某預應力混凝土簡支空心板橋加固性能試驗研究

高勇

（佛山市縱橫工程檢測有限公司，廣東佛山528226）

裝配式預應力混凝土空心板梁橋是中小跨徑梁橋中普遍采用的橋型，尤其適用于橋下凈空受到限制的橋梁。該橋型的預制空心板間多用混凝土小企口縫進行鉸接連接，其特點是尺寸小、鉸間連接鋼筋薄弱、縫內(nèi)無拉筋，相鄰空心板通過設置鉸縫實現(xiàn)豎向剪力的傳遞，達到共同受力的目的［1-2］。

隨著我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展，橋梁結構的荷載等級不斷提高，超載車輛也與日俱增，當預應力混凝土空心板板間聯(lián)結強度不足以抵抗行車荷載產(chǎn)生的豎向剪力時，常出現(xiàn)空心板間鉸縫損壞，嚴重時出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，甚至導致在板底出現(xiàn)橫向裂縫［3-4］。針對這種典型病害，本文以某預應力混凝土簡支空心板橋為背景，對該橋存在的混凝土耐久性病害、主梁承載能力不足等病害進行了成因分析，并提出了處治措施。通過數(shù)值分析，并結合靜載試驗對該橋改造前后的承載能力進行了評定。

1 橋梁概況及病害成因分析

1.1 橋梁概況

廣東某預應力混凝土空心板梁橋位于佛山市南海區(qū)境內(nèi)，于1994年建成通車。該橋橋梁全長455.82 m，其跨徑組合為15×30 m，雙幅總寬度為26 m，橋梁橫斷面為0.5 m（防撞護欄）+11.0 m（機動車道）+2.0 m（中央分隔帶）+11.0 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）。該橋上部結構采用30 m先張法預制預應力簡支空心板，板高1.2 m，板寬1.5 m。設計荷載為：汽車-20級，掛車-100，人群：3.5 kN/m2。

1.2 病害成因分析

從歷次檢測結果看，該橋雖經(jīng)過多次維修，但仍存在一些空心板橋梁的通病和頑疾，病害照片如圖1～2所示。該橋主要存在以下典型病害：1）橋面鋪裝出現(xiàn)沿鉸縫的縱向反射裂縫，局部存在坑槽；2）空心板板間鉸縫底部混凝土脫落；3）鉸縫位置梁板混凝土受滲水侵蝕、銹脹破損；4）空心板底板跨中附近存在橫向裂縫，出現(xiàn)單板（單梁）受力現(xiàn)象。

圖1 橋面鋪裝縱向反射裂縫

圖2 鉸縫底部砂漿脫落，梁體下?lián)?/p>

橫向鉸接板梁橋出現(xiàn)此種病害的原因是多方面的，通過計算分析以及靜載試驗結果來看，歸納起來主要有以下幾點：

1）直接原因。在重車作用下，鉸縫容易發(fā)生連續(xù)破壞，使荷載不能有效傳遞給相鄰主梁，造成單板（梁）受力；2）根本原因。相鄰空心板通過鉸縫實現(xiàn)豎向剪力的傳遞，預應力混凝土空心板板間聯(lián)結強度不足以抵抗行車荷載產(chǎn)生的豎向剪力；3）板梁反拱問題。預應力作用會使空心板產(chǎn)生反拱，相鄰空心板的反拱值可能存在較大不同，導致空心板頂面高低不平，造成鋪裝層厚度不均勻，厚度偏小的部位直接影響混凝土鋪裝的受力；4）鉸縫施工問題。鉸縫的施工往往不被重視，導致鉸縫混凝土振搗不密實，預留鋼筋保留不全等問題，導致鉸縫混凝土的施工質量嚴重不足，成為整座橋梁的最薄弱環(huán)節(jié)。

