上海地區(qū)板梁橋鉸縫損傷成因與維修對策研究

段昕智

（上海市市政規(guī)劃設計研究院有限公司，上海市 200031）

0 引言

鉸縫是預制板梁橋上部結(jié)構(gòu)的重要結(jié)合部，承擔著板梁間傳遞內(nèi)力并約束位移的關(guān)鍵作用，但其也是預制板梁橋的薄弱部位，實際工程中絕大多數(shù)板梁間鉸縫都出現(xiàn)了不同程度的病害，直接影響結(jié)構(gòu)的整體受力性能。本文針對上海地區(qū)預制板梁橋鉸縫病害特點，綜合分析其病害成因，再對典型鉸縫維修對策進行研究，最后以實際工程為例，評價典型鉸縫維修對策的修復效果。

1 上海地區(qū)板梁橋鉸縫病害特點

上海市城市橋梁技術(shù)狀況分析報告[1-2]表明，近年來，全市橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系的損壞比例呈上升趨勢，至2015年，全市共有18.6%的橋梁出現(xiàn)不同程度的橫向聯(lián)系病害，且達到較高損壞等級[3]的比例超過8%。

根據(jù)上海地區(qū)多年橋梁普查經(jīng)驗，空心板梁鉸縫病害主要有以下特點：

（1）鉸縫損傷多發(fā)生于小跨徑空心板梁橋。

（2）鉸縫損傷一般分布在重車輪跡帶附近。

（3）鉸縫一旦發(fā)生損傷，其裂縫將向鋼筋混凝土調(diào)平層、瀝青混凝土鋪裝層反射，在橋面鋪裝內(nèi)產(chǎn)生縱向裂縫，伴隨降雨滲入，瀝青混凝土鋪裝層將產(chǎn)生松散、坑洞等病害，并在鉸縫底部留下明顯的滲水和析白痕跡[4]，見圖1。

（4）鉸縫損傷造成橋梁上部結(jié)構(gòu)整體性下降，車輛通過時相鄰板梁間產(chǎn)生相對變形。如養(yǎng)護維修不及時，出現(xiàn)單板受力的情況，導致相鄰板梁間形成永久性錯臺，并最終發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

2 鉸縫損傷成因分析

2.1 構(gòu)造設計

在上海地區(qū)，多數(shù)空心板梁橋建造時間較早，板梁間采用淺鉸接形式，即“小鉸縫”，見圖2。其結(jié)構(gòu)尺寸較小、配筋較少，造成相鄰板梁間橫向聯(lián)系較弱。小跨徑板梁橋因梁高降低，鉸縫尺寸進一步減小，活載下鉸縫受力更為不利。

圖2 淺鉸接板梁鉸縫圖示（單位：mm）

2.2 計算假定

鉸接板梁橋在計算分析時，假定板梁間的橫向聯(lián)系為理想的“鉸”，即鉸縫僅傳遞豎向剪力。然而空心板梁橋普遍出現(xiàn)鉸縫破壞病害的現(xiàn)狀表明，豎向車輛荷載作用時鉸縫不單傳遞剪力，同時還承受橫向彎矩，且拉剪或壓剪等受力狀態(tài)伴隨發(fā)生，鉸縫的理論受力模式與實際情況存在明顯差別。計算假定的偏差可能導致部分鉸縫底緣橫向拉應力超過設計強度，造成鉸縫處產(chǎn)生縱向裂縫并出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象[5]。

2.3 施工質(zhì)量控制

（1）混凝土鋪裝層局部厚度不足

在鉸接板梁橋的設計中，通常將混凝土鋪裝層作為橋梁上部結(jié)構(gòu)的一部分參與整體受力，因此該混凝土層必須滿足設計厚度的要求，但由于實際施工過程中對該層厚度的質(zhì)量控制不到位，特別是當設置橋面超高或預拱度時，可能出現(xiàn)部分鉸縫上方混凝土鋪裝層局部厚度不足的情況，導致該位置鉸縫易發(fā)生損傷。

（2）鉸縫界面處理不當

實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，相當一部分空心板梁橋鉸縫在施工過程中，未對后澆區(qū)域側(cè)面進行鑿毛、清理和灑水保濕等必要工序，造成新老混凝土間的粘結(jié)性能較差，降低鉸縫界面的耐久性。

（3）鉸縫混凝土成型質(zhì)量差

實際施工過程中，鉸縫混凝土可能出現(xiàn)振搗不密實，養(yǎng)護條件不足等問題，導致其成型質(zhì)量較差，運營期病害較多，“小鉸縫”構(gòu)造尤為嚴重。

2.4 運營管理

（1）重車渠化

行車道的劃分使車輛行駛軌跡具有規(guī)律性，其中重型貨車一般行駛在外側(cè)車道，導致板梁橫斷面上各鉸縫受力不均，外側(cè)車道區(qū)域?qū)你q縫結(jié)構(gòu)所承受的荷載效應最大，在重車荷載反復作用下易產(chǎn)生疲勞破壞。由于活載占比較大，小跨徑板梁橋鉸縫病害更為普遍。

