橋梁單板受力病害分析及處理策略

戴桂華

(湖南省張花高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南張家界 427000)

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展,公路交通運(yùn)輸量大幅度增長。行車密度及車輛載重越來越大,而橋梁單板受力病害的產(chǎn)生,使得相當(dāng)一部分現(xiàn)有橋梁已不能滿足使用上的要求。湖南省運(yùn)營的多條高速公路普遍存在著單板受力病害。所謂橋梁單板受力病害,顧名思義,即裝配式板梁橋橫向連接破壞,橫向分布失效,造成由車輪直接作用的單個(gè)板梁獨(dú)自承受行車荷載。該病害破壞橋梁功能的整體性,引起荷載橫向分布不利變化和橋面板的內(nèi)力集中。如何避免該病害的發(fā)生及有效處理現(xiàn)有病害顯得尤為重要。

1 單板受力病害特點(diǎn)

根據(jù)作者多年的現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),橋梁單板受力病害的主要特點(diǎn)如下:

1)行車道部分的開裂頻率遠(yuǎn)大于超車道部分,這主要是因?yàn)槌d車一般只在行車道行駛。

2)單板受力病害一般發(fā)生在各種不同跨徑的鋼筋混凝土板梁橋上,而其他型式的橋梁,如箱型梁橋、T型梁橋則很少發(fā)生或不發(fā)生。

3)重型車輛通過單板受力梁板時(shí),產(chǎn)生明顯的彈性下?lián)?與相鄰梁板產(chǎn)生上下錯(cuò)位,形成臺(tái)階,重車通過后,這種錯(cuò)位自動(dòng)消失并回復(fù)原狀。

4)發(fā)生病害的梁板,鉸縫處混凝土發(fā)生剪切破壞。首先,板底勾縫脫落,鉸縫混凝土逐步松散而脫落。目前常用的企口式混凝土鉸縫形式有圓形、菱形和漏斗形等3種,見圖1。

圖1 各種鉸縫形式

5)實(shí)心板比空心板更容易出現(xiàn)單板受力。因?yàn)閷?shí)心板的梁高通常比空心板小,鉸縫受剪面積也小,在輪載相同的情況下,剪切作用更為明顯。

6)發(fā)生病害的梁板,由于荷載的反復(fù)作用,橋面鋪裝混凝土面層普遍存在車轍、網(wǎng)裂(一般位于跨中部位)或縱向裂縫(一般從跨中向兩端延伸,最終貫通)。其病害分布在梁板鉸縫上方,嚴(yán)重時(shí)形成一條破碎帶。

7)橋面鋪裝產(chǎn)生裂縫,降水沿裂縫下滲,在板底和墩臺(tái)帽上留下明顯的滲水痕跡,并發(fā)生明顯的堿集料反應(yīng)而產(chǎn)生堿蝕破壞。

8)橋面鋪裝層較厚者單板受力較少,它得益于輪載傳力面積的擴(kuò)散效果。

9)在橋面厚度相同的情況下,水泥混凝土鋪裝比瀝青混凝土要好些。因?yàn)樗嗷炷恋目辜裟芰h(yuǎn)大于瀝青混凝土,而且對(duì)應(yīng)力的擴(kuò)散作用也較大。

10)支座頂為濕接頭的比預(yù)制梁板直接壓設(shè)在橡膠支座上的好一些。因?yàn)槊繅K預(yù)制板通常都設(shè)4個(gè)支座,施工中很難保證4個(gè)支座受力完全一致。另外,橡膠支座都有一個(gè)較大的接觸面,施工時(shí)即使是同一個(gè)支座,也難以保證接觸面全面與梁板底面緊密接觸,造成受力不勻,給梁端受剪留下隱患。

11)病害一般發(fā)生在高速公路運(yùn)營3～4 a后,而且病害有逐年遞增的趨勢。

2 單板受力病害原因的分析

從目前情況來看,湖南、湖北和廣西等省份的橋梁病害特征及交通狀況類似,通過對(duì)湖南省單板受力狀況及加固方法的調(diào)查和對(duì)周邊省份的調(diào)查,經(jīng)過分析研究,作者認(rèn)為單板受力病害主要是由于梁板間鉸縫受荷載剪切作用所致。其成因可以從設(shè)計(jì)、施工和使用3個(gè)方面來分析。

