新型鉸縫設(shè)計(jì)及增強(qiáng)技術(shù)研究

卞華偉

摘 要：近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，橋梁建設(shè)行業(yè)得到了飛速發(fā)展。鉸接空心板梁橋具有結(jié)構(gòu)簡單、建筑高度小、成本低、自重小等優(yōu)勢，它可以進(jìn)行批量工廠化預(yù)制，施工方便，在中小跨徑橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著交通量的日益增大，在多種因素綜合影響下，裝配式空心板梁橋的病害問題日益凸顯。為了克服傳統(tǒng)鉸縫無法有效振搗及抗裂性能差等缺陷，本文提出一種新型的鉸縫形式，并探討了相關(guān)鉸縫增強(qiáng)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：空心板橋;鉸縫筋;增強(qiáng)技術(shù)

中圖分類號：U442.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0088-03

Abstract： In recent years， with the continuous advancement of urbanization in China， the bridge construction industry has developed rapidly. The articulated hollow slab bridge has the advantages of simple structure， small building height， low cost， and low self-weight，which can be prefabricated in batches and convenient to construct，and is widely used in small and medium span bridges. However， with the increasing traffic volume， under the comprehensive influence of various factors， the disease problem of fabricated hollow slab bridges has become increasingly prominent.In order to overcome the defects that traditional hinge joints could not be effectively vibrated and have poor crack resistance， this paper proposed a new type of hinge joint and discussed related hinge joint reinforcement technologies.

Keywords： hollow slab bridge;hinge joint;reinforcement technology

裝配式簡支板空心板梁橋具有構(gòu)造簡單、可工廠大批量生產(chǎn)、自重小、便于運(yùn)輸和安裝等優(yōu)勢[1-3]，和相同跨徑的T形梁相比，其建筑高度小，現(xiàn)場濕作業(yè)少，所以其在中小跨徑橋梁中應(yīng)用廣泛。鋼筋混凝土空心板梁跨徑一般為6～10m，而預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁跨徑一般為10～20m。早期設(shè)計(jì)的該類型橋中，連接形式以小企口縫為主，一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，這種橋梁結(jié)構(gòu)形式簡單，理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)成熟，但是在進(jìn)行荷載設(shè)計(jì)時(shí)，荷載估算存在較大偏差。面對長期交變荷載和超重荷載，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性、動(dòng)力性能以及疲勞特性等缺乏可靠的理論支持和工程實(shí)踐。在這種情況下，空心板梁橋經(jīng)過若干年的使用，易出現(xiàn)鉸縫斷裂，而橋面板處于“單板受力”狀態(tài)。

1 空心板橋鉸縫發(fā)展歷程

對于裝配式鋼筋混凝土空心板梁橋來說，其荷載的橫向分布必須依靠橫向傳力構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)，一般稱橫向傳力構(gòu)件為鉸縫。鉸縫沿橋跨方向?qū)⒏髌v梁連成整體而協(xié)同工作，這是該類橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而保證各板梁共同承受車輛荷載[4-6]。而裝配式鋼筋混凝土梁橋采用的鉸縫經(jīng)歷了從多樣到單一、從淺到深的過程，其構(gòu)造鋼筋的布置也經(jīng)歷了從無到有、從少到多的過程。

1.1 鉸縫從多樣到單一

橫向連接方式種類繁多，常見的有混凝土企口縫鉸連接、鋼板焊接連接和其他連接方式?；炷疗罂诳p鉸連接根據(jù)開口的類型又可以分為很多種，主要有圓形、棱形和漏斗形等，如圖1所示。其中，工程應(yīng)用較為廣泛的是漏斗形鉸縫。