（2）超載

橋梁結(jié)構(gòu)上通行超載車輛的現(xiàn)象時有發(fā)生，一旦超載產(chǎn)生的荷載效應超過設計強度儲備，板梁鉸縫即發(fā)生損壞，即使超載幅度不大，在沖擊效應和疲勞作用下鉸縫損壞的概率也大大增加。

2.5 材料特性

新老混凝土的收縮差異造成其結(jié)合面之間的粘結(jié)強度較低，直接制約鉸縫結(jié)構(gòu)的抗剪能力，鉸縫損傷往往是鉸縫混凝土與板梁結(jié)構(gòu)之間的界面破壞而非鉸縫混凝土自身破壞。

3 鉸縫維修對策

對于發(fā)生病害的空心板梁橋鉸縫結(jié)構(gòu)，應結(jié)合其損傷程度和工程特點選擇合理有效的維修加固對策。工程技術(shù)人員通過大量嘗試，總結(jié)出典型的鉸縫維修對策有錨固連接鋼板法、體外預應力加固法、鋪裝結(jié)構(gòu)加強處理法和梁底灌漿加固法等。

3.1 技術(shù)原理

錨固連接鋼板法是通過與板梁完好錨固的鋼板輔助或替代受損鉸縫傳力，保證上部結(jié)構(gòu)的整體性，彌補鉸縫構(gòu)造的固有缺陷。體外預應力加固法的原理是通過施加橫向預應力削弱鉸縫內(nèi)拉應力峰值，并封閉裂縫、減小活載下變形，增強梁間橫向聯(lián)系，改善上部結(jié)構(gòu)的整體性能。

鋪裝結(jié)構(gòu)加強處理法是在更換損壞鉸縫的基礎上，通過補強混凝土鋪裝層來改善新鉸縫的受力狀況，同時加強板梁間的橫向聯(lián)系，以恢復板梁橋上部結(jié)構(gòu)的整體性。具體做法為在不改變橋面標高的前提下，增加混凝土鋪裝層厚度并加設雙層鋼筋網(wǎng)片，重新植筋加強鉸縫與混凝土鋪裝層連接，澆筑新鉸縫并保證成型質(zhì)量。

梁底灌漿加固法是將鉸縫設計為一個密閉空腔，采用專用注漿泵將環(huán)氧樹脂、聚氨酯等化學灌漿料從板梁底部灌入，并填充整個空腔，通過灌漿料恢復兩側(cè)混凝土之間的粘結(jié)，進而恢復橋梁結(jié)構(gòu)的整體性。

3.2 綜合對比

結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對上述鉸縫維修對策的優(yōu)缺點進行了梳理，見表1。

表1 鉸縫維修對策綜合對比

錨固連接鋼板法和體外預應力加固法適用于需要保障交通正常通行的維修工程，但在實際使用中兩者均存在一些弊端：對于錨固連接鋼板法，由于活載、環(huán)境等因素，鋼板與結(jié)構(gòu)間易出現(xiàn)脫空而降低加固效果；對于體外預應力加固法，張拉施工時錨固區(qū)應力復雜，需局部加強，且整套工藝也較為繁瑣。學者[6]還提出了一些類似的改進方法，如Π型鋼板加固法、增設雙肢槽鋼加固法和增設矩形鋼管加固法等，但以上施加外部措施的方法都難以避免的會損傷板梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

鋪裝結(jié)構(gòu)加強處理法適用于板梁鉸縫破壞較為嚴重的情況，通過多重加固確保板梁間的橫向聯(lián)系，但施工工序較多，維修范圍較大，需要長時間封閉交通。

梁底灌漿加固法可在不中斷交通的情況下完成施工，特別適用于大型城市交通繁忙或重要路段的維修工程，且施工簡便，不損傷板梁結(jié)構(gòu)。但該項技術(shù)在國內(nèi)還不成熟，在灌漿材料性能、施工質(zhì)量控制等方面仍有待深入探究，尤其是車輛引起的結(jié)構(gòu)振動對灌漿修復效果的影響尚需試驗和實例驗證。

對于上海這種特大型城市的橋梁結(jié)構(gòu)維修工程，應遵循盡可能減少對交通的影響和盡可能避免損傷原有結(jié)構(gòu)的原則，因此，近年來梁底灌漿加固法逐步得到推廣應用，后文將通過實際工程來評估其應用效果。另一方面，對于鉸縫損壞較為嚴重的板梁結(jié)構(gòu)，為延長運營年限，工程上仍會采用鋪裝結(jié)構(gòu)加強處理法并通過早強材料縮短封交時間，其應用效果也將在后文進行驗證。

