周廣利，趙寧，渠廣鎮(zhèn)，2

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東　濟(jì)南　250031；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西　西安　710054）

基于靜載試驗(yàn)的中鉸縫空心板梁橋底板破損原因分析及處治?

周廣利1，趙寧1，渠廣鎮(zhèn)1，2

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250031；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710054）

針對(duì)某中鉸縫空心板梁橋，在病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鉸縫破損和橫向連接狀況進(jìn)行評(píng)定，分析了部分空心板底砼破損的原因。結(jié)果表明，對(duì)于中鉸縫裝配式空心板梁橋，空心板間橫向連接的弱化或單板受力的出現(xiàn)，導(dǎo)致鉸縫下方的砂漿脫落并擠壓底板鉸縫兩側(cè)的砼，從而導(dǎo)致空心板底板砼的破損。

橋梁；空心板梁橋；鉸縫；靜載試驗(yàn)；加固處治

裝配式空心板梁橋是中國(guó)中小跨徑橋梁采用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，一般由預(yù)制砼空心板梁、現(xiàn)澆鉸縫、6～10 cm砼現(xiàn)澆調(diào)平層和厚度4～10 cm瀝青鋪裝層組成，其鉸縫按尺寸可分為淺鉸縫、中鉸縫和深鉸縫3種主要形式。從高速公路和國(guó)省干線公路橋梁定期檢查結(jié)果來(lái)看，裝配式空心板梁橋是出現(xiàn)問(wèn)題最多的橋型。最為突出的問(wèn)題是空心板的單板受力問(wèn)題，若單板受力問(wèn)題得不到及時(shí)維修，加之超重車輛的作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起空心板斷裂。

空心板梁橋受力狀態(tài)較清晰，薄弱環(huán)節(jié)在于空心板本身的承載能力和鉸縫處橫向連接作用。對(duì)于鉸縫病害的成因、修復(fù)、預(yù)防措施和維修方法，大量學(xué)者進(jìn)行了研究，取得了很多實(shí)用性成果。如冷艷秋、張勁泉等分析了鉸縫開(kāi)裂對(duì)橫向分布的影響，通過(guò)回歸分析得到了跨中截面橫向分布系數(shù)隨鉸縫開(kāi)裂長(zhǎng)度變化的規(guī)律，得到了出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象的鉸縫開(kāi)裂臨界長(zhǎng)度值；錢寅泉、周正茂等針對(duì)裝配式空心板梁橋鉸縫的破損評(píng)價(jià)，提出了相對(duì)位移法，通過(guò)測(cè)量在正常通行荷載作用下一段時(shí)間內(nèi)鉸縫的最大相對(duì)位移值判斷鉸縫的破損程度；項(xiàng)貽強(qiáng)等利用實(shí)體單元對(duì)結(jié)構(gòu)建立空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明上部鉸縫底緣橫向拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)產(chǎn)生單板受力現(xiàn)象是鉸縫處產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因。該文以某中鉸縫空心板梁橋?yàn)楸尘?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和靜載試驗(yàn)，實(shí)測(cè)鉸縫兩側(cè)空心板底的撓度差，結(jié)合參考文獻(xiàn)提供的方法對(duì)該橋的單板受力問(wèn)題進(jìn)行量化分析，并分析空心板底鉸縫兩側(cè)砼破損的原因，為該類型橋梁的病害分析和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供參考。

1　工程背景

某橋梁上部結(jié)構(gòu)為3～20 m裝配式預(yù)應(yīng)力砼空心板，橫向共布置12片空心板，預(yù)制中板寬1.24 m，預(yù)制邊板寬1.745 m，梁高0.9 m，橋面鋪裝采用10 cm厚砼+5 cm厚瀝青砼，橋面布置為0.5 m護(hù)欄+15 m機(jī)動(dòng)車道+0.5 m護(hù)欄，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺(tái)，灌注樁基礎(chǔ)。該橋采用中鉸縫，距離空心板頂43 cm范圍內(nèi)采用40號(hào)砼填筑，其余部分采用40號(hào)水泥砂漿填筑。鉸縫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1　空心板鉸縫構(gòu)造（單位：mm）

