空心板鉸縫病害分析及加固方法

張劍峰

中國鐵建大橋工程局集團(tuán)西北工程有限公司 寧夏銀川 750004

鉸縫是空心板梁橋橫向連接的重要組成部分，鉸縫的質(zhì)量直接會影響橋梁的耐久性和安全性。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)90%以上的空心板橋的鉸縫存在著不同程度的損傷與破壞[1]。鉸縫由于自身的構(gòu)造和功能要求，其破壞機(jī)理比較復(fù)雜，現(xiàn)在對于鉸縫破壞的研究理論不完善。雖然理論方面不盡完善但是我們對鉸縫的實(shí)際使用和調(diào)查的研究中發(fā)現(xiàn)鉸縫的破壞存在很多的規(guī)律和特征，這些為進(jìn)一步揭示其破壞機(jī)理有深刻的意義值得工程師與科研工作者們?nèi)フJ(rèn)真思考。

對于鉸縫現(xiàn)在存在的各種病害我們需要有一個系統(tǒng)的認(rèn)識和詳細(xì)的了解，并且對鉸縫中的病害要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，針對鉸縫這一病害學(xué)者和工程師們提出了多種加固方法[2]，這些方法在預(yù)防和處理鉸縫病害方面收到良好的效果。但是在應(yīng)用這些加固方法處理這些各種病害的時候我們發(fā)現(xiàn)每一種方法也都存在一定的缺陷與局限性，在這里筆者列出了現(xiàn)在鉸縫加固的幾種常用的方法并列出了對各種加固方法應(yīng)用中的一些思考。

1 鉸縫的破壞形態(tài)以及破壞特征

1.1 在長期重載作用下鉸縫受到的剪應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值最開始會在鉸縫的底部產(chǎn)生裂縫

隨著荷載反復(fù)作用裂縫會不斷向橋面鋪裝層發(fā)展使橋面鋪裝產(chǎn)生縱向的反射裂縫，嚴(yán)重的部位甚至?xí)霈F(xiàn)破碎帶。由于橋面鋪裝的破損橋面上的水會下滲，導(dǎo)致大部分的鉸縫出現(xiàn)滲水泛白的現(xiàn)象。打開鉸縫會發(fā)現(xiàn)鉸縫處的混凝土破損嚴(yán)重鋪裝鋼筋網(wǎng)和鉸縫鋼筋出現(xiàn)銹蝕斷裂。

1.2 在高等級公路中重車車道上發(fā)生縱向開裂的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超車道的可能性

重車車輪直接作用下的板梁兩側(cè)的鉸縫一般會出現(xiàn)開裂滲水的現(xiàn)象。在鉸縫滲水處由于荷載的長期作用橫向聯(lián)系會逐漸減弱甚至發(fā)生單板受力現(xiàn)象，同時鉸縫里的水可能會滲入到梁體中使梁內(nèi)的筋產(chǎn)生銹蝕，使得鋼筋有限截面積減小梁體的承載力下降，。

1.3 部分空心板間的鉸縫發(fā)生松動、脫落，鉸縫失去了橫向連接作用

當(dāng)橫向連接失去作用以后不可避免的部分板就會出現(xiàn)單板受力，在這種情況不利情況下部分空心板所承受的荷載超過了它的最大承受能力設(shè)計(jì)值，所以部分板底部沿著鉸縫兩側(cè)出現(xiàn)了一些橫向裂縫。

1.4 當(dāng)部分橋梁出現(xiàn)了單板受力時，如果不及時修復(fù)

在初期這類空心板在荷載作用下會出現(xiàn)明顯的彈性下?lián)希摪迮c兩側(cè)的空心板之間發(fā)生明顯的錯位，但是當(dāng)荷載作用消失后彈性變形會立馬恢復(fù)。在荷載長期作用下，單板的彈性變形就會逐漸的演變?yōu)樗苄宰冃?，變形不會完全回?fù)此板就會與兩邊的板產(chǎn)生錯位形成永久性的臺階。

