空心板鉸縫失效機理與處治

張 萍

(重慶交通大學，重慶 400074)

由于空心板梁預(yù)制工藝簡單、安裝方便、造價較低以及建筑高度較小等諸多優(yōu)點，因此空心板梁橋在各類公路工程中廣為應(yīng)用。20 世紀90年代，我國有很多公路橋梁建成通車，隨著橋梁服役年限的增長和交通量的劇增，近幾年混凝土空心板梁橋出現(xiàn)了大量的病害，并有加劇的趨勢。在這些病害中，由于混凝土鉸縫薄弱導(dǎo)致的病害占很大比例。橋梁的結(jié)構(gòu)受力分析主要由承重結(jié)構(gòu)(主梁)及傳力結(jié)構(gòu)(橫梁、橋面板)兩大部分組成。多片主梁依靠橫梁和橋面板聯(lián)成空間整體結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)的空間整體性，當橋上作用荷載時，各片主梁將共同參與工作，形成各片主梁之間的內(nèi)力分布?？招陌辶簶虻膫髁Y(jié)構(gòu)主要依靠空心板之間的鉸縫和橋面板?？招牧喊逶谶M行內(nèi)力計算時，需要將橋面承受的車輛荷載通過橫向分布系數(shù)分配至各片梁板上，具體系數(shù)的數(shù)值和梁板間連接形式及其效果有關(guān)。其力學理念就是將整幅的梁板看作一個共同受力的整體，通過其相互間變形協(xié)調(diào)的程度來決定分配比例，而鉸縫就承擔著梁板間傳遞內(nèi)力并約束位移的關(guān)鍵作用。鉸縫直接關(guān)系著空心板梁上部結(jié)構(gòu)的整體受力性能，鉸縫病害最極端的情況，將出現(xiàn)空心板“單板受力”，從而導(dǎo)致空心板承受大于設(shè)計荷載的外力，危及結(jié)構(gòu)安全。一直以來，鉸縫問題沒有引起廣大技術(shù)人員的足夠重視，致使許多橋梁因此而過早損壞，造成了很大的損失。

1 鉸縫失效的機理分析

1.1 鉸縫受剪截面小

從空心板梁截面構(gòu)造上，早先國內(nèi)板梁常用鉸縫的形式有無鉸縫或小鉸縫，其連接示意如圖1。空心板通過鉸縫傳遞剪力，形成空間整體受力結(jié)構(gòu)。如果鉸縫受剪截面過小，則會因抗剪強度不足而破壞。圖1 和圖2 列出兩種鉸縫形式受剪截面均較小。無鉸縫連接依靠橋面鋪裝來傳遞剪力;小鉸縫連接的鉸縫承擔小部分剪力，大部分剪力由橋面鋪裝來承擔。橋面鋪裝層厚度一般為8～12 cm，抗剪能力較弱。雖然鉸縫處鋪裝層內(nèi)一般都沒有板頂預(yù)埋鋼筋搭接，但由于混凝土截面過小還是極易引起鉸縫開裂破壞。

1.2 鉸縫新舊混凝土粘結(jié)不良

圖1 無鉸縫示意圖

圖2 小鉸縫示意圖

鉸縫混凝土與與預(yù)制空心板間的連接為新舊混凝土結(jié)合問題，需解決好粘結(jié)力問題。目前在橋梁施工現(xiàn)場中鋼模被普遍使用，澆筑成型的梁表面較光滑，一些單位對混凝土表面不經(jīng)處理，在光滑的鉸縫壁面上直接澆筑鉸縫混凝土。這樣就可能會因為新舊混凝土間的粘結(jié)不良而導(dǎo)致鉸縫混凝土開裂、剝離和脫落，從而使鉸縫喪失傳遞荷載而失效。

1.3 鉸縫混凝土澆筑不密實

空心板梁間的鉸縫一般都較狹窄，施工中鉸縫澆筑混凝土不易振搗，振區(qū)混凝土不易保證密實。鉸縫間的模板安裝不到位，特別是空心板梁支座處的端模板在混凝土澆筑中易滲漏砂漿，造成鉸縫混凝土出現(xiàn)蜂窩和空洞，甚至出現(xiàn)局部混凝土完全漏光。鉸縫作為梁板連接的混凝土后澆帶，其應(yīng)力情況較復(fù)雜，鉸縫混凝土不密實或內(nèi)部存在空洞，受力時，將加劇應(yīng)力集中現(xiàn)象，易導(dǎo)致鉸縫提前破壞。

1.4 交通量過大

交通量過大尤其是重車及超限重車的頻繁通過，也是產(chǎn)生橋梁鉸縫提前破裂的一個重要因素。目前汽車超載現(xiàn)象相當普遍，導(dǎo)致許多橋梁過早損壞。超載使汽車軸重大幅增加。梁板間需傳遞的剪力也跟著大幅增加，鉸縫及鋪裝會因無法承受如此大而頻繁的剪切作用而破壞。

2 鉸縫失效過程

鉸縫失效在時間上有一個過程。從裂縫的出現(xiàn)到無法傳遞剪力是鉸縫從開始失效到完全失效的過程，時間短則一年，長則幾年或更長。如果因為新舊混凝土粘結(jié)不良而導(dǎo)致鉸縫脫落，則鉸縫的失效過程更快。

