1 引言

中小跨徑簡支空心板梁的結(jié)構(gòu)較為簡單， 可以進(jìn)行預(yù)制裝配施工，在當(dāng)前的公路橋梁建設(shè)中應(yīng)用極為廣泛。 簡支空心板梁需要經(jīng)過合理設(shè)計，確保施工質(zhì)量，避免運(yùn)行過程中出現(xiàn)使橋梁結(jié)構(gòu)耐久性衰減的病害，如空心板裂縫、鉸縫、鋼筋銹蝕等。 空心板梁橋的結(jié)構(gòu)性病害對于橋梁安全性具有重要影響，如果不及時加以處理，會造成不可避免的安全事故，針對空心板梁的病害分析及加固研究是實現(xiàn)橋梁長期使用性能的重要基礎(chǔ)。

2 空心板典型病害

2.1 裂縫

空心板梁底裂縫是主要結(jié)構(gòu)性病害， 板底裂縫主要分為縱向裂縫和橫向裂縫，如圖1 所示。

圖1 空心板底裂縫病害

縱向裂縫的病害影響程度極為嚴(yán)重， 空心板底縱向裂縫需要及時進(jìn)行修復(fù)處理。 縱向裂縫主要由外部荷載作用所引起，現(xiàn)場需要依據(jù)裂縫分布及尺寸采取針對性措施進(jìn)行處理。裂縫寬度一般在0.1～0.3 mm， 縱向裂縫多分布在空心板底厚度較小區(qū)域及預(yù)應(yīng)力筋周圍， 裂縫附近多存在混凝土析白和滲水、鋼筋銹蝕等情況。

橫向裂縫則主要分布在空心板跨中截面處， 多由結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度缺陷造成。 當(dāng)橋梁面層鋪裝受力破壞時，造成空心板鉸縫失效，荷載橫向系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致單板承受荷載作用，繼而引發(fā)橫向裂縫[1]。

2.2 鉸縫

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁多為裝配式施工， 不同空心板塊之間橫向連接主要采取鉸縫，橫向連接不承擔(dān)彎矩，只承擔(dān)剪力作用。 鉸縫病害主要表現(xiàn)為以下幾種形式：鉸縫位置處混凝土松散脫落； 鉸縫上覆結(jié)構(gòu)破碎后造成滲水， 引發(fā)鉸縫處析白、漏水，如圖2 所示。 大中型車輛荷載作用下，鉸縫破壞則會造成單塊空心板受力，板塊撓度變形增大，形成錯臺[2]。

圖2 空心板鉸縫病害

2.3 橋面鋪裝病害

行車荷載作用下，輪壓直接作用于橋面鋪裝，橋面鋪裝主要表現(xiàn)為推移、擁包及車轍病害。 其中，推移則為瀝青面層滑移導(dǎo)致的鋪裝波浪狀起伏變化； 行車制動及啟動位置則會存在擁包和車轍病害。 橋面鋪裝病害會造成局部破損、坑槽及網(wǎng)狀裂縫等，在地表徑流作用下，空心板梁上部結(jié)構(gòu)的承載強(qiáng)度明顯喪失，引發(fā)行車安全風(fēng)險。

3 工程概況

長沙市某上跨公路處存在3×15 m 先張法預(yù)應(yīng)力裝配式簡支混凝土空心板梁，計算跨徑14.4 m，梁長14.96 m，橋下凈空高6 m，行車荷載設(shè)計等級為汽車超20 級。簡支空心板梁橫向單幅存在9 個空心板，橫斷面中板寬1.25 m，鉸縫寬1 cm。上部結(jié)構(gòu)采取HRB335、HPB235 鋼筋、C50 混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑15.2 mm，彈性模量1.9×105MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力σcon=1 305 MPa[3]。 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層為8 cm 瀝青混凝土（上面層）+8 cm 鋼筋混凝土（下面層）， 橋梁單幅寬度：0.5 m 防撞護(hù)欄+11 m 行車道+0.5 m防撞護(hù)欄；橋梁下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺。 該空心板梁經(jīng)多年運(yùn)行，上部結(jié)構(gòu)主梁左幅1～2 跨出現(xiàn)板底混凝土脫落及鋼筋銹蝕病害， 結(jié)構(gòu)破損面積為0.2 m×0.15 m，2～6 跨處鉸縫混凝土脫落；右幅1～3 跨處出現(xiàn)縱橫向裂縫病害，縱縫平均寬度2.5 mm，長度10 m，橫縫開裂寬度4.5 mm，長度8.5 m?，F(xiàn)場檢測該橋技術(shù)狀況評分60 分， 急需采取加固措施進(jìn)行病害處治，考慮到該橋梁的底板厚度較小，且主梁底部附近存在鋼絞線，為避免損傷到預(yù)應(yīng)力鋼絞線，項目部擬采取碳纖維布粘貼法進(jìn)行空心板維修處理[4]。

