桥梁单板受力病害分析及处理策略

戴桂华

(湖南省张花高速公路建设开发有限公司,湖南张家界 427000)

随着我国交通基础设施的快速发展,公路交通运输量大幅度增长。行车密度及车辆载重越来越大,而桥梁单板受力病害的产生,使得相当一部分现有桥梁已不能满足使用上的要求。湖南省运营的多条高速公路普遍存在着单板受力病害。所谓桥梁单板受力病害,顾名思义,即装配式板梁桥横向连接破坏,横向分布失效,造成由车轮直接作用的单个板梁独自承受行车荷载。该病害破坏桥梁功能的整体性,引起荷载横向分布不利变化和桥面板的内力集中。如何避免该病害的发生及有效处理现有病害显得尤为重要。

1 单板受力病害特点

根据作者多年的现场调查发现,桥梁单板受力病害的主要特点如下:

1)行车道部分的开裂频率远大于超车道部分,这主要是因为超载车一般只在行车道行驶。

2)单板受力病害一般发生在各种不同跨径的钢筋混凝土板梁桥上,而其他型式的桥梁,如箱型梁桥、T型梁桥则很少发生或不发生。

3)重型车辆通过单板受力梁板时,产生明显的弹性下挠,与相邻梁板产生上下错位,形成台阶,重车通过后,这种错位自动消失并回复原状。

4)发生病害的梁板,铰缝处混凝土发生剪切破坏。首先,板底勾缝脱落,铰缝混凝土逐步松散而脱落。目前常用的企口式混凝土铰缝形式有圆形、菱形和漏斗形等3种,见图1。

图1 各种铰缝形式

5)实心板比空心板更容易出现单板受力。因为实心板的梁高通常比空心板小,铰缝受剪面积也小,在轮载相同的情况下,剪切作用更为明显。

6)发生病害的梁板,由于荷载的反复作用,桥面铺装混凝土面层普遍存在车辙、网裂(一般位于跨中部位)或纵向裂缝(一般从跨中向两端延伸,最终贯通)。其病害分布在梁板铰缝上方,严重时形成一条破碎带。

7)桥面铺装产生裂缝,降水沿裂缝下渗,在板底和墩台帽上留下明显的渗水痕迹,并发生明显的碱集料反应而产生碱蚀破坏。

8)桥面铺装层较厚者单板受力较少,它得益于轮载传力面积的扩散效果。

9)在桥面厚度相同的情况下,水泥混凝土铺装比沥青混凝土要好些。因为水泥混凝土的抗剪能力远大于沥青混凝土,而且对应力的扩散作用也较大。

10)支座顶为湿接头的比预制梁板直接压设在橡胶支座上的好一些。因为每块预制板通常都设4个支座,施工中很难保证4个支座受力完全一致。另外,橡胶支座都有一个较大的接触面,施工时即使是同一个支座,也难以保证接触面全面与梁板底面紧密接触,造成受力不匀,给梁端受剪留下隐患。

11)病害一般发生在高速公路运营3～4 a后,而且病害有逐年递增的趋势。

2 单板受力病害原因的分析

从目前情况来看,湖南、湖北和广西等省份的桥梁病害特征及交通状况类似,通过对湖南省单板受力状况及加固方法的调查和对周边省份的调查,经过分析研究,作者认为单板受力病害主要是由于梁板间铰缝受荷载剪切作用所致。其成因可以从设计、施工和使用3个方面来分析。

2.1 设计方面

尽管车辆超载是产生单板受力的主要原因所在,但从设计角度来看,为什么在已出现单板受力的桥梁中,预制空心板顶板被压碎的情况却极少发生?这至少可以说明铰缝部位在设计方面的安全储备远低于顶板的设计。目前通常的预制板设计,一般都存在以下一些缺憾。

1)铰缝的形式不够合理。铰缝的断面形式多为V字型企口缝,下口缝宽约为1 cm左右,如果再加上梁板预制和安装就位时的误差,会造成铰缝的浇筑质量难以保障。对于跨径较大的桥梁,梁板两端一定范围的铰缝为平企口缝,宽度较窄,很难浇筑或无法浇筑。

2)铰缝设计理论不够完善,难以真实体现板间的实际受力状况。预制拼装的铰接板梁桥,荷载横向分布计算采用的是横向铰接板(梁)法。此种方法的基本假定是相邻板(梁)之间视为铰接,只传递剪力,而实际情况下,铰缝不但传递剪力,同时也承受横向弯矩作用。由于铰缝本身的横向连接比较薄弱,那么横向弯矩主要由铰缝顶面的混凝土铺装层来承担。但是,混凝土铺装层设计厚度又偏薄,致使铰缝承担更大的横向弯矩。