1.5鉸縫病害主要發(fā)生在小跨徑空心板橋中

統(tǒng)計(jì)中會發(fā)現(xiàn)橋梁的跨徑越小出現(xiàn)鉸縫開裂的可能性越大。

2 鉸縫病害產(chǎn)生的原因

2.1 在簡支空心板橋的鉸縫設(shè)計(jì)方法一般采用的是鉸接板法來計(jì)算橋梁的橫向分布系數(shù)

這種方法適用于縱向剛度較小橫向剛度較大的情況但是在實(shí)際中鉸縫連接處橫向連接比較薄弱，這在一定程度上與實(shí)際不符；另外我們在實(shí)際計(jì)算中把鉸縫處進(jìn)行簡化，認(rèn)為鉸縫處只能傳遞剪力而實(shí)際鉸縫處不僅存在著剪力還有彎矩存在，這些設(shè)計(jì)計(jì)算中的不足往往會導(dǎo)致病害的產(chǎn)生。同時隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和運(yùn)輸能力的提高運(yùn)輸工具也不斷改進(jìn)，現(xiàn)如今車輛軸重不斷增大載重不斷提高，并且存在著大量的超載超限現(xiàn)象使得實(shí)際的使用荷載大于設(shè)計(jì)荷載這就加速了病害的進(jìn)一步發(fā)展[1]。

2.2 鉸縫形式不合理

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)早期做的小鉸縫在出現(xiàn)縱向開裂的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在做的深鉸縫。主要是由于小鉸縫截面尺寸較小且為素混凝土，結(jié)構(gòu)抗剪能力較差在施工過程中由于澆筑空間狹小澆筑質(zhì)量不好保證，在重載交通的反復(fù)作用下混凝土極易破碎失去作用造成橋面破損。另外早期的小鉸縫配筋不足導(dǎo)致的鉸縫混凝土承載力不足也是引起鉸縫開裂的一個重要的原因。

2.3 鉸縫施工質(zhì)量較差，主要存在以下幾個方面

（1）混凝土施工時振搗不足且混凝土施工后養(yǎng)護(hù)工作不到位使得混凝土質(zhì)量存在嚴(yán)重缺陷。

（2）鑿毛質(zhì)量較差，鑿毛后表面混凝土清理不徹底，澆筑新混凝土?xí)r沒有在新舊結(jié)合面處進(jìn)行潤濕這些導(dǎo)致了新舊混凝土粘結(jié)能力不足，在后期使用中就會出現(xiàn)混凝土松動剪壞的現(xiàn)象。

（3）橋梁支座墊石施工精度較差，尺寸不合理，支座在安裝時精度也不足，在使用過程中支座會出現(xiàn)”三條腿”現(xiàn)象，部分支座出現(xiàn)懸空。這導(dǎo)致橋梁實(shí)際的受力情況與計(jì)算不符，在上部車輛荷載的沖擊作用下，加速了鉸縫裂縫的發(fā)展，當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度還會出現(xiàn)鉸縫脫落現(xiàn)象。

3 常用的加固方法

3.1 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板法是通過增強(qiáng)橫向聯(lián)系來增強(qiáng)橋梁的整體受力性能的一種加固方法，此種方法主要是適用于空心板的橫向聯(lián)系較弱，梁底無明顯錯臺、整體較平整的情況。采用此種方法可以不中斷交通不改變原結(jié)構(gòu)的截面尺寸，施工工藝簡單，可靠性也較高是現(xiàn)在最常用的加固方法之一。從現(xiàn)場的加固情況和后期的使用中發(fā)現(xiàn)此種方法是一種較為理想的加固方法，但是同時也發(fā)現(xiàn)此種方法也存在較多的缺陷亟待解決：

（1）在進(jìn)行螺栓錨固的時候必須在主梁上打眼這就會對梁體造成破壞使梁體產(chǎn)生損傷。如果打眼過程中傷到主筋則破壞性可想而知。

（2）采用此種方法確實(shí)可以有效的提高橋梁的橫向剛度，但是也會導(dǎo)致在受到相同的荷載時，加固后的鉸縫產(chǎn)生的橫向彎矩變大，這會使得原裂縫的寬度變大。另一方面還可能會導(dǎo)致梁底板較薄弱的部位會出現(xiàn)縱向開裂。