4 空心板碳纖維布粘貼加固分析

4.1 裂縫修補(bǔ)

依據(jù)該橋梁既有病害情況， 項目部對于裂縫寬度小于0.15 mm 處主要采取表面封閉處理， 大于0.15 mm 的裂縫則需要灌漿加固。

灌縫施工步驟如下：裂縫清潔、灌漿嘴埋設(shè)、封縫、漿液配制及灌漿、封口處理及檢查。 其中，裂縫首先需要采取角磨機(jī)、鋼絲刷等進(jìn)行浮渣、灰塵等清除，采取丙酮將裂縫兩側(cè)10 cm 區(qū)域進(jìn)行清洗；灌漿嘴埋設(shè)則需要沿裂縫40～50 cm 間隔布置，固定灌漿嘴位置后，采用5～10 mm 厚結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封；封縫時需要在裂縫上涂抹5 mm 厚、50 mm 寬的結(jié)構(gòu)膠， 避免出現(xiàn)氣泡和小孔，之后開展封縫的壓氣試漏檢測，確保其密閉性符合要求；灌漿則采取灌漿系統(tǒng)進(jìn)行，灌漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，吸漿率達(dá)到0.05 L/min 時停止灌漿；縫內(nèi)漿液凝結(jié)后，則可拆除相關(guān)設(shè)備，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠封牢及抹平[5]。

4.2 空心板粘貼碳纖維布

粘貼碳纖維布之前， 技術(shù)人員需要清潔混凝土空心板底的蜂窩、剝落、疏松，施加環(huán)氧砂漿整平空心板結(jié)構(gòu)面。 結(jié)構(gòu)表面需要保持潔凈及干燥，之后用底層膠滾刷結(jié)構(gòu)面，滾刷厚度控制在0.5 mm 以內(nèi)，且不存在氣泡、流淌現(xiàn)象。 碳纖維布粘貼結(jié)束后需要在加固材料表面涂刷防護(hù)材料， 避免外界環(huán)境導(dǎo)致碳纖維布老化[6]。

5 有限元分析

5.1 模型構(gòu)建

項目采取MIDAS FEA 軟件開展碳纖維布粘貼加固效果評價，項目組擬采取3 層碳纖維布粘貼空心板底進(jìn)行加固，主要對行車靜載作用下主梁控制截面加固前后的撓度、 應(yīng)變發(fā)展進(jìn)行對比，有限元模型如圖3 所示。 其中，有限元模型設(shè)計安全等級為I 級，構(gòu)件采用A 類預(yù)應(yīng)力混凝土，板單元采用實體單位；碳纖維布采用平面應(yīng)力單元，不存在抗壓抗彎，只表現(xiàn)為抗拉效果，碳纖維布、板單元之間采用共同節(jié)點，植入式預(yù)應(yīng)力鋼筋。

圖3 有限元模型示意圖

5.2 荷載施加

項目組依據(jù)橋梁布置特點、病害檢測及結(jié)構(gòu)形式，選取撓度、應(yīng)變行車靜載測試橋跨為單幅第1 跨，設(shè)定跨中截面為控制截面，跨中最大正彎矩截面偏載為荷載施加工況。 經(jīng)模型測試，空心板梁橋靜載施加采用3 梁三軸自卸式載重汽車（單車重500 kN），中軸設(shè)定在跨中位置。為進(jìn)行理論和實際的對比，現(xiàn)場需要布置檢測設(shè)備， 采用數(shù)顯百分表對控制截面的豎向位移進(jìn)行動態(tài)測定， 采用靜態(tài)應(yīng)變計對控制截面進(jìn)行應(yīng)變采集，實際結(jié)構(gòu)測點布置如圖4 所示[7]。

圖4 變形測點布置示意圖

5.3 加固效果分析

3 層碳纖維布粘貼后梁體豎向變形測試對比如表1、 表2所示。 結(jié)果表明，梁體最大撓度變形產(chǎn)生在靜載作用下無加固控制截面處，為-3.6 mm；粘貼3 層碳纖維布之后的最大撓度則僅為-1.8 mm，減小幅度達(dá)到了1.8 mm。 空心板梁底最大應(yīng)變則減小幅度達(dá)到了35 με。行車靜載作用下的空心板梁碳纖維布加固效果較為顯著。

表1 行車靜載作用下控制截面空心板梁撓度、應(yīng)變變化

6 結(jié)語