裝配式空心板梁橋鉸縫病害機(jī)理與應(yīng)對(duì)措施

謝文劍 陽 龍 賈世林 張非凡

河海大學(xué)土木與交通學(xué)院

1 引言

過去幾十年以來，中國(guó)橋梁建設(shè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式也日益增多，其中，裝配式空心板梁橋由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力清晰，成本較低，施工方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，是我國(guó)目前最常用的橋型之一[1]。

近年來我國(guó)公路通行量與車輛荷載正在日漸增大，尤其是大噸位運(yùn)輸車輛的出現(xiàn)，使得一些運(yùn)營(yíng)中的裝配式混凝土空心板梁橋逐漸出現(xiàn)了多種病害，本就較為薄弱的鉸縫部位更是病害頻發(fā)，中小跨徑的空心板梁出現(xiàn)的單板受力現(xiàn)象非常嚴(yán)重，部分情況已經(jīng)嚴(yán)重影響到了橋梁通行與結(jié)構(gòu)安全[2]。

2 鉸縫的技術(shù)原理

裝配式空心板梁橋一般采用寬1m左右的空心預(yù)制板梁，各板梁間通過鉸縫相連接形成整體來共同承受外部荷載。鉸縫對(duì)于外部荷載在各板梁間的荷載橫向分布起重要作用，影響著板梁與橋面鋪裝層的整體性。裝配式空心板梁橋的鉸縫多采用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫形成連接，利用鉸縫傳遞剪力使橫向各片板梁形成整體，充當(dāng)傳遞荷載的角色。常見的鉸縫連接方式有企口縫混凝土鉸連接和鋼板焊接連接兩類。

（1）企口縫混凝土鉸連接。企口縫混凝土鉸的施工方法為：板梁鑿毛→板梁吊裝→鋼筋綁扎→模板安裝→混凝土澆注→養(yǎng)護(hù)，待混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后即可投入使用。企口縫混凝土鉸的因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，橫向連接的能力強(qiáng)而得到廣泛的應(yīng)用。這種連接方式根據(jù)開口形狀又可以分為很多種，主要有圓弧形、棱形和漏斗形等，其中漏斗形鉸縫的應(yīng)用最廣泛，并且有淺鉸縫、中鉸縫、深鉸縫三類形式[3]。

（2）鋼板焊接連接。鉸縫采用企口縫混凝土鉸時(shí)，需待現(xiàn)澆混凝土養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才可投入使用。過去在實(shí)際施工過程中，許多單位為使橋梁盡早通車而采用了鋼板連接方式，即在相鄰板梁間將蓋板與預(yù)埋鋼板焊接實(shí)現(xiàn)橫向連接。現(xiàn)如今，由于鋼板焊接連接的造價(jià)較高，整體性相對(duì)較差，這種方式只是鉸縫加固中應(yīng)用較多。

3 鉸縫病害的特征

3.1 造成病害的設(shè)計(jì)因素[4]

空心板梁橋的鉸縫病害是在多種影響因素的共同作用下造成，可概括為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)階段三方面因素，，其中空心板梁橋結(jié)構(gòu)上的“先天不足”是發(fā)生“單板受力”的重要原因。歸納起來，造成空心板鉸縫病害的設(shè)計(jì)因素有三點(diǎn)：首先，理論鉸與實(shí)際鉸的受力狀態(tài)不同。鉸接板法計(jì)算理論的假定是理想“鉸”只承受剪力，不承受拉力和縱向扭矩。但在荷載作用下板梁將發(fā)生豎向、橫向撓曲以及扭轉(zhuǎn)鉸縫混凝土在受到剪力、彎矩、扭矩共同作用的情況下，往往不是發(fā)生受剪破壞，而是和板的粘結(jié)面發(fā)生破壞。造成設(shè)計(jì)上的忽略部分因素的缺陷使得鉸縫的實(shí)際抗剪能力低于理論計(jì)算值。其次，由于受建筑高度的限制，空心板梁這種橋型的強(qiáng)度、剛度不如T形梁和箱形梁，用鉸縫來保證橋梁整體性的效果也不夠理想。最后，在設(shè)計(jì)中，有時(shí)由于橋面超高或設(shè)置預(yù)拱度等原因，橋面某些部位的鋪裝厚度不足；另一方面，由于鋪裝層內(nèi)的鋼筋普遍存在直徑較小、間距較大的情況，鋪裝層與空心板梁體的整體性減小，使得橋梁的整體性亦隨之降低。

3.2 破壞形式[5]

鉸縫損壞對(duì)橋梁的影響一般在竣工四五年后才會(huì)逐漸出現(xiàn)，短期并不明顯。根據(jù)潭洪河等人對(duì)廣西高速公路中空心板梁橋的調(diào)查，運(yùn)營(yíng)期在1～7年、跨徑在16m～30m間的裝配式空心板梁橋，最為突出典型的病害便是鉸縫所在位置的橋面產(chǎn)生縱向裂縫。鉸縫破壞表現(xiàn)為空心板鉸縫處出現(xiàn)混凝土開裂、脫落等現(xiàn)象，鉸縫位置處有滲水、析白，個(gè)別癥狀嚴(yán)重的橋梁縱向裂縫已貫穿主梁鉸縫和橋面鋪裝，且長(zhǎng)期的水蝕和活載反復(fù)作用將使鉸縫病害加劇。