（3）在后期的使用過程中我們發(fā)現(xiàn)在剛開始加固初期，鋼板與梁底粘接牢固，剪力可以通過板與梁連接處有效的傳遞到加固的鋼板上。但是隨著時間推移，在荷載的反復(fù)作用下，鉸縫兩側(cè)的梁進(jìn)一步會出現(xiàn)豎向變位這就導(dǎo)致連接部位出現(xiàn)過大應(yīng)力，結(jié)果就是連接部位發(fā)生松動進(jìn)一步引起鋼板錯動，使鋼板因?yàn)樗芗袅^大而發(fā)生破壞。

（4）在使用時我們還會發(fā)現(xiàn)部分鉸縫仍然伴隨著滲水，這些水很多是污水會對鋼板和連接構(gòu)件有嚴(yán)重的腐蝕作用，會減小鋼板和連接螺栓的有效截面積降低其抗拉壓強(qiáng)度。同時污水還會腐蝕粘接膠，降低其粘接強(qiáng)度影響加固效果。所以筆者建議加固時使用的鋼板應(yīng)選用耐候鋼此種剛才雖然材料價(jià)格較貴但是使用價(jià)格較便宜從長期的使用效果看經(jīng)濟(jì)性更好。

（5）粘貼鋼板的方法是屬于被動加固方法這就表明該種方法只能是抑制原來裂縫的擴(kuò)展，鋼板只能在荷載作用下抵抗剪應(yīng)力。在該種情況下裂縫仍然可能發(fā)生并且裂縫的發(fā)展與否與鋼板施做的質(zhì)量有密切關(guān)系。我們還要注意我們在在進(jìn)行橋梁加固的時候是在不卸載的情況下進(jìn)行的，這引發(fā)的后果是鋼板在受力過程中存在著應(yīng)力滯后的現(xiàn)象，這也是在采用此種方法需要注意的問題。

（6）鋼板錨固的節(jié)點(diǎn)處理比較困難我們發(fā)現(xiàn)很多節(jié)點(diǎn)處都有銹水出現(xiàn)，這會降低錨固螺栓的使用壽命影響加固的耐久性。

3.2 橫向預(yù)應(yīng)力加固法

橫向預(yù)應(yīng)力加固方法是一種主動的加固方法通過施加的側(cè)向預(yù)應(yīng)力增大橋梁鉸縫之間的摩阻力從而顯著的增大鉸縫的抗剪強(qiáng)度。此種加固方法不存在被動加固法中預(yù)應(yīng)力滯后的現(xiàn)象，可以較好的改善橋梁橫向的整體性但是該種方法仍然存在很多不足，需要工程人員與科研人員共同努力去解決。此種加固方法主要存在以下缺陷：

（1）錨固區(qū)會出現(xiàn)局部預(yù)應(yīng)力集中，此時需要采取一些有效的措施降低由于張拉引起的局部高應(yīng)力。

（2）使用過程中的預(yù)應(yīng)力損失和張拉過程中預(yù)應(yīng)力筋的伸長量不能進(jìn)行精確的定量計(jì)算

（3）該加固方法在一定程度上會改變原來橋梁結(jié)構(gòu)的受力體系，將原來的鉸接體系會變成剛接體系這就導(dǎo)致橋梁橫向的彎矩變大，部分梁體底板較薄抗拉強(qiáng)度較低，在彎矩作用下會出現(xiàn)開裂或?qū)е略_裂加劇。

（4）本加固方法在施工過程中需要對原梁體進(jìn)行打孔以進(jìn)行后期的錨固這就會破壞原結(jié)構(gòu)，降低原結(jié)構(gòu)的承載能力。

（5）采用此種加固方法施工的預(yù)應(yīng)力筋和錨墊板是暴露在空氣中如果不采取防腐處理后期使用的過程中就會付出高昂的代價(jià)，但是如果要進(jìn)行前期處理的話成本較高。