該橋車流量大，且通行重車較多，部分超載車輛達(dá)110 t，在運(yùn)營(yíng)期間部分預(yù)應(yīng)力空心板底鉸縫兩側(cè)砼出現(xiàn)破損或剝落，鉸縫內(nèi)砂漿填料脫落，墩頂上方橋面鋪裝層橫向開(kāi)裂，橋面鋪裝沿鉸縫處出現(xiàn)明顯縱向開(kāi)裂。典型病害見(jiàn)圖2。

圖2　典型病害

2　有限元模型

采用ANSYS梁?jiǎn)卧⒃摌蛴邢拊Ｐ汀?duì)于裝配式空心板梁橋，空心板之間主要依靠鉸縫進(jìn)行荷載的有效傳遞，根據(jù)鉸接板法的基本假設(shè)，鉸縫只傳遞剪力而不傳遞彎矩，在進(jìn)行鉸縫模擬時(shí)，通過(guò)設(shè)置Beam44單元的Keypot值的屬性設(shè)置來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)放松，同時(shí)設(shè)置鉸縫單元的剛度巨大，從而有效解決鉸縫的模擬問(wèn)題。理論橫向分布系數(shù)根據(jù)空心板跨中變形和同一時(shí)刻全橋跨中變形之和的比值確定。該橋有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3　空心板梁橋的有限元模型

3　靜載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)內(nèi)容和方法

根據(jù)空心板梁橋的受力特點(diǎn)，同時(shí)考慮該橋空心板底砼破損區(qū)域主要集中在跨中斷面附近，靜載試驗(yàn)重點(diǎn)考察空心板間的橫向聯(lián)系，故選擇跨中斷面為控制斷面。由于第1跨橋面縱向裂縫數(shù)量較多，裂縫長(zhǎng)度相對(duì)較大，鉸縫滲水問(wèn)題最為嚴(yán)重且板底砼破損或剝落面積最大，初步判定第1跨的橫向聯(lián)系作用最差，因而選取該跨作為試驗(yàn)跨。按照設(shè)計(jì)的最不利組合進(jìn)行布載，測(cè)試在試驗(yàn)荷載作用下跨中控制斷面的撓度值，并與理論計(jì)算值比較，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系作用和整體工作性能。

試驗(yàn)工況：工況Ⅰ為跨中斷面最大正彎矩控制對(duì)稱加載，4輛車，分4級(jí)加載；工況Ⅱ?yàn)榭缰袛嗝娴恼龔澗乜刂破募虞d，4輛車，分2級(jí)加載。

測(cè)點(diǎn)布置：在跨中斷面每片空心板底中線處布置位移計(jì)。由于試驗(yàn)跨橋面中心線處縱向開(kāi)裂較嚴(yán)重，該位置對(duì)應(yīng)6#、7#空心板之前的鉸縫，為考察荷載作用下鉸縫兩側(cè)的撓度變化規(guī)律，在6#、7#空心板板底邊緣各增設(shè)1個(gè)位移計(jì)（見(jiàn)圖4）。

圖4　6#、7#板底的位移測(cè)點(diǎn)布置

表1　試驗(yàn)荷載作用下試驗(yàn)跨各片空心板的撓度和校驗(yàn)系數(shù)

3.2撓度測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)跨各片空心板在工況Ⅰ和工況Ⅱ滿載作用下，實(shí)測(cè)撓度、理論撓度和校驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)測(cè)撓度和理論撓度的對(duì)比見(jiàn)圖5和圖6。

