交通弱干擾下的板梁橋鉸縫加固技術(shù)

張守軍

（江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司橋梁所，江蘇南京 211112）

由于板梁橋荷載傳遞路徑明確、施工方便，能較好地適應(yīng)道路路線，在中國得到了廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，道路荷載等級需求提高，超載車輛增多，會導(dǎo)致板梁橋鉸縫開裂。在汽車荷載頻繁作用下，鉸縫開裂逐漸發(fā)展，外界雨水通過路面裂縫滲入板梁鉸縫，侵蝕鉸縫內(nèi)的混凝土和鋼筋，使得板梁鉸縫逐漸失效，加大了橋梁運營的安全隱患。

解決板梁鉸縫開裂的工程問題，常用的鉸縫加固方法有：橋面補強層加固法、鉸縫植筋加固法、粘貼鋼板加固法及體外預(yù)應(yīng)力加固法。橋面補強層加固法［1］能夠有效控制橋梁裂縫的開展，防止鉸縫部位裂縫流入雨水對鉸縫混凝土和鋼筋的侵蝕。鉸縫植筋加固法［2］是在橋面補強層加固法的基礎(chǔ)上建立起來的。在鉸縫內(nèi)設(shè)置交叉鋼筋，加強了對鉸縫混凝土的約束作用，增強了鉸縫對剪力的傳遞作用和板梁的整體性。橋面補強層加固法和鉸縫植筋加固法的施工工藝復(fù)雜，工程量大，且施工過程需對交通運營進行封閉。粘貼鋼板加固法［3］是采用粘結(jié)劑和錨栓，將鋼板粘貼錨固在鉸縫薄弱部位，使各混凝土板梁形成整體，以提高結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。該方法效果可靠，施工工期短，但其未能封閉病害鉸縫的滲流路徑，鉸縫的滲水聚集在粘貼鋼板上方，導(dǎo)致鋼板銹蝕和錨固界面粘結(jié)失效，同時該方法還存在應(yīng)力滯后、錨固區(qū)域承受不利的剪拉復(fù)合力以及易銹蝕等局限性。體外預(yù)應(yīng)力法［4］是將預(yù)應(yīng)力鋼束在板底上緣橫穿各個梁板，使得各個板間受到的壓力一致，抵消了鉸縫間的橫向彎矩，梁板間由鉸接縫變?yōu)轭A(yù)應(yīng)力鋼束連接，鉸縫間既傳遞剪力也傳遞橫向彎矩。該方法提高了空心板梁橋的橫向整體性和剛度，使得各板梁能有效相互協(xié)作，共同承擔(dān)外部荷載。但由于預(yù)應(yīng)力鋼束的施加，使板梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布，板梁橫向剛度加大，結(jié)構(gòu)體系變化，導(dǎo)致主梁橫向彎矩增大，梁體底板開裂。此外，該方法施工工藝繁瑣，防腐的維護成本高。

為適應(yīng)中國交通運輸業(yè)的發(fā)展需求，根據(jù)板梁鉸縫的工作機理和破壞原因，作者擬提出壓力注膠鉸縫加固技術(shù)，并通過有限元軟件仿真分析和實際工程試驗進行驗證。

1 簡支板梁鉸縫工作機理

板梁鉸縫是空心板梁橋上部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)造。它將各預(yù)制梁板連接，形成整體上部結(jié)構(gòu)，傳遞各預(yù)制空心板間活載內(nèi)力。

按照傳統(tǒng)鉸接板理論［5］，假定空心板梁間的橫向聯(lián)系（鉸縫）為理想的“鉸”，即僅傳遞豎向剪力g（x），忽略縱向剪力t（x）、法向力n（x）以及橫向彎矩m（x），如圖1所示。將板梁鉸縫簡化為理想“鉸”，僅考慮豎向剪力傳遞，而忽略其他力的作用。