3.3 橋面鋪裝層加固法

此種方法通過后做橋面板澆筑層與主梁形成一個整體改善橋梁荷載的橫向分布的一種加固方法，此種方法施工工藝簡單，施工質(zhì)量容易控制。但是此種加方法主要適用于一些小跨徑橋梁的加固。對于大跨徑橋梁的鉸縫開裂只采取此種方法加固效果不佳，必須配合其他加固方法共同使用。對于此種加固方法雖然被大面積應(yīng)用但是仍然有些缺陷值得我們思考：

（1）在施做新的橋面鋪裝層時需要對原鋪裝層進(jìn)行鑿除在鑿除過程中梁體多多少少會受到損傷。

（2）首先新施做的鋪裝層會增加原結(jié)構(gòu)的自重；另外整個鋪裝層位于結(jié)構(gòu)受力的受壓區(qū)這表明新的鋪裝層只能增加結(jié)構(gòu)的抗壓能力而結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要是由混凝土的抗拉強(qiáng)度決定這就導(dǎo)致此種方法在增加承載力方面，受到較大的限制。

（3）新澆筑的鋪裝層與原結(jié)構(gòu)會構(gòu)成一個疊合結(jié)構(gòu)這就會對新舊混凝土的結(jié)合與收縮提出較高的要求，在使用過程中發(fā)現(xiàn)由于新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度低新舊混凝土變形不一致導(dǎo)致的收縮裂縫仍然存在。

（4）此種方法有一個最致命的缺陷就是必須在中斷交通的情況下施工并且施工周期也較長這導(dǎo)致總體的加固成本較高。

定理三 若①λ,u≥v≥0，w≥0；②(λ-1)(λ-w)≥0，(u-1)(u-w)≥0(或λ,v≥u≥0，w≥0，(λ-1)(λ-w)≥0，(v-1)(v-w)≥0；或u,v≥λ≥0，w≥0，(u-1)(u-w)≥0，(v-1)(v-w)≥0)；③(λ-1)(λ-w)+(u-1)(u-w)+(v-1)(v-w)≥0；④λ+u+v≥1+2w.則對于n∈N，n≥2，有

3.4 P型鋼板加固法

這種加固方法是這近幾年新提出的一種加固方法使用時間不長，但是從一些加固的實(shí)例可以看出此種方法加固效果比較理想，該方法是在通過在梁體底部用螺栓和粘接膠連接增加P型鋼板的方法來增加原結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，所加鋼結(jié)構(gòu)位于結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)可以充分可以發(fā)揮材料性能，有效的控制梁體的下?lián)希档土肆旱资芾瓍^(qū)混凝土的主拉應(yīng)力。長安大學(xué)胡慶安等通過研究發(fā)現(xiàn)此種加固方法在受力性能和加固效果上明顯的優(yōu)于粘鋼加固法[2]。但是從使用和分析的過程中發(fā)現(xiàn)此種方法仍然存在一些問題：

（1）在設(shè)計(jì)過程中為了提高加固效果充分發(fā)揮材料的力學(xué)效能通常把高厚比設(shè)計(jì)的很大，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彎矩、扭矩在整個內(nèi)力中所占的比重過大，結(jié)構(gòu)極容易達(dá)到臨界區(qū)區(qū)狀態(tài)發(fā)生失穩(wěn)破壞，喪失穩(wěn)定性。

（2）P型鋼加固方法從受力和加固效果看既能起到橫向加固作用同時又能提高結(jié)構(gòu)的承載能力。但是在橫向上荷載分布是不均勻的，存在一個橫向分布的比例關(guān)系即所謂的橫向分布系數(shù)，而在加固設(shè)計(jì)時沒有過多考慮這一因素所以在加固時對于不同的開裂部位鋼板型號是一樣的這樣難免會造成一定的浪費(fèi)。同時通過此種方法加固對于承載能力提高和自重增加方面未有定量的分析。