2 橋梁維修加固措施

針對該橋存在的混凝土耐久性病害、主梁承載能力不足等病害，確定橋梁大修措施如下：1）除現(xiàn)況橋面鋪裝，主梁頂面鑿毛、清理、植筋，并涂刷新舊混凝土界面結合膠；2）更換承載力嚴重不足的空心板主梁；3）橋面鋪裝翻修為5 cm瀝青鋪裝（SMA-13改性瀝青瑪蹄脂混合料5 cm、防水層及13 cm厚40無收縮混凝土層，內(nèi)配雙層鋼筋）；4）更換現(xiàn)況橋梁伸縮縫為模數(shù)式-80伸縮縫；5）主梁裂縫封閉及混凝土局部破損部位采用聚合物砂漿進行修補；6）橋梁兩側40 m范圍內(nèi)進行道路接順并重新施畫橋梁及道路標志、標線。

3 加固前后承載能力研究

針對該橋存在的混凝土耐久性及主梁承載能力不足等病害，右幅第2跨采用更換1#、2#和3#空心板、重設鉸縫及橋面補強層加固技術。該橋在大修前后各做了1次橋梁靜載試驗，本文根據(jù)加固前后靜載試驗結果以及理論計算分析，對橋梁加固前后的承載能力進行綜合評估，檢驗維修加固的效果。

3.1 橋梁結構分析計算與加載方案

本次試驗橋跨選擇受力不利、缺陷較多或病害較嚴重的橋跨，結構獨立的一聯(lián)進行靜載試驗，根據(jù)試驗前對本橋梁結構的外觀檢查及現(xiàn)場考察，選取右幅第2跨預應力混凝土空心板作為試驗橋跨。依據(jù)橋梁施工圖文件和《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）［5］，采用橋梁分析軟件MIDAS/Civil 2012進行計算，目標荷載采用汽車-20級荷載，人群3.5 kN/m2。

表1給出了在該試驗荷載作用下跨中截面的試驗彎矩、試驗荷載效率等參數(shù)，表中的數(shù)據(jù)表明試驗荷載效率滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21-01—2015）［6］要求。圖3給出了加固前后靜載試驗加載圖式和等級，加固前后兩次靜載試驗的試驗荷載效率、加載圖式等均相同。

表1 試驗彎矩荷載效率系數(shù)表

圖3 工況Ⅰ、工況Ⅱ跨中截面試驗加載平面布置圖（偏載）（單位：cm）

3.2 靜載試驗測點布置

3.2.1 撓度測點布置

依據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》要求，并結合現(xiàn)場實際情況，共布置14個撓度測點，采用百分表測量，如圖4所示。

圖4 撓度測點布置圖（單位：cm）

3.2.2 應變測點布置

本次試驗跨中截面設置18個應變測點，具體位置如圖5所示。

圖5 應變測點布置圖（單位：cm）

3.3 靜載試驗結果及分析

3.3.1 加固前后撓度數(shù)據(jù)結果分析

在加固前后試驗荷載作用下各測點撓度實測數(shù)據(jù)（修正后）及撓度理論值比較匯總于表2。從表2可以看出，加固前實測跨中截面在試驗荷載作用下A1～A4測點的試驗校驗系數(shù)分別為1.180、1.135、1.165和1.092，均不滿足文獻［6］第5.7.8條撓度測點校驗系數(shù)不大于1的規(guī)定。而加固后實測跨中截面所有測點的試驗校驗系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求。

表2 加固前后實測撓度與理論計算撓度匯總 mm

加固前實測跨中截面在試驗荷載作用下A1、A2測點的相對殘余變位分別為0.217、0.212，不滿足文獻［6］中第5.7.6條相對殘余撓度不大于20%的規(guī)定。而加固后實測跨中截面所有測點的相對殘余撓度不大于20%的要求，滿足規(guī)范要求。

圖6 加固前后實測彈性撓度與理論計算撓度比較圖

圖6給出了加固前后滿載作用下實測彈性撓度與理論計算撓度的比較曲線。加固前滿載作用下，偏載側A1～A4測點的彈性撓度值均大于理論撓度值，說明加固前1#～4#板的剛度不滿足規(guī)范要求，并且實測彈性撓度與理論計算撓度曲線變化趨勢不是很一致，對稱性較差，說明各梁體間橫向連接較差。加固后實測最大撓度均小于理論計算撓度，結構剛度滿足規(guī)范要求，并且實測彈性撓度與理論計算撓度曲線變化趨勢一致，各梁體間橫向連接較好。