圖1 鉸接板梁受力示意Fig.1 The stress of the hinged plate girder

分析簡支板梁橋荷載傳遞分布機理及內(nèi)力分布規(guī)律可知，板梁橋鉸縫受拉剪或壓剪及橫向彎矩作用［6］。板梁橋常承受偏心荷載作用，其變形既有撓曲又有轉(zhuǎn)動。板梁的撓曲和轉(zhuǎn)動引起的豎向位移分量使相鄰板也產(chǎn)生撓曲和轉(zhuǎn)動，并將剪力和扭矩傳遞給相鄰板梁，而板梁轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的側(cè)向水平位移分量將通過鉸縫及橋面鋪裝層向相鄰板梁施加水平拉壓力。在車輛荷載駛離后，變形的恢復(fù)也將在鉸縫中產(chǎn)生反向的拉壓作用。為了確保鉸縫能夠傳遞和抵抗剪力作用，鉸縫多采用多邊形來起到互相鑲嵌的作用，從而約束板的自由轉(zhuǎn)動。而“大鉸縫”的橫向彎曲剛度不容忽視，它能夠傳遞橫向彎矩。因此鉸縫在彈性階段的實際受力狀態(tài)應(yīng)該為半剛性，與假定中的理想“鉸”不同。理想“鉸”與實際鉸縫受力狀態(tài)的對比如圖2所示。

圖2 理想鉸縫及實際鉸縫受力狀態(tài)Fig.2 The stress state of ideal hinge joints and actual hinge joints

2 板梁鉸縫病害成因

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，重型車輛和超載車輛頻繁出現(xiàn)，裝配式板梁橋常出現(xiàn)鉸縫的連接破壞。鉸縫的破壞導(dǎo)致企口縫混凝土與空心板側(cè)壁相分離，從而使得雨水滲透并侵蝕混凝土和鋼筋，使得混凝土喪失強度，對空心板失去橫向連接的能力，出現(xiàn)“單板受力”［7－9］現(xiàn)象。

針對成板梁橋鉸縫出現(xiàn)的滲水和析白、損傷板梁鉸縫對應(yīng)部位橋面鋪裝層縱向開裂和凹陷等現(xiàn)象［10］，結(jié)合板梁橋現(xiàn)場檢測資料分析，認為鉸縫破壞涉及到設(shè)計、施工、運營及材料等因素。

2.1 設(shè)計方面

由于板梁橋橫向連接常采用“小鉸縫”構(gòu)造形式，按鉸接板理論計算的“小鉸縫”抗剪強度滿足設(shè)計荷載要求。但工程實際檢測發(fā)現(xiàn)：“小鉸縫”上口預(yù)留尺寸小，灌入鉸縫的混凝土只能靠插搗使得混凝土密實，嚴重影響了鉸縫混凝土密實澆筑的質(zhì)量要求。同時，鉸縫設(shè)計時內(nèi)部不存在鋼筋且忽略鉸縫混凝土收縮徐變作用，實踐表明：鉸縫破壞多是由于鉸縫混凝土和板梁粘結(jié)面破壞，而不是鉸縫混凝土的剪切破壞，因此鉸縫實際抗剪能力比理論計算值偏低。

2.2 施工方面

在同一路線、相同結(jié)構(gòu)形式的空心板梁橋中，有的出現(xiàn)鉸縫破壞現(xiàn)象，有的卻未出現(xiàn)，而且鉸縫破壞病害有輕、重之別，這表明鉸縫施工質(zhì)量存在離散性。因此，鉸縫破壞不僅與板梁橋的設(shè)計有關(guān)，還與鉸縫施工控制不嚴有關(guān)。

原材料是決定施工質(zhì)量的最基本要求，也是影響施工質(zhì)量的最重要因素。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，空心板梁橋鉸縫破壞很多時候是由于材料強度不滿足要求。同時，作為確保整體受力的關(guān)鍵部位，鉸縫混凝土澆筑質(zhì)量往往存在較多施工問題，缺少必要的養(yǎng)護。

為了保證板梁的外觀，預(yù)制空心板時側(cè)模板使用鋼模，這樣形成的楔狀鉸縫側(cè)面就比較光滑。如果在澆筑鉸縫混凝土施工之前未對光滑的結(jié)合面進行鑿毛，將嚴重影響鉸縫與板梁之間的連接，不利于鉸縫的受力。

2.3 運營方面

與其他橋梁相比，板梁橋路幅寬，交通運營量大，超載車輛多，促使鉸縫產(chǎn)生破壞。此外，高速公路車道的劃分使得車輛運行軌跡有明顯的跟馳現(xiàn)象，且各荷載載重等級車輛的分道行駛使得車輛在荷載沖擊和疲勞作用下易發(fā)生鉸縫的剪切疲勞破壞。

