過程是橫隔板開裂→單梁受力→T型梁主體破壞。很少出現(xiàn)T梁主體破壞而橫隔板未開裂或同時破壞的情況。

板梁橋的鉸縫構(gòu)造決定了其后期病害的必然發(fā)生。相鄰梁或采用穿手鋼筋相互連接，或采用頂板預(yù)留鋼板焊接相互連接，鉸縫內(nèi)混凝土為素混凝土。由于鉸縫空間小，穿手鋼筋綁扎困難，其有效作用被減弱，加上支座脫空、橋面滲水凍脹、相鄰梁豎向變形差異等因素影響，鉸縫內(nèi)混凝土易造成開裂、局部破碎從而發(fā)展為整條鉸縫損壞。

施工存在局部質(zhì)量隱患

局部施工質(zhì)量差加速了鉸縫和橫隔板連接處的開裂損壞。如某高速公路上一3孔預(yù)應(yīng)力簡支板梁橋通車不久，發(fā)現(xiàn)9片板梁出現(xiàn)單梁受力病害，造成板梁跨中附近梁底已出現(xiàn)橫向裂縫，經(jīng)檢查部分鉸縫底部約15 cm高范圍填有大量的石塊，鉸縫未發(fā)揮應(yīng)有的作用。又如某高速公路上的2座板梁橋鉸縫施工未達(dá)到圖紙要求而發(fā)生了單梁受力病害，一座橋是因為板梁鉸縫內(nèi)靠近梁底部位置的穿手鋼筋未綁扎在一起，另一座橋是因為在板梁預(yù)制施工時沒有設(shè)置靠近梁底部位置的鉸縫穿手鋼筋。

施工誤差過大也是造成單梁受力的一個因素，如相鄰T梁橫隔板不在一個平面內(nèi)或上下尺寸差異過大造成連接鋼筋受力不合理。

汽車超載和外界環(huán)境的影響

近年來，汽車超載運輸已是不爭的事實，它對于橋梁的破壞是致命性的，特別是國道上較早建成的簡支混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和板梁橋，由于設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)低，超載車多次通過后，T梁間橫向剛度不足和板梁鉸縫損壞很快發(fā)展為單梁受力，有時會導(dǎo)致梁體斷裂。車流量的不斷增加也是加速梁體橫向連接提前破壞的重要因素。外界環(huán)境如夏季雨水的侵蝕和冬天雪水侵入加上凍脹作用，加速了簡支梁橋橫向連接的破壞速度也很快發(fā)展為單梁受力。

維修加固措施

改善水泥混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)

出現(xiàn)單梁受力后，板梁橋一般要及時重修受力梁與相鄰梁的鉸縫，T梁橋需加固損壞嚴(yán)重的橫隔板，橋面鋪裝也要進(jìn)行局部或整幅橋面的維修。

（1）加強(qiáng)水泥混凝土鋪裝層鋼筋網(wǎng)或采用雙層鋼筋網(wǎng)，也可以增加鋼筋直徑。

（2）梁頂植筋使水泥混凝土鋪裝與梁體共同受力。

（3）在保證恒載和原設(shè)計相同的條件下，增加鋪裝層水泥混凝土的強(qiáng)度及厚度。

（4）鋪裝層采用纖維混凝土，纖維混凝土具有減少塑性裂縫和混凝土的滲透性、增加抗破損和抗沖擊能力等優(yōu)點。

（5）增強(qiáng)鋪裝層水泥混凝土的抗?jié)B和抗凍性。

（6）水泥鋪裝層頂面需采用可靠的防水層，如用卷材、熱噴瀝青灑布碎石等。

改善梁間橫向連接構(gòu)造

（1）增加梁間穿手鋼筋和連接鋼板的數(shù)量。加固維修中采取在梁上植筋的技術(shù)增加穿手鋼筋數(shù)量，加強(qiáng)梁間的橫向連接剛度，具體施工時穿手鋼筋應(yīng)采用“U”型并在相鄰梁間成對出現(xiàn)，相互綁扎牢固。同時在相鄰板梁的頂板和底板增加橫向連接鋼板可以提高各板梁之間的橫向聯(lián)結(jié)剛度、增強(qiáng)橫向穩(wěn)定性，可以減少甚至避免出現(xiàn)單梁受力的現(xiàn)象。

（2）改善鉸縫混凝土性能。改善鉸縫混凝土性能有3種方法，一是采用微膨脹混凝土對梁體側(cè)面進(jìn)行鑿毛處理，降低鉸縫混凝土不密實及微小縫隙產(chǎn)生的可能性；二是增加混凝土強(qiáng)度等級，提高鉸縫抵抗剪切破壞的能力；三是在鉸縫混凝土中增設(shè)鋼筋網(wǎng)，目的是提高鉸縫混凝土的整體性和抵抗剪切破壞的能力，鋼筋網(wǎng)直徑一般采用6 mm或8 mm，鋼筋網(wǎng)在現(xiàn)場綁扎效果最好，凡縱橫鋼筋交接處均應(yīng)綁扎。