1.2 鉸縫從淺到深，鋼筋由少到多

裝配式鋼筋混凝土簡支板梁橋的設(shè)計(jì)多采用鉸接板法來計(jì)算。鉸接板法是指將鉸縫看成是鉸接連接，鉸縫只傳遞剪力，但這種計(jì)算方法忽略了鉸縫實(shí)際上處于拉、彎、剪的復(fù)合受力狀態(tài)。按照此理論計(jì)算，抗剪對于鉸縫尺寸沒有太大的要求，在鉸縫設(shè)計(jì)時(shí)滿足構(gòu)造設(shè)計(jì)的要求就行，不需要進(jìn)行受力驗(yàn)算。在這種情況下，投入運(yùn)營后，小鉸縫往往會出現(xiàn)明顯的損壞，其傳遞剪力的作用有所降低，還可能出現(xiàn)單板受力等情況，削弱橋梁的整體性。

設(shè)計(jì)時(shí)，通過優(yōu)化漏斗形鉸縫，鉸縫呈現(xiàn)寬而深的變化趨勢，如圖2所示，鉸縫分別為淺鉸縫、中鉸縫和深鉸縫?；阢q接板理論，和淺鉸縫相比，深鉸縫結(jié)構(gòu)的極限承載力明顯較大。在達(dá)到固定的使用年限后，疲勞荷載對鉸縫的破壞更加顯著，如果疲勞荷載幅度較大，深鉸縫的工作性能比淺鉸縫好。隨著鉸縫尺寸的增大，其內(nèi)部構(gòu)造筋布置量相應(yīng)增多，另外，增大鉸縫尺寸和增加鉸縫鋼筋，有助于強(qiáng)化鉸縫和板梁的連接，進(jìn)而提升力的傳遞效果。

1.3 鉸縫病害形式及影響因素

當(dāng)前，我國交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅猛，超載車輛明顯增加，導(dǎo)致公路橋梁承受相當(dāng)大的負(fù)荷。同時(shí)，受施工工藝限制，加上某些部位設(shè)計(jì)不合理，最終，多數(shù)空心板梁橋出現(xiàn)不同程度的損傷。

1.3.1 鉸縫病害形式。鉸縫病害形式主要有兩類。一是鉸縫處縱向開裂、滲水，二是鉸縫處混凝土脫落、鋼筋暴露。

1.3.1.1 鉸縫處縱向開裂、滲水。由于車輪的沖擊疲勞作用，橋面行車道上的橋面鋪裝層普遍存在車轍和縱向貫通裂縫，長此以往即形成一條破碎帶。縱向裂縫規(guī)律性地分布在行車道鉸接縫的上方，嚴(yán)重時(shí)雨雪水常通過此破碎帶下的鉸縫滲入板底，繼而留下明顯的滲水痕跡。

1.3.1.2 鉸縫處混凝土脫落及鋼筋暴露。發(fā)生病害的簡支鋼筋混凝土板梁橋，其鉸縫處混凝土被剪壞，并逐步松散、脫落，致使鉸縫中鋼筋暴露在自然環(huán)境中。鉸縫處因錯(cuò)臺形成“臺階”，當(dāng)重型車輛通過單板受力的梁板時(shí)，這里產(chǎn)生明顯彈性下?lián)?，使其與兩側(cè)的板上下錯(cuò)動(dòng)，形成臺階。待重車過后，這種錯(cuò)動(dòng)消除，又恢復(fù)原狀。

1.3.2 鉸縫病害因素。簡支空心板梁橋鉸縫破壞的影響因素很多，并且各個(gè)因素在鉸縫破壞程度上所起的作用各有不同。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，空心板橋鉸縫破壞主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、運(yùn)營條件等因素造成的。

1.3.2.1 設(shè)計(jì)因素。鉸縫設(shè)計(jì)本身可能存在不足，鉸縫設(shè)計(jì)理論不完善，難以真實(shí)反映梁板間的實(shí)際受力狀況，鉸縫的形式不夠合理。例如，鉸縫下緣最窄處寬度只有1cm，使得鉸縫在施工時(shí)振搗及澆筑質(zhì)量難以保障。

1.3.2.2 施工因素。施工時(shí)鉸縫側(cè)面沒有認(rèn)真鑿毛，沒有徹底清除由于鑿毛而產(chǎn)生的松動(dòng)混凝土塊，從而降低了新舊混凝土間的粘結(jié)和抗剪能力，在澆筑鉸縫時(shí)，結(jié)合面沒有提前灑水濕潤等。另外，現(xiàn)場施工人員沒有嚴(yán)格按照規(guī)范和施工工藝要求施工。