2.4 材料方面

新、老混凝土結(jié)合面之間的抗拉強度僅為混凝土抗拉強度的l／3。因此，預(yù)制板梁與鉸縫的連接本身就是薄弱環(huán)節(jié)。鉸縫混凝土的抗剪能力依賴于鉸縫混凝土和空心板梁之間的粘結(jié)強度，而非鉸縫混凝土的抗拉強度。鉸縫破壞是鉸縫混凝土和板梁之間粘結(jié)面的破壞，而不是鉸縫混凝土自身的破壞。新、老混凝土之間的粘結(jié)強度取決于混凝土面的粗糙度、界面劑和混凝土的設(shè)計強度。在鉸縫混凝土設(shè)計標(biāo)號強度不變的情況下，鉸縫和板梁之間粘結(jié)面的粗糙度和界面劑的選擇至關(guān)重要，它將直接影響新、老混凝土的粘結(jié)強度，從而影響板梁橋鉸縫傳遞荷載的能力。

3 壓力注膠鉸縫加固

簡支板梁鉸縫的損傷使得部分板梁橋出現(xiàn)單板受力，給橋梁結(jié)構(gòu)和橋梁交通運營帶來了嚴重的安全隱患。為較好地解決板梁鉸縫加固問題，根據(jù)鉸縫的工作機理及鉸縫破壞特征和原因，結(jié)合板梁橋的板梁內(nèi)力傳遞機理，作者擬提出壓力注膠加固鉸接板縫技術(shù)。

在壓力注膠加固施工中，使用封閉膠和灌封膠兩種膠體。封閉膠是在不中斷交通的情況下對鉸縫注膠加固施工，用于封閉玻璃壓條與板梁底板的連接處。使膠體粘結(jié)密實，起到防止施工過程中漏膠的作用。灌封膠是用于注入鉸縫中的膠體，起到粘結(jié)板梁兩側(cè)面的作用，從而提高板梁結(jié)構(gòu)整體受力性能。封閉膠和灌封膠的性能指標(biāo)見表1。

壓力注膠加固鉸接板縫技術(shù)的原理是：將鉸縫形成一個密閉空腔，在預(yù)留進、出口的情況下，利用膠體良好的流動性，有效運用高壓灌漿設(shè)備，將其灌入鉸縫縫隙內(nèi)，使其迅速擴散、凝結(jié)并固化。利用膠體良好的粘結(jié)性能、力學(xué)性能及快速凝固的特性，快速恢復(fù)兩側(cè)梁板之間的連接，提高鉸縫的抗剪能力，有效恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能，達到加固、維護板梁鉸縫的目的。其主要技術(shù)原理如圖3所示。

表1 膠體的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of colloids

通過對該加固技術(shù)實現(xiàn)流程分析可知，該方案實施過程中對交通運營干擾較小，且施工操作簡便，工期較短。為明析壓力注膠加固技術(shù)原理，給出該技術(shù)的工藝流程，如圖4所示。

圖3 壓力注膠加固原理示意Fig.3 The principle of the pressure injecting reinforcement

圖4 壓力注膠鉸縫加固技術(shù)流程Fig.4 Flow chart of pressure injecting reinforcement technique for hinge joints

4 仿真分析及加固試驗

為驗證壓力注膠加固技術(shù)的可靠性，以成都某板梁橋為例，進行實際工程加固試驗。該橋梁為斜交橋，主梁與路線的夾角為75°，橋梁全長為9.14m。橋面寬度為0.75（護欄）＋17.8＋3（中央分隔帶）＋18.8＋0.75（護欄）m，橋下凈空為3m。上部結(jié)構(gòu)橋跨組合為1×8.00m預(yù)制鋼筋混凝土實心板，下部結(jié)構(gòu)為八字型橋臺，擴大基礎(chǔ)。支座為油毛氈，CD－60型伸縮縫。橋梁設(shè)計荷載為汽車－超20級，掛車－120。

4.1 有限元仿真分析

預(yù)制板梁、鉸縫采用C30混凝土，彈性模量為3×104MPa，密度為26kN／m3，泊松比為0.2；試驗用膠彈性模量為3.8×103MPa，密度為10kN／m3，泊松比為0.3。固定支座情況下，以三向約束x，y和z進行施加；移動支座情況下，以z軸自由，x軸和y軸固定進行施加。鑒于橋梁實況道路上車輛行駛軌跡的規(guī)律性，取實際橋梁中的4片空心板梁（3個鉸縫）分析鉸縫的破壞規(guī)律。