（3）改造T梁橫向連接。改干接頭為濕接頭，從結(jié)構(gòu)上有2方面的改進(jìn)，一是T梁翼緣板之間加強(qiáng)濕連接，做法是在每道橫隔板之間做一個40 cm×50 cm（橫向×縱向）現(xiàn)澆連接頭或者沿縱向鑿除相鄰T梁翼板混凝土各20 cm，用短鋼筋綁扎后，吊模板，澆注混凝土；二是將T梁橫隔板的連接形式由原來的鋼板連接改為鋼筋混凝土濕連接，做法是鑿除相鄰T梁橫隔板混凝土各20～40 cm，鋼筋綁扎后，立模板，再灌注后澆混凝土。后澆注的混凝土最好采用免振無收縮混凝土。

通過增加T型梁間橫向連接數(shù)量也可增加相鄰梁間整體橫向剛度，該方法對增加梁體整體性和橫向剛度效果明顯。增加的橫隔板可以是鋼筋混凝土的或者是型鋼結(jié)構(gòu)的?？拷憾藱M隔板的連接剛度對梁體橫向剛度的影響較大，因此增加的橫向連接應(yīng)盡量靠近梁端。同時，因增加了橫隔板而使梁的自重彎矩值增加不能太大，應(yīng)綜合考慮。

橫向施加預(yù)應(yīng)力

T型梁橋可采用相鄰梁在原橫隔板兩側(cè)或一側(cè)增設(shè)橫隔板并在其上下一定位置施加橫向預(yù)應(yīng)力的方法，預(yù)應(yīng)力鋼筋可采用直徑25 mm的精軋螺紋鋼筋并配以特制的錨具，施工時應(yīng)配以預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)套管、管箍、橡膠墊、張拉千近頂、金剛石空心鉆、鋼筋定位儀等配件和工具，對預(yù)應(yīng)力鋼筋需進(jìn)行防腐處理，新增的橫隔板采用環(huán)形中空的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)造鋼筋采用植筋技術(shù)。橫向預(yù)應(yīng)力筋也有通過在相鄰梁腹板間設(shè)置水平板的方式。無論哪種方式，預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量規(guī)格均應(yīng)通過計算確定。該加固技術(shù)多用在鐵路T型梁橋上，解決鐵路提速后橋梁橫向振幅過大問題。某32 m鐵路T型梁橋采用了該加固技術(shù)后的動載試驗數(shù)據(jù)表明，橋梁的橫向剛度、豎向剛度和整體性均得到了加強(qiáng)。

板梁橋在每孔板梁底增設(shè)一定數(shù)量的橫向體外預(yù)應(yīng)力索，對板梁鉸縫下緣混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，限制了單個板梁的橫向變形，增加了板梁間的摩擦力，使橋梁整體承載能力增強(qiáng)。該加固方法主要工藝有高強(qiáng)膠結(jié)材料灌縫、確定橫向預(yù)應(yīng)力索的位置數(shù)量、埋件設(shè)置、鋼絞線防腐處理等。某高速公路20 m板梁橋共12片板梁，采用該種加固技術(shù)后的靜荷載試驗數(shù)據(jù)表明，加固

后板梁撓度平均減小40%，最大減小幅度達(dá)70%。

從設(shè)計上改變混凝土簡支梁橋橫向連接構(gòu)造的設(shè)想

在設(shè)計階段改變混凝土簡支梁橋橫向連接構(gòu)造，即對簡支梁間施加橫向預(yù)應(yīng)力，增加簡支梁橋整體橫向剛度是解決簡支梁橋單梁受力病害有效措施之一。

橫向施加預(yù)應(yīng)力技術(shù)于2001年開始在鐵路混凝土簡支梁橋提速加固中普遍應(yīng)用，鐵道部相關(guān)部門組織部內(nèi)設(shè)計院開始在簡支梁橋設(shè)計中采用該技術(shù)并編制發(fā)布多套通用參考圖。公路橋梁和鐵路橋梁在設(shè)計上無本質(zhì)差別，主要體現(xiàn)在公路橋梁荷載比鐵路橋梁荷載小，公路橋梁橫向分布復(fù)雜而鐵路橋梁的橫向分布簡單，公路橋梁寬而鐵路橋梁窄，還有對動力特性指標(biāo)的要求不同。可以設(shè)想，借鑒鐵路混凝土簡支梁橋設(shè)計中橫向預(yù)加應(yīng)力技術(shù)成功應(yīng)用的經(jīng)驗，在公路簡支梁橋設(shè)計中應(yīng)用該技術(shù)。

結(jié)語

（1）混凝土簡支梁橋單梁受力的原因是多方面的，根本原因是設(shè)計上對簡支梁橋橫向連接剛度考慮不足和構(gòu)造缺陷所致。

（2）針對既有混凝土簡支梁橋單梁受力病害，可采取相應(yīng)有效的加固措施來消除，但有反復(fù)現(xiàn)象。

（3）新建公路簡支梁橋設(shè)計可以考慮通過梁間施加橫向預(yù)應(yīng)力增加橋梁整體橫向剛度的方法解決混凝土簡支梁橋的單梁受力問題。

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