3)铰缝钢筋布置太少,顶板连接钢板抗力不足。

4)设计时没有考虑铰缝混凝土自身的收缩作用,没有足够重视新旧混凝土间粘结力的弱化作用。

2.2 施工方面

由于铰缝混凝土体积小,在实际施工中一直没有得到足够的重视,而铰缝混凝土的施工质量又是产生单板受力的关键因素,因此铰缝施工要引起施工单位及监理的高度重视,除严格按设计文件及相关施工规范进行施工外,施工时应注意以下几个方面。

1)梁板吊装时,要密切注意梁板与橡胶支座是否紧密接触,使支座均匀受力,切忌支座脱空。

2)最好使用防收缩或膨胀水泥浇筑铰缝混凝土。

3)铰缝混凝土务必饱满密实,并进行必要的养护。铰缝混凝土未达到设计强度前,严禁重型车辆在桥上行驶,以免造成铰缝产生内伤。

4)确保铰缝处预留足够的钢筋。

5)预制板侧面要进行凿毛处理,并清除松动混凝土块,浇筑铰缝混凝土前,应对预制板侧面进行洒水湿润,以增强新旧混凝土间的黏结力和抗剪能力。

2.3 使用方面

1)目前高速公路上行使的重载车辆较多,超载运输的现象比较严重,桥梁在超载车辆的长期重复作用下,加速了铰缝混凝土的破坏速度,应该说,超载现象是形成桥梁单板受力的主要原因。

2)运营过程中,应注意桥面排水。大部分铰缝混凝土总是先有渗水,然后出现脱落。桥面防水性能不好,雨雪等渗入铰缝混凝土,通过雨雪的反复冻融作用,铰缝混凝土逐渐碎裂而渐渐脱落。

3 预防单板受力的措施

单板受力问题严重影响桥梁的正常使用和行车安全,解决问题的宗旨应在于防患于未然,因此应从设计方面人手,采取必要的预防措施。本文作者认为,除了规范运输以外,从以下三方面考虑,便可基本消除单板受力的弊端。

1)对于小跨径桥梁,尽量设计成整体现浇结构。

2)采用深铰缝。

3)在预制板的跨中和两端设计横隔暗梁,以加强相邻梁体间的联结作用,当然铰缝相应部位的钢筋也须予以加强。

4)对预制板设横向预应力筋。因为预制板(多数为空心板)的跨径一般都在20m以下,所以横向预应力筋的设置一般只在跨中和两端共设三道即可。其中两端的横向预应力筋,除了加强铰缝的抗剪能力外,尚有克服支座不均匀变形方面的作用。

众所周知,铰缝的抗剪强度除了混凝土质量以外,在很大程度上取决于新旧混凝土间的粘结力和摩阻力,其中摩阻力=垂直力×摩阻系数,由此可见,设置横向预应力可以大大增强铰缝的抗剪强度。另外,横向预应力的作用还有助于提高铰缝混凝土本身的抗剪能力,对铰缝混凝土本身的收缩也极为有利。因此,设置横向预应力可以说是抓住了问题的关键,对于铰缝的施工也可不必苛求。

4 设置横向预应力筋注意事项

本文以预制空心板为例,简要说明设置横向预应力时应注意的事项。

1)在预应力位置,空心板的内腔必须设置横隔板,用于承受预应力,并向相邻板块传递预应力,防止侧板在锚头处被压破。

2)空心板的侧面在铰缝处不必进行特殊设计,也没有必要设置孔道连接件。施工中有多种解决途径。

3)预应力的预留孔道应适当放大,以便施工操作。

4)管道定位必须准确,以防穿束困难。

5)浇筑铰缝混凝土前,应有能够在铰缝处形成孔道的可靠措施。

6)由于横向预应力为后张法而锚头外露,故应采取严密措施保证封锚混凝土的外观质量。

7)预应力张拉采用单端张拉。由于预应力筋较短,故务必保证张拉质量,防止出现假锚现象。

5 结语

单板受力病害的发生给桥梁使用甚至公路运营和交通安全带来了诸多隐患,同时病害的发生势必需要养护资金的投入,且其社会影响和经济损失不容忽视。因此正确分析单板受力病害产生的原因,并预防该类病害的发生具有实际意义。

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