装配式空心板梁铰缝空间受力行为及加固方案研究

赵雯鑫

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200000）

1 引言

现役装配式空心板梁基于传统铰接板理论多采用企口铰缝来确保板梁间横向荷载传递的有效性及整体结构的横向刚度[1]，然而，由于过去设计理念的不足和日益显著的超载现象，部分空心板梁出现铰缝混凝土脱落、相邻板梁错台等病害，严重时致使横向连接失效而出现“单板受力”病害[2～6]。“单板受力”状态使得横向荷载分配不合理，削弱了桥梁结构的整体承载能力，极易诱发行车安全隐患，因而针对“单板受力”病害及时采取合理有效的加固措施显得尤为重要。

本文以某在役6m装配式钢筋混凝土空心板梁为研究背景，通过建立空间精细化数值模型，对其铰缝特征区域力学行为开展分析，以期获得企口铰缝开裂机理，并提出针对“单板受力”典型病害的横向加固措施方案。

2 装配式空心板铰缝处空间受力行为分析

2.1 工程概况及数值模型的建立

某高速公路6m简支空心板桥面铺装厚度为10mm，外观检测时发现桥面铺装存在通长纵向裂缝，梁底铰缝存在渗水结晶、填料脱落现象，个别相邻板梁间存在2～4mm挠度差，属于典型的“单板受力”状态。

以该简支板梁为研究对象建立相应空间数值模型，考虑到研究对象为铰缝的受力状态，因而在保证计算精度的基础上简化性地选取2片边梁和1片中梁，同时依据桥梁跨径及最不利原则，采用等效后的后轴轮重来模拟车辆荷载作用在简支空心板梁跨中铰缝处[7，8]。采用Solid65单元模拟空心板及铰缝混凝土，单元网格尺寸为0.1m，梁端约束为简支约束，数值模型如图1所示。

图1 数值模型

2.2 铰缝空间受力行为分析

图2 、图3分别给出了空心板梁底板的应力云图和铰缝底缘的应力分布，结合2图可知，车辆荷载作用下铰缝处横向拉应力值远大于剪应力，说明铰缝开裂的主要原因并非剪应力占主导地位，而是横向拉应力提前达到混凝土抗拉强度导致。观察图2发现，横向拉应力沿铰缝方向呈非对称分布，表明各板梁间车辆荷载横向传递性能较差，空心板梁整体横向刚度较弱。

图2 空心板梁底应力分布云图（单位：MPa）

图3 铰缝底缘横向应力及剪应力沿纵向分布图

2.3 单板受力病害机理分析

“单板受力”病害主要表观特征为桥面铺装沿铰缝位置纵向开裂且相互平行，通常裂缝长度较大，相邻空心板梁存在上下错动的运动趋势。前文铰缝空间受力分析表明，空心板梁单板受力病害与空心板梁横桥向连接构造密切相关，由于传统铰缝尺寸较小，且没有其他抗拉、抗剪的连接构造，如钢筋搭接等，使得横桥向抗拉、抗剪能力较弱，在重车荷载作用或车辆荷载反复冲击作用下，铰缝混凝土横向拉应力超过允许值而发生开裂。

空心板梁出现单板受力病害后，由于内力不能进行有效的横向分配，单片板梁承受内力将显著增加。在承载能力不变的情况下，内力的增加将导致承载能力相对下降退化甚至承载能力不足，在外部环境的耦合作用下而引起其他结构性病害。此外，超载是目前国内公路运输比较普遍的现象。超载车辆通过时将导致横向分配剪力呈比例增加，一旦超过了抗剪承载能力则直接导致剪切破坏，且损伤无法恢复。在车辆荷载反复作用下将导致病害不断恶化。

3 单板受力加固方案

3.1 加固设计思路

结合上述提出的铰缝空间受力行为及病害机理分析，加固设计以提高空心板梁横向分配刚度为主要目的，采取合理补强措施抵抗铰缝混凝土横向拉应力，同时兼顾桥梁耐久性、路面防水性能。

3.2 加固设计

针对“单板受力”病害，提出采用“粘贴钢板、对拉锚固、综合诊治”的方案提高横向联系刚度，主要维修改造内容包括：桥面改造、粘钢并设对拉螺杆、梁缝内灌浆等。横断面加固改造示意图见图4。

图4 横断面加固改造示意图

3.2.1 桥面改造

首先，凿除既有混凝土桥面铺装层，改用配以桥面植筋的钢纤维混凝土与SMA-16，以此来提高桥面铺装的强度及密实度。钢纤维混凝土与原空心板间喷洒界面剂和刚性防水层。SMA与钢纤维混凝土顶面间喷洒防水黏结层。绞缝内后浇混凝土应清除彻底，并用高压空气吹掉表面浮灰。桥面抗剪钢筋植入深度为6cm，桥面钢筋网与植入钢筋应绑扎或点焊连接，以保证形成整体，同时确保架设钢筋网和浇筑混凝土的时间间隔尽可能小，要注意防水，雨天用不透水的塑料布覆盖。

3.2.2 粘贴钢板并对拉螺杆锚固

为了加强横向联系，在CF50钢纤维混凝土垫层施工前在空心板上下缘分别粘贴厚6mm宽15cm的钢板，上下钢板需一一对应，并通过铰缝及粱缝设置直径16mm的对拉钢螺杆将上下对应的钢板对拉锚固。其中，跨中4m范围内每隔30cm粘贴一副钢板，其他区域每隔60cm粘贴一副。

“粘贴钢板、对拉锚固”可以显著加强板梁间的横向联系，横向钢板起到“横梁”作用，保证各板梁之间协同工作。对拉螺杆既可增加钢板与混凝土面的贴合效果，又可确保上下钢板变形的协同一致性，且后期可适时调整底部螺栓来改变预紧力大小，从而确保桥梁工作性能的持续稳定。

需要注意的是，在对锚固钢板覆盖范围、植入螺杆孔位、对拉螺杆孔位进行放样后，必须根据构件表面的新旧程度、坚实程度、干湿程度对混凝土黏结面及钢板贴合面进行认真处理，这是最关键的工序。

3.2.3 梁缝灌浆

清空原有梁缝内的杂物和松散混凝土，采用压力灌注水泥基等强度高、黏结性能优越的灌浆料进行重新密实填充，保证铰缝为相邻板梁提供可靠横向连接，进而达到提高空心板梁横向分配刚度的目的。

4 加固效果分析

针对加固后的桥梁进行荷载试验验证其加固效果。全桥控制截面主要分布在跨中截面，分中载和偏载2种荷载工况进行加载试验，并针对各板梁实测数据与理论分析数据进行比对。

结果表明：（1）各工况下所测控制截面位移较理论值偏小；（2）偏载工况下，铰缝特征区应力较大，但结构变形残余量较小，表明结构处于弹性工作状态；（3）实测一阶频率高于理论计算值，加固后实桥结构的整体刚度显著提升。

5 结语

1）荷载作用下铰缝开裂主要是由铰缝底缘混凝土横向拉应力过大导致，进而引发桥面纵向裂缝。

2）提出的“粘贴钢板、对拉锚固、综合诊治”设计思路有效改善了“单板受力”现象，增加了装配式空心板梁整体横向刚度，加固后桥梁整体承载力显著提升，有效抑制了纵向裂缝的进一步扩展加剧，加固效果良好。

3）本文提出的加固方案为类似桥梁结构的病害诊治补强提供了新思路。