3.3.2 加固前后應變數(shù)據(jù)結果分析

跨中截面測點在加固前后試驗荷載作用下應變實測數(shù)據(jù)及應變理論值比較匯于表3。

表3 加固前后實測應變與理論計算應變匯總

從表3可以看出，加固前實測跨中截面在試驗荷載作用下A4～A6測點、A8測點、A10～A11測點的試驗校驗系數(shù)分別為1.353、3.311、2.192、1.848、1.675和1.578，均不滿足文獻［6］第5.7.8條應變測點校驗系數(shù)不大于1的規(guī)定。而加固后實測跨中截面所有應變測點的試驗校驗系數(shù)均小于1，滿足規(guī)范要求。加固前后實測跨中截面在試驗荷載作用下所有測點的相對殘余變位均滿足文獻［6］第5.7.6條相對殘余撓度不大于20%的規(guī)定。

將加固前后滿載作用下實測彈性應變與理論計算應變比較曲線繪于圖7所示。從圖中可見，加固前滿載作用下，偏載側A4～A6測點、A8測點、A10～A11測點的彈性應變值均大于理論應變值，說明加固前橋梁結構強度不滿足規(guī)范要求，并且實測彈性應變與理論計算應變曲線變化趨勢很不一致，對稱性很差，說明各梁體間橫向連接較差，這可能與該橋運營多年，空心板間鉸縫（淺鉸）開裂、橋面板開裂有關。加固后實測最大應變均小于理論計算應變，結構強度滿足規(guī)范要求，并且實測彈性應變與理論計算應變曲線變化趨勢一致，各梁體間橫向連接較好。

圖7 加固前后實測彈性應變與理論計算應變比較圖

在滿載作用下將加固前后跨中截面偏載側腹板沿高度布置的應變測點實測彈性應變沿截面高度進行線性回歸，從圖8可以看出，由于底板存在較多橫向裂縫或鉸縫聯(lián)結較弱，應變值偏大。在滿載作用下，加固前實測應變沿1#空心板腹板截面高度不呈線性變化，線性相關系數(shù)r為0.817 5，不符合平截面假定（n=3，置信度小于90%）。更換空心板前1#空心板腹板擬合中性軸高度為110.21 cm，遠遠大于理論計算值61.669 cm，分析原因可能與空心板下緣開裂后中性軸上移有關。而更換空心板后1#空心板腹板實測應變沿截面高度呈線性變化，線性相關系數(shù)r為0.990 2，符合平截面假定（n=3，置信度小于90%）。1#板擬合中性軸高度為61.279 cm，這與理論理論計算值61.669 cm接近。

圖8 加固前后滿載作用下應變沿截面高度分布圖應變沿截面高度分布圖

從加固前后的試驗結果可知，加固后橋梁結構的應變和撓度校驗系數(shù)均有不同程度的變小，且都滿足規(guī)范要求，這說明加固后的橋梁結構各項技術指標滿足規(guī)范的要求，承載能力相比加固前的既有橋梁結構有顯著提高。從應變和撓度的橫向傳遞及分配來看，加固前的實測彈性應變和撓度與理論計算值的曲線變化趨勢不一致，對稱性較差，說明加固前各梁體間橫向連接較差；加固后的實測彈性應變和撓度與理論計算值的曲線變化趨勢基本一致，對稱性較好，說明加固后各梁體間橫向連接較好。由此可見，經(jīng)大修后該橋承載能力有顯著的提高，加固效果明顯。

4 結論

本文以某預應力混凝土簡支空心板橋為研究對象，針對該橋存在的混凝土耐久性病害、主梁承載能力不足等病害進行了成因分析，并對該橋維修加固前后承載能力進行評定，得出以下結論：

（1）針對該橋存在的既有病害提出的處治措施是可行的，顯著提高了該橋的承載能力；

（2）采用更換部分空心板、重設鉸縫及橋面補強層加固技術，不僅顯著提高了空心板的強度、剛度，也增強了橋梁橫向傳力的整體性；

（3）本文提出的大修方法具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，可為存在類似典型病害的橋梁結構進行大修提供參考。