4 維修效果后評估

如前所述，針對上海地區(qū)預制空心板梁結(jié)構(gòu)的橋梁鉸縫損壞問題，工程上目前較為常用的是鋪裝結(jié)構(gòu)加固處理法和梁底灌漿加固法。為考察上述兩種鉸縫維修對策的修復效果，分別選取典型工程進行檢測評估。

4.1 加固工程簡介

采用鋪裝結(jié)構(gòu)加固處理法的典型工程A為上海某一級公路簡支空心梁橋，跨徑8 m，加固前板梁間鉸縫嚴重損壞，存在單梁受力隱患，橋面鋪裝局部混凝土破損嚴重，鋼筋外露銹蝕，橋面積水，橋面瀝青鋪裝出現(xiàn)老化。加固時間為2012年底，加固范圍為3#～8#鉸縫。

采用梁底灌漿加固法的典型工程B為上海某高速公路簡支空心板梁橋，跨徑22 m，加固前相鄰底板跨中高差達2～5 cm，鉸縫下方滲水明顯，橋面鋪裝出現(xiàn)貫通的縱向裂縫。加固時間為2011底，加固范圍為6#～11#鉸縫，加固過程中未影響橋面交通。

4.2 評估方法

已有不少學者[7-9]提出了針對板梁鉸縫損傷程度的評估方法，為避免影響交通，本文采用文獻[7]提出的方法，該方法可操作性較好，近年來在上海地區(qū)應用較多。

如圖3所示，選取早高峰時段橋跨跨中位置相鄰空心板梁間的相對位移為測量對象，獲得實際交通流量下鉸縫結(jié)構(gòu)的工作狀況。

圖3 現(xiàn)場檢測照片

根據(jù)文獻[7]的研究成果，分別得到兩個工程的鉸縫結(jié)構(gòu)損傷程度判定見表2。

表2 鉸縫結(jié)構(gòu)損傷程度判定表

4.3 檢測結(jié)果與評估結(jié)論

對工程A和工程B，檢測期內(nèi)采集到的加固范圍內(nèi)各相鄰板梁間的跨中相對位移最大值如圖2所示。對工程A，3#～8#鉸縫對應的相鄰板梁間跨中相對位移實測值分別為0.07 mm、0.01 mm、0.04 mm、0.08 mm、0.07 mm和0.02 mm，遠小于0.11 mm，表明經(jīng)鋪裝結(jié)構(gòu)加固處理法加固后使用至今，所有鉸縫結(jié)構(gòu)完好。對工程B，6#～11#鉸縫對應的相鄰板梁間跨中相對位移實測值分別為0.05 mm、0.54 mm、0.07 mm、0.01 mm和0.07 mm，表明經(jīng)梁底灌漿加固法加固后使用至今，7#鉸縫及橋面鋪裝共同組成的傳力結(jié)構(gòu)再次損壞，但仍能傳遞剪力，其余鉸縫結(jié)構(gòu)完好。另經(jīng)外觀檢查，僅發(fā)現(xiàn)工程B的7#鉸縫對應的橋面鋪裝存在車轍病害，也印證了上述檢測結(jié)果。

兩工程加固至今均超過5 a，故本次后評估結(jié)果能夠代表兩種維修對策的長期應用效果，具體結(jié)論如下：

（1）對于鉸縫損壞嚴重的情況，采用鋪裝結(jié)構(gòu)加強處理法，能夠有效修復板梁結(jié)構(gòu)的橫向傳力體系。

（2）對于交通繁忙的高速公路路段，采用不中斷交通的梁底灌漿加固法，個別鉸縫位置不能得到徹底修復，可能的原因是車輛振動等因素對灌漿材料的固化過程造成不利影響，降低了修復效果。

因此，為進一步推廣應用鉸縫維修對策新技術(shù)，建議對梁底灌漿加固法從兩個方面進行改進，一是優(yōu)化灌漿材料，提高其對高溫、潮濕和車輛振動等不利條件的適應能力，二是進一步做好施工質(zhì)量控制，嚴格遵守工藝要求，確保灌漿材料的成型質(zhì)量，盡可能規(guī)避不利因素影響。

5 結(jié)語

本文首先根據(jù)橋梁普查資料，給出了上海地區(qū)空心板梁鉸縫的病害特點，并從構(gòu)造設計、計算假定、施工質(zhì)量控制、運營管理和材料特性等方面對病害成因進行了較為全面的分析。然后系統(tǒng)梳理了典型鉸縫維修對策的技術(shù)原理和優(yōu)缺點，指出不中斷交通的梁底灌漿加固法更加適用于上海地區(qū)。最后，通過實際加固工程，對上海地區(qū)常用鉸縫維修對策進行了應用效果評估，結(jié)果表明，鋪裝結(jié)構(gòu)加強處理法修復效果較好，而梁底灌漿加固法的效果易受到外界干擾，建議從灌漿材料和施工質(zhì)量控制等方面進行優(yōu)化。