從表1、圖5和圖6可以看出：1）對(duì)稱和偏載兩種工況下，滿載時(shí)，實(shí)測(cè)值和理論值有較大偏離，且撓度數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)。工況Ⅰ對(duì)稱加載時(shí)，由于加載車輛位于4#～9#空心板的上方，4#～9#空心板的校驗(yàn)系數(shù)明顯高于其他空心板，其中最中間的6#、7#空心板的撓度校驗(yàn)系數(shù)達(dá)到1.08，而遠(yuǎn)離加載車輛的最小值僅為0.28。工況Ⅱ偏心加載時(shí)，加載車輛位于8#～12#空心板的上方，導(dǎo)致8#～12#空心板的校驗(yàn)系數(shù)明顯大于其他空心板，距離加載車輛最遠(yuǎn)的1#空心板的校驗(yàn)系數(shù)僅為0.05，表明加載車輛荷載效應(yīng)基本上未對(duì)遠(yuǎn)端的邊板產(chǎn)生作用。2）6#、7#空心板處撓度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有明顯突變，表明6#、7#空心板之間鉸縫橫向聯(lián)系已十分薄弱。

續(xù)表1

圖5　工況Ⅰ實(shí)測(cè)撓度和理論撓度對(duì)比

圖6　工況Ⅱ?qū)崪y(cè)撓度和理論撓度對(duì)比

3.3橫向分布系數(shù)

實(shí)測(cè)試驗(yàn)荷載橫向分布系數(shù)是評(píng)定全橋橫向剛度的重要指標(biāo)，板的荷載橫向分布系數(shù)越接近，各片板受到的內(nèi)力越均勻，橫向剛度越大，橋梁整體受力性能越好。該橋試驗(yàn)跨的理論和實(shí)測(cè)橫向分布系數(shù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出：不管是工況Ⅰ還是工況Ⅱ，靠近加載車輛的空心板的橫向分布系數(shù)均明顯大于理論計(jì)算值，表明空心板的橫向連接作用較薄弱。在車輛荷載作用下，作用力不能通過(guò)有效的橫向連接較為均勻地分布于各片空心板，而是相對(duì)集中地作用于荷載作用點(diǎn)附近的空心板上。

表2　理論和實(shí)測(cè)橫向分布系數(shù)對(duì)比

3.4鉸縫撓度差

該橋通車后，部分空心板在鉸縫位置砼剝落，伴隨鉸縫砼（或砂漿）脫落，初步分析認(rèn)為板底砼剝落是由于鉸縫砼或砂漿與空心板的相互擠壓和錯(cuò)動(dòng)引起的。在6#和7#空心板跨中底板各分別布置3個(gè)位移傳感器，考察在靜載試驗(yàn)過(guò)程中6#、7#空心板的變形和板間鉸縫的撓度差。實(shí)測(cè)位移值見(jiàn)表3，對(duì)應(yīng)撓度變化見(jiàn)圖7。

從表3和圖7可看出：在荷載作用下，6#、7#空心板之間的鉸縫有明顯的撓度差。工況Ⅱ下滿載時(shí)，由于車輛荷載不對(duì)稱，鉸縫兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)撓度差達(dá)到最大值1.99 mm，表明6#和7#空心板在試驗(yàn)荷載作用下，鉸縫兩側(cè)相鄰板變形不協(xié)調(diào)，同時(shí)從6#、7#板底實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，空心板在下?lián)系耐瑫r(shí)有輕微扭轉(zhuǎn)，使鉸縫砼（或砂漿）與兩側(cè)的空心板產(chǎn)生豎向和水平方向相對(duì)位移，從而在鉸縫位置產(chǎn)生剪力、扭矩和水平拉（壓）力。車輛通行時(shí)，鉸縫受到反復(fù)擠壓和錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致空心板底部砼破損。由于該橋通行有重達(dá)百噸的超載車輛，加之動(dòng)荷載的沖擊作用，破壞作用更加明顯。