1.3.2.3 運(yùn)營管理因素。目前，高速公路上行駛的重載車輛較多，超載運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象較為嚴(yán)重，在超載車輛的長期重復(fù)作用下，橋梁鉸縫混凝土的破壞速度加快。

1.3.2.4 材料特性因素。原材料是決定混凝土構(gòu)件質(zhì)量的本質(zhì)因素，也是影響混凝土構(gòu)件質(zhì)量最為重要的因素，很多橋梁產(chǎn)生的病害都是由于原材料沒有達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，混凝土的收縮和徐變是其固有特點(diǎn)，也是重要影響因素。

2 新型裝配式空心板鉸縫

根據(jù)前文所述，鉸縫下緣最窄寬度只有1 cm，使得鉸接縫的澆筑質(zhì)量難以保證，這一部分只能填筑水泥砂漿，導(dǎo)致鉸縫抗裂能力減弱，進(jìn)而影響橋梁整體使用壽命?；诖?，本文設(shè)計(jì)一種新型鉸縫來改善這一狀況。

2.1 新型鉸縫的設(shè)計(jì)

本文所提出的新型鉸縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖中鉸縫下緣最窄處寬度b為10～20 cm，和以往的鉸縫相比，尺寸有所增加，方便鉸縫混凝土的澆筑和振搗，確保鉸縫混凝土施工質(zhì)量滿足要求。此外，鉸縫中設(shè)置橫向鋼筋，主要起到抗彎作用。預(yù)制空心板上設(shè)置橫向搭接鋼筋、箍筋，使得空心板與鉸縫整體性更強(qiáng)，增加其抗剪功能。有關(guān)研究表明，鉸縫破壞時(shí)裂縫最先沿著鉸縫與空心板的結(jié)合面向上發(fā)展，為了提高鉸縫與空心板的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)在新型鉸縫側(cè)面設(shè)置凹槽，凹槽的設(shè)置增加了新舊混凝土粘結(jié)性能，進(jìn)而提高鉸縫的開裂荷載及抗剪承載力。

2.2 新型鉸縫的增強(qiáng)加固技術(shù)

對于鉸縫的加固技術(shù)，大多研究主要集中于施加整體橫向預(yù)應(yīng)力、粘貼鋼板、傳統(tǒng)灌封及增加鋪裝層厚度等加固方法。而對于施加整體橫向預(yù)應(yīng)力的這一加固技術(shù)，在實(shí)際工程中，因橋面寬度較大，施工不易，預(yù)應(yīng)力損失較大，試驗(yàn)時(shí)不易操作。對于上述加固技術(shù)，工程實(shí)踐表明，鉸縫仍然存在耐用性欠佳的問題。為提高鉸縫開裂荷載、減緩裂縫發(fā)展及提高鉸縫承載力，結(jié)合本文所提的新型鉸縫形式，除采用以上加固方案外，另采用局部施加預(yù)應(yīng)力及鉸縫加銷接鋼筋[7]的加固方案，具體的加固方案如圖4所示。

3 結(jié)語

本文通過對傳統(tǒng)鉸縫的發(fā)展歷程、病害形式及影響因素的分析，提出一種新型鉸縫形式，新型鉸縫中配有橫向抗彎鋼筋、箍筋及抗拉鋼筋，可以提高鉸縫的抗彎性能和抗剪性能。新型鉸縫下緣最窄處相比傳統(tǒng)鉸縫大，更有利于混凝土的振搗，有效保證澆筑質(zhì)量，進(jìn)而提高鉸縫的整體受力性能。此外，鉸縫側(cè)面另設(shè)凹槽，使鉸縫與空心板的結(jié)合面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，提高了鉸縫的抗剪性能。因此，本文提出的新型鉸縫可運(yùn)用于工程實(shí)踐。

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