（3）在施工過程中要對梁體打孔錨固膨脹螺栓粘接鋼板這就會對梁體造成損傷對于損傷效果很難進(jìn)行定量的分析與評估。

（4）從后期的使用效果看會發(fā)現(xiàn)粘接鋼板的錨固螺栓在荷載反復(fù)作用下出現(xiàn)了不同程度的松動這就會導(dǎo)致鋼板的松動，鋼板松動必然會引起加固效果的降低，但是降低多少我們也不能進(jìn)行一個定量的分析。

（5）此種方法對于防腐處理要求較高成本也較高并且對于后期的維修比較困難。

3.5 灌漿加固法

該方法通過在鉸縫處用高壓灌漿設(shè)備將化學(xué)灌漿料壓入鉸縫中的密閉的空腔，膠結(jié)材料通過凝結(jié)硬化與周邊混凝土形成一個整體起到有效的封堵加固作用。現(xiàn)在主要用的的灌漿材料有聚合物灌漿料和環(huán)氧樹脂。從加固效果看兩種灌漿料都有很好的加固效果但是也都有各自的特點(diǎn)和適用。聚合物灌漿料主要適用于鉸縫四周截面比較潮濕且裂縫寬度較大、破壞較嚴(yán)重的橋梁。而環(huán)氧樹脂則比較適用于周邊截面比較干燥裂縫的寬度較小的橋梁。

灌漿加固法不僅其不需要中斷交通，施工周期較短，施工較方便，經(jīng)濟(jì)性、安全性較好而且對原結(jié)構(gòu)破壞損傷較小鑒于以上原因灌漿加固法被廣泛用于鉸縫開裂的加固中，但是從現(xiàn)場加固工程和加固效果分析此種方法仍然存在著一些不如人意的地方

（1）加固的過程中需要對原來破壞的鉸縫進(jìn)行清理以保證灌漿料與結(jié)構(gòu)體的良好粘接，但是由于鉸縫設(shè)計(jì)尺寸小裂隙寬度小裂隙形狀不規(guī)則等原因?qū)е铝芽p清理過程費(fèi)時費(fèi)力且往往還是清理不徹底影響加固效果。

（2）灌漿過程中對于漿體在裂隙中的擴(kuò)散效果不好控制通過對加固的案例的檢測發(fā)現(xiàn)存在著很多裂隙漿體不飽滿部分裂隙漿體擴(kuò)散不密實(shí)等現(xiàn)象。

（3）現(xiàn)在對于漿體與周邊界面的粘結(jié)效果以及粘結(jié)的耐久性等方面研究不足，并且此種加固方法可以說只能是起到治標(biāo)不治本的效果不能抑制裂縫的繼續(xù)開裂。

（4）筆者認(rèn)為不同的跨徑下灌漿的加固效果是不一樣的但是對于這方面的研究仍然較少所以灌漿加固法的理論體系尚不完善。

（5）從很多的加固實(shí)例看只采用灌漿加固方法不能起到很好的加固效果往往是采用灌漿加固法與粘貼鋼板法或者張拉橫向預(yù)應(yīng)力等加固方法配合進(jìn)行才可以在一定程度上克服灌漿加固法的一些不足。

4 結(jié)論

（1）鉸縫病害的破壞形式與破壞特征在具有通性，有一定的規(guī)律性可尋，這為我們對于鉸縫的研究提供了一定的線索與價(jià)值，但是我們同時也要注意每一座橋梁上的鉸縫的病害又同時具有一定的獨(dú)特性，這就需要研究人員與工程人員對于現(xiàn)場病害進(jìn)行實(shí)際分析，找到針對鉸縫破壞的具體原因，從而選擇適當(dāng)?shù)募庸谭椒ㄟM(jìn)行處理。

（2）鑒于每一種加固方法即有自己的優(yōu)勢又有自己的局限性與不足，我們在選用加固方法時在考慮到每種加固方法的適用性的前提下可以對不同的加固方法進(jìn)行合理的組合，這樣可以在一定程度上增強(qiáng)加固效果。

（3）對于橋梁鉸縫病害的研究在理論方面存在著嚴(yán)重的不足，理論研究進(jìn)展較慢制約著鉸縫病害研究的進(jìn)程。