為分析不同狀態(tài)下板梁鉸縫的應(yīng)力分布狀況，利用有限元軟件Abaqus，建立鉸縫受損模型、鉸縫未受損模型和鉸縫受損加固后模型。鉸縫受損模型假定：空心板梁鉸縫完全損壞，失去橫向聯(lián)系板梁的作用，車輛荷載通過混凝土鋪裝層傳遞并分配至每片板梁。鉸縫未受損模型假定：空心板梁鉸縫未受損，處于完好狀態(tài)，則鉸縫可傳遞豎向剪力、縱向剪力及橫向彎矩等。鉸縫受損加固后模型假定：空心板梁鉸縫受損，壓力注膠技術(shù)加固后梁板可聯(lián)合受力，狀態(tài)完好。

根據(jù)有限元軟件分析，板梁在不同模型中的橫向應(yīng)力分布分別如圖5所示。

各模型在汽車荷載作用下，1＃，2＃和3＃鉸縫的橫向拉應(yīng)力分布如圖6所示。從圖6中可以看出，受損模型和未受損模型的橫向拉應(yīng)力均大于受損加固后模型的橫向拉應(yīng)力。這表明鉸縫受損后，經(jīng)過壓力注膠加固，板梁間的橫向聯(lián)系得到了加強。與加固前相比，板梁整體性得到了加強，可以更有效地共同承擔(dān)上部荷載。

4.2 加固試驗

為保證在加固施工過程中交通運營不受影響，試驗中在每片板梁下部跨中位置均布設(shè)位移計，用于檢測板梁在加固施工前、后的絕對位移和相鄰板梁間的相對位移。

布設(shè)的位移計在橋梁正常運營狀況下，利用現(xiàn)有交通量，對鉸縫加固前、后板梁的撓度進行實時連續(xù)監(jiān)測，每次連續(xù)監(jiān)測4h。采用DH5910動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集位移數(shù)據(jù)，傳輸保存至電腦，方便后期數(shù)據(jù)的處理和分析。

圖5 鉸縫各模型的橫向應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.5 Lateral stress distribution of hinge joints in hinged analysis model（unit：MPa）

圖6 各模型中鉸縫的橫向拉應(yīng)力Fig.6 Lateral tensile stress in the model of the hinge joints

對板梁鉸接縫加固前、后梁板間的相對位移和絕對位移數(shù)據(jù)進行了處理，左、右幅各板梁間的絕對位移和相對位移分別如圖7，8所示。

從圖7，8中可以看出，加固前，左、右幅的4＃～11＃板絕對位移偏大，尤其左幅6＃板的最大位移達到11.86mm，右幅9＃板的最大位移達到11.95mm。加固后，左、右幅板梁的絕對位移均明顯減小，尤其受荷載作用最大的4?！?1＃板，加固后絕對位移僅占加固前絕對位移的20%～40%，左幅6＃板的絕對位移為2.54mm，僅為加固前絕對位移的21.4%；右幅9＃板的絕對位移為2.46mm，僅為加固前絕對位移的20.6%；加固前，各板的相對位移較大，易出現(xiàn)單板受力的情況；加固后，左、右幅各板的相對位移較均勻，均小于1mm。

圖7 左幅板梁加固前、后的位移Fig.7 Left pieces of plate girder displacement

圖8 右幅板梁加固前、后的位移Fig.8 Right pieces of plate girder displacement

分析結(jié)果表明：不中斷運營交通的條件下，鉸縫注膠加固后，左、右幅的絕對位移和相對位移均明顯減小。這說明加固效果明顯，提高了鉸縫的實際工作性能，增強了鉸縫的剪力傳遞能力，改善了板梁荷載橫向分布狀況，使板梁的整體性得到了顯著提高。為評判注膠加固技術(shù)對鉸接板梁整體受載性能的提高可行性和實用性，選取正常安全服役橋梁的變形、承載能力限值作為評定標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

根據(jù)經(jīng)典板梁理論，結(jié)合板梁鉸縫實際受力，分析修正后的鉸縫模型。結(jié)合有限元仿真分析和實際工程試驗，對板梁鉸縫加固技術(shù)進行了研究，得到的結(jié)論為：

1）壓力注膠鉸縫加固方法對板梁受荷性能提升顯著。分析和試驗表明：壓力注膠鉸縫加固技術(shù)對板梁的橫向拉應(yīng)力減小較多，使得板梁的整體性增大，撓度減小，避免了單梁受力。

2）鉸縫加固施工對交通運營影響微弱。壓力注膠鉸縫加固技術(shù)施工平面位于橋梁底板，對橋梁上部交通無影響。

3）壓力注膠鉸接板縫加固技術(shù)工藝簡便，實用性強，可推廣到工程實踐。

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