2.1 設(shè)計(jì)方面

盡管車輛超載是產(chǎn)生單板受力的主要原因所在,但從設(shè)計(jì)角度來看,為什么在已出現(xiàn)單板受力的橋梁中,預(yù)制空心板頂板被壓碎的情況卻極少發(fā)生?這至少可以說明鉸縫部位在設(shè)計(jì)方面的安全儲(chǔ)備遠(yuǎn)低于頂板的設(shè)計(jì)。目前通常的預(yù)制板設(shè)計(jì),一般都存在以下一些缺憾。

1)鉸縫的形式不夠合理。鉸縫的斷面形式多為V字型企口縫,下口縫寬約為1 cm左右,如果再加上梁板預(yù)制和安裝就位時(shí)的誤差,會(huì)造成鉸縫的澆筑質(zhì)量難以保障。對(duì)于跨徑較大的橋梁,梁板兩端一定范圍的鉸縫為平企口縫,寬度較窄,很難澆筑或無法澆筑。

2)鉸縫設(shè)計(jì)理論不夠完善,難以真實(shí)體現(xiàn)板間的實(shí)際受力狀況。預(yù)制拼裝的鉸接板梁橋,荷載橫向分布計(jì)算采用的是橫向鉸接板(梁)法。此種方法的基本假定是相鄰板(梁)之間視為鉸接,只傳遞剪力,而實(shí)際情況下,鉸縫不但傳遞剪力,同時(shí)也承受橫向彎矩作用。由于鉸縫本身的橫向連接比較薄弱,那么橫向彎矩主要由鉸縫頂面的混凝土鋪裝層來承擔(dān)。但是,混凝土鋪裝層設(shè)計(jì)厚度又偏薄,致使鉸縫承擔(dān)更大的橫向彎矩。

3)鉸縫鋼筋布置太少,頂板連接鋼板抗力不足。

4)設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮鉸縫混凝土自身的收縮作用,沒有足夠重視新舊混凝土間粘結(jié)力的弱化作用。

2.2 施工方面

由于鉸縫混凝土體積小,在實(shí)際施工中一直沒有得到足夠的重視,而鉸縫混凝土的施工質(zhì)量又是產(chǎn)生單板受力的關(guān)鍵因素,因此鉸縫施工要引起施工單位及監(jiān)理的高度重視,除嚴(yán)格按設(shè)計(jì)文件及相關(guān)施工規(guī)范進(jìn)行施工外,施工時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1)梁板吊裝時(shí),要密切注意梁板與橡膠支座是否緊密接觸,使支座均勻受力,切忌支座脫空。

2)最好使用防收縮或膨脹水泥澆筑鉸縫混凝土。

3)鉸縫混凝土務(wù)必飽滿密實(shí),并進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)。鉸縫混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前,嚴(yán)禁重型車輛在橋上行駛,以免造成鉸縫產(chǎn)生內(nèi)傷。

4)確保鉸縫處預(yù)留足夠的鋼筋。

5)預(yù)制板側(cè)面要進(jìn)行鑿毛處理,并清除松動(dòng)混凝土塊,澆筑鉸縫混凝土前,應(yīng)對(duì)預(yù)制板側(cè)面進(jìn)行灑水濕潤,以增強(qiáng)新舊混凝土間的黏結(jié)力和抗剪能力。

2.3 使用方面

1)目前高速公路上行使的重載車輛較多,超載運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象比較嚴(yán)重,橋梁在超載車輛的長期重復(fù)作用下,加速了鉸縫混凝土的破壞速度,應(yīng)該說,超載現(xiàn)象是形成橋梁單板受力的主要原因。

2)運(yùn)營過程中,應(yīng)注意橋面排水。大部分鉸縫混凝土總是先有滲水,然后出現(xiàn)脫落。橋面防水性能不好,雨雪等滲入鉸縫混凝土,通過雨雪的反復(fù)凍融作用,鉸縫混凝土逐漸碎裂而漸漸脫落。