(1)鉸縫的抗剪強度除了本身混凝土質(zhì)量以外，在很大程度上取決于新舊混凝土間的粘結(jié)力和摩阻力，其中摩阻力=垂直力×摩阻力系數(shù)。首先是鉸縫混凝土微裂紋逐漸擴展形成通縫，通縫引導(dǎo)橋面鋪裝開裂，接著裂縫沿鉸縫縱向開展。裂縫的出現(xiàn)不等于鉸縫傳荷馬上失效(此時開裂面混凝土粘結(jié)失效)。但裂縫斷裂面上集料的嚙合作用(摩阻力尚存在)，還可部分傳遞剪力。

(2)隨著外部荷載繼續(xù)作用，裂縫逐漸張開變寬，裂縫斷裂面發(fā)生剪切摩擦，斷裂面的粗糙面被磨平(摩阻力失效)，鉸縫則因無法傳遞剪力而完全失效。

(3)當雨水滲入斷裂面，沿著游離石灰中有銹跡鉸縫混凝土裂縫流下，溶解了混凝土中的氫氧化鈣，即形成白色“游離石灰”滲出。而雨水中往往存在腐蝕性的物質(zhì)，極易引起鉸縫鋼筋的銹蝕斷裂最終導(dǎo)致整個鉸縫破壞，隨著形成的“單板受力”出現(xiàn)鉸縫破壞，整個橋梁已處于危險狀態(tài)。

3 鉸縫失效后果

裝配式空心板梁間設(shè)置鉸縫主要目的是為了達到設(shè)計理論上橫向只傳遞剪力的鉸的作用，以形成荷載能橫向分布，避免單片板梁受力，并使上部構(gòu)造多片梁板結(jié)構(gòu)成為一個整體共同承擔外部荷載。如果鉸縫失效，則導(dǎo)致上構(gòu)單板受力，從而使空心板所承受的荷載大幅度增加，再加上車輛本身的超載，空心板往往因無法承受如此大的荷載而損壞，大大縮短橋梁的使用壽命。鉸縫失效除了導(dǎo)致上部損壞外，還伴隨著橋面的開裂、錯臺，影響行車的舒適和安全，所以空心板鉸縫的失效問題必須予以足夠重視。

4 鉸縫失效處治

鉸縫失效需進行處理，否則影響上構(gòu)梁板的安全使用。處治的方法有多種，這里側(cè)重介紹采用自密實微膨脹混凝土進行處治的方法。從空心板梁橋上部結(jié)構(gòu)的橫截面可以看出，混凝土鉸縫是沿板高度方向的下部直線折線段和上部折線部分組成(見圖2)?；炷零q縫沿板高度方向的折線段采用自密實微膨脹混凝土可解決新舊混凝土收縮引起直線段的粘結(jié)不良、局部不密實等缺陷。

(1)鉸縫混凝土表面處理:表面處理首先是鑿毛。鑿毛要鑿掉原表層混凝土露出新鮮混凝土粗骨料。鑿毛時應(yīng)盡可能使用振動較小的設(shè)備進行，且鑿毛深度在5～10 mm 之間，形成平整的粗糙面，且鑿毛率必須大于70%。然后清理鉸縫中的混凝土碎屑及施工產(chǎn)生的油污或積水等。

(2)灌縫澆筑:對于預(yù)拌的自密實微膨脹砂漿和混凝土，應(yīng)先攪拌補償收縮砂漿完畢后應(yīng)盡快運至澆筑地點，對鉸縫底部狹小縫隙(空心板間施工縫隙)先用微膨脹砂漿進行澆筑，澆筑的高度以不超過圖2 中鉸縫下底部設(shè)計的直線高度為宜。攪拌好的自密實微膨脹混凝土，在現(xiàn)場可用小車運輸至空心板鉸縫處，灌縫時可使用提桶從板間縫一端灌入(以利于排除空氣使灌漿密實)，直接注入板間縫即可。為防止混凝土外撒，可采用簡易漏斗輔助灌注。灌注過程中可少振或不振，但要保證混凝土拌和物均勻。

5 自密實微膨脹混凝土質(zhì)量控制

自密實微膨脹混凝土所用材料的性能指標必須符合有關(guān)規(guī)范的要求。澆筑后不得出現(xiàn)露筋和空洞現(xiàn)象;新舊混凝土的結(jié)合面不得出現(xiàn)裂縫。微膨脹混凝土的配合比必須達到規(guī)范(或設(shè)計)要求的限制膨脹率。工程完工后要試水觀察，任何部位不允許發(fā)生滲漏現(xiàn)象。若局部出現(xiàn)滲漏，可將滲漏處有缺陷的混凝土徹底清除，將其表面鑿毛，沖洗干凈后，抹微膨脹水泥砂漿。如滲漏嚴重，先用堵漏材料止水，再用微膨脹水泥砂漿抹面。

6 結(jié)束語

鉸縫失效導(dǎo)致橋梁上構(gòu)遭到損壞的現(xiàn)象比較嚴重，鉸縫問題必須引起足夠的重視。鉸縫失效后處治可采用自密實微膨脹混凝土來處治，并需要加強施工管理，確保施工質(zhì)量。從而改善空心板受力環(huán)境，以提高橋面的服務(wù)水平和使用年限。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程(上)［M］.北京:人民交通出版社，2001

［2］錢培舒.橋梁空心板鉸縫自密實微膨脹混凝土施工指南(2)［R］.南京:東南大學，2011