3.3 病害帶來的危害

鉸縫病害是目前該橋型最為嚴(yán)重的一種病害。如果混凝土鉸縫由于某些因素產(chǎn)生病害，橋梁的整體性將被削弱，板梁間將無法很好傳遞荷載。更嚴(yán)重的是，這將反過來增大鉸縫受力，進(jìn)而加速鉸縫的破壞。當(dāng)板梁間橫向傳遞完全失效時(shí)，他們彼此之間不再有任何協(xié)同受力關(guān)系，空心板梁橋?qū)⒆兂蓡伟迨芰Φ臓顟B(tài)，即外部荷載將由直接受力的板梁所承擔(dān)，無法形成多板協(xié)同工作的整體受力體系。此時(shí)單個(gè)板梁所受的荷載大于設(shè)計(jì)值，板梁由此產(chǎn)生裂縫，甚至可能斷裂坍塌[4]。

4 鉸縫破壞的預(yù)防對(duì)策

4.1 采用深鉸縫構(gòu)造

根據(jù)在役空心板梁橋的調(diào)查，隨著鉸縫豎向高度的增大，鉸縫破壞的程度與頻率大體上逐漸變小。事實(shí)上，鉸縫加寬有利于施工人員對(duì)鉸縫內(nèi)混凝土進(jìn)行充分振搗，鉸縫加深可加大混凝土與板梁的接觸面積。因此說，空心板梁橋可采用漏斗形深鉸縫的形式來增強(qiáng)鉸縫截面強(qiáng)度，降低病害發(fā)生的可能性。

此外，為了避免收縮引起的早期裂縫，鉸縫內(nèi)應(yīng)采用微膨脹混凝土，利用膨脹劑來補(bǔ)償收縮。如果希望在施工過程中保證鉸縫混凝土的密實(shí)性、提高鉸縫混凝土耐久性，還可采用自密實(shí)微膨脹混凝土，使混凝土無需振搗便可在自身重力作用下實(shí)現(xiàn)流動(dòng)，即使存在致密鋼筋也能均勻地填充模板。

4.2 加強(qiáng)橫向連接鋼筋

過去鉸縫的鋼筋布置通常是在僅橫向配置連接鋼筋，且鋼筋的直徑較小，剪力的傳遞能力有限。而近年來的鉸縫除了增大尺寸外，還增大了鉸縫內(nèi)構(gòu)造鋼筋布置量：在相鄰空心板間的頂部和底部增加了連接鋼筋，在鉸縫中增設(shè)兩根縱向受力鋼筋，并且增大鋼筋直徑。如此一來，鉸縫與板梁之間的連接得到了有效增強(qiáng)，從而保證了力的橫向傳遞。

4.3 其他加強(qiáng)措施

目前大多數(shù)空心板梁橋橋面的橫向連接能力較弱，可以通過在橋面鋪設(shè)鋼纖維混凝土加強(qiáng)橋面鋪裝層的橫向連接，同時(shí)添加聚丙烯纖維以增強(qiáng)橋面的防水抗?jié)B能力。此外，在施工方面，預(yù)制階段須預(yù)先對(duì)板梁與鉸縫的結(jié)合面鑿毛處理，鉸縫混凝土澆筑前應(yīng)清理縫內(nèi)雜物并適當(dāng)灑水濕潤(rùn)。此外，還可以選擇在板梁側(cè)模板上焊接鋼筋使板梁結(jié)合面形成6mm大小的粗糙面[2]。

5 鉸縫裂縫的維修方式

修補(bǔ)空心板梁橋鉸縫處裂縫通常有三種方法：灌漿法，植筋法和返修法[5]。灌漿法簡(jiǎn)便易行但僅適用于初期病害，植筋法可以對(duì)更嚴(yán)重的貫穿性裂縫有效補(bǔ)強(qiáng)，重新返修是根治橋面縱向裂縫的可靠方法。除此以外，另一類簡(jiǎn)單的做法是在相鄰板梁表面粘貼如鋼板、玻璃鋼、碳纖維等加固材料。以粘貼鋼板加固法為例，其加固原理是通過粘結(jié)劑和錨固鋼筋在鉸縫底面粘貼鋼板，使之與板梁形成整體。為了增強(qiáng)加固效果，還可以將短鋼板同時(shí)粘接至鉸縫的頂面與底面[2]。但是粘貼鋼板加固法同時(shí)也存在對(duì)板梁造成損傷、長(zhǎng)期效果欠佳、鋼板防腐成本高、施工難度大等不可避免的缺陷，對(duì)此，可以改為在板底的企口縫位置增加∏型鋼層，∏形鋼由于特殊的截面形式可以增大板梁的慣性矩，其加固效果也優(yōu)于粘貼鋼板加固法。

圖1 粘接鋼板加固法

此外，還有一種效果明顯但工藝復(fù)雜的方法，即在板梁下緣施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼束或同時(shí)在頂面和底面施加雙向預(yù)應(yīng)力鋼束，它的缺點(diǎn)還有損傷板梁、鋼束防腐成本高、預(yù)應(yīng)力損失難以確定等。對(duì)于8m以下的小跨徑預(yù)制小鉸縫板橋，則可以直接采用錨噴混凝土加固法，通過在梁底噴射整體化鋼筋混凝土增大截面、提高整體性。

6 結(jié)束語

鉸縫病害影響了裝配式空心板梁橋的正常使用，從表面現(xiàn)象來看，裝配式板橋的鉸縫破壞很常見，但是實(shí)際上鉸縫的破壞是在多種影響因素的共同作用下造成的。為延長(zhǎng)裝配式空心板梁橋的使用壽命，對(duì)鉸縫病害的預(yù)防應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工和交通管制多方面采取措施，做到全方位綜合治理。