3 預(yù)防單板受力的措施

單板受力問題嚴(yán)重影響橋梁的正常使用和行車安全,解決問題的宗旨應(yīng)在于防患于未然,因此應(yīng)從設(shè)計(jì)方面人手,采取必要的預(yù)防措施。本文作者認(rèn)為,除了規(guī)范運(yùn)輸以外,從以下三方面考慮,便可基本消除單板受力的弊端。

1)對(duì)于小跨徑橋梁,盡量設(shè)計(jì)成整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

2)采用深鉸縫。

3)在預(yù)制板的跨中和兩端設(shè)計(jì)橫隔暗梁,以加強(qiáng)相鄰梁體間的聯(lián)結(jié)作用,當(dāng)然鉸縫相應(yīng)部位的鋼筋也須予以加強(qiáng)。

4)對(duì)預(yù)制板設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋。因?yàn)轭A(yù)制板(多數(shù)為空心板)的跨徑一般都在20m以下,所以橫向預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置一般只在跨中和兩端共設(shè)三道即可。其中兩端的橫向預(yù)應(yīng)力筋,除了加強(qiáng)鉸縫的抗剪能力外,尚有克服支座不均勻變形方面的作用。

眾所周知,鉸縫的抗剪強(qiáng)度除了混凝土質(zhì)量以外,在很大程度上取決于新舊混凝土間的粘結(jié)力和摩阻力,其中摩阻力=垂直力×摩阻系數(shù),由此可見,設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力可以大大增強(qiáng)鉸縫的抗剪強(qiáng)度。另外,橫向預(yù)應(yīng)力的作用還有助于提高鉸縫混凝土本身的抗剪能力,對(duì)鉸縫混凝土本身的收縮也極為有利。因此,設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力可以說是抓住了問題的關(guān)鍵,對(duì)于鉸縫的施工也可不必苛求。

4 設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力筋注意事項(xiàng)

本文以預(yù)制空心板為例,簡要說明設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1)在預(yù)應(yīng)力位置,空心板的內(nèi)腔必須設(shè)置橫隔板,用于承受預(yù)應(yīng)力,并向相鄰板塊傳遞預(yù)應(yīng)力,防止側(cè)板在錨頭處被壓破。

2)空心板的側(cè)面在鉸縫處不必進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),也沒有必要設(shè)置孔道連接件。施工中有多種解決途徑。

3)預(yù)應(yīng)力的預(yù)留孔道應(yīng)適當(dāng)放大,以便施工操作。

4)管道定位必須準(zhǔn)確,以防穿束困難。

5)澆筑鉸縫混凝土前,應(yīng)有能夠在鉸縫處形成孔道的可靠措施。

6)由于橫向預(yù)應(yīng)力為后張法而錨頭外露,故應(yīng)采取嚴(yán)密措施保證封錨混凝土的外觀質(zhì)量。

7)預(yù)應(yīng)力張拉采用單端張拉。由于預(yù)應(yīng)力筋較短,故務(wù)必保證張拉質(zhì)量,防止出現(xiàn)假錨現(xiàn)象。

5 結(jié)語

單板受力病害的發(fā)生給橋梁使用甚至公路運(yùn)營和交通安全帶來了諸多隱患,同時(shí)病害的發(fā)生勢必需要養(yǎng)護(hù)資金的投入,且其社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失不容忽視。因此正確分析單板受力病害產(chǎn)生的原因,并預(yù)防該類病害的發(fā)生具有實(shí)際意義。

[1]姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,1985.

[2]王硯桐.高等級(jí)公路中"單板受力"現(xiàn)象及原因分析[J].公路交通技術(shù),2004(4):29-32.

[3]楊修志.鋼筋混凝土空心板梁受力不均勻現(xiàn)象與防治[J].公路交通技術(shù),2006(5):102-103.

[4]秦祿生.重載條件下小跨徑簡支板橋的橫向鉸接能力分析[J].公路,2007(10):14-16.