表3　6#和7#空心板的位移實(shí)測(cè)值

圖7　6#、7#空心板底實(shí)測(cè)撓度值

4　鉸縫連接作用評(píng)定和板底破損原因分析

在鉸縫破損程度檢測(cè)和單板受力評(píng)定方面，目前各種規(guī)范中沒(méi)有具體的量化指標(biāo)。文獻(xiàn)［1]中提出了判定單板受力的鉸縫開(kāi)裂臨界長(zhǎng)度，對(duì)于單側(cè)鉸縫開(kāi)裂情況，臨界鉸縫開(kāi)裂長(zhǎng)度定為1.0L。該橋橋面中心線處已出現(xiàn)通長(zhǎng)的縱向網(wǎng)裂，對(duì)應(yīng)6#、7#空心板之間的鉸縫，已滿足文獻(xiàn)［1]中給定的單板受力條件。根據(jù)文獻(xiàn)［2]提出的鉸縫破損程度檢測(cè)相對(duì)位移法，a=Δ/L×10 000（a為無(wú)量綱的參數(shù)，Δ為實(shí)測(cè)相對(duì)位移，L為跨徑，10 000為系數(shù)）。文獻(xiàn)［2]通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，給出了鉸縫不同狀態(tài)之間無(wú)量綱參數(shù)a的界限值：當(dāng)a<0.14時(shí)，鉸縫屬于完好狀態(tài)；0.140.57時(shí)，鉸縫發(fā)生破壞，鉸縫橫向傳遞剪力的能力大為削弱，空心板將出現(xiàn)單板受力或單板受力趨勢(shì)。對(duì)于該橋，若空心板相對(duì)位移大于1.14 mm，則判定鉸縫出現(xiàn)了破壞。在靜載試驗(yàn)中，6#、7#空心板之間的最大撓度差達(dá)到1.99 mm，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中若近百噸重車通行，其相對(duì)位移將遠(yuǎn)大于1.99 mm，故判定該橋空心板已出現(xiàn)明顯的單板受力。

鑒于部分空心板板底鉸縫兩側(cè)砼破損，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，若存在滲水或橋面存在縱向裂縫的鉸縫，對(duì)應(yīng)鉸縫下方空心板破損問(wèn)題相對(duì)較多。該橋鉸縫下方的矩形區(qū)域在施工中用砂漿進(jìn)行了封閉，但該區(qū)域砂漿與空心板之間未產(chǎn)生有效的橫向連接，當(dāng)鉸縫發(fā)生輕微破損，鉸縫兩側(cè)空心板存在撓度差時(shí)，砂漿在有效鉸縫的下部斷裂破損并向下脫落，在車輛荷載反復(fù)作用下，脫落的砂漿與空心板的砼發(fā)生擠壓，造成空心板底鉸縫兩側(cè)部分砼發(fā)生剝落和破損。

5　加固處治措施

（1）橋面鋪裝層和鉸縫處理。鑿除原有橋面鋪裝層，清理鉸接縫，清理干凈后用微膨脹砼重新澆筑鉸接縫。橋面鋪裝改為水泥砼結(jié)構(gòu)，布置?12雙層鋼筋網(wǎng)，并在鉸縫處增設(shè)橫向鋼筋傳力桿。

（2）墩頂橋面連續(xù)構(gòu)造加強(qiáng)。20 m空心板板端有較大的水平位移和轉(zhuǎn)角，墩頂橋面連續(xù)構(gòu)造適度加強(qiáng)，將墩頂連續(xù)段鋼筋由?8改為?12，水平間距由20 cm調(diào)整為10 cm。

（3）原鉸縫下部的砂漿由于擠壓作用不宜鑿除，且鑿除過(guò)程中容易導(dǎo)致鉸縫兩側(cè)板底砼產(chǎn)生破損。將板底破損部位清理干凈后，涂刷界面劑，輕微的砼脫落用環(huán)氧砂漿抹平，嚴(yán)重的掛網(wǎng)后用小石子砼處理。

（4）加強(qiáng)對(duì)橋梁的養(yǎng)護(hù)管理，采取措施控制超重車輛通行。

［1］冷艷秋，張勁泉，程壽山，等.裝配式混凝土空心板梁橋單板受力問(wèn)題的數(shù)值解析［J].公路交通科技，2013，30 （5）.

［2］錢寅泉，周正茂，葛瑋明，等.基于相對(duì)位移法的鉸縫破損程度檢測(cè)［J].公路交通科技，2012，29（7）.

［3］項(xiàng)貽強(qiáng)，邢騁，邵林海，等.鉸接預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋的空間受力行為及加固分析［J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，42（4）.

［4］張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實(shí)例［M].北京：人民交通出版社，2003.

U445.7

A

1671-2668（2016）01-0205-04

2015-07-20

山東省交通科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009Y20）