基于靜載試驗的中鉸縫空心板梁橋底板破損原因分析及處治?

周廣利，趙寧，渠廣鎮(zhèn)，2

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東　濟南　250031；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西　西安　710054）

基于靜載試驗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，山東濟南250031；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710054）

針對某中鉸縫空心板梁橋，在病害調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)靜載試驗結(jié)果對鉸縫破損和橫向連接狀況進(jìn)行評定，分析了部分空心板底砼破損的原因。結(jié)果表明，對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；加固處治

裝配式空心板梁橋是中國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。從高速公路和國省干線公路橋梁定期檢查結(jié)果來看，裝配式空心板梁橋是出現(xiàn)問題最多的橋型。最為突出的問題是空心板的單板受力問題，若單板受力問題得不到及時維修，加之超重車輛的作用，嚴(yán)重時會引起空心板斷裂。

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，取得了很多實用性成果。如冷艷秋、張勁泉等分析了鉸縫開裂對橫向分布的影響，通過回歸分析得到了跨中截面橫向分布系數(shù)隨鉸縫開裂長度變化的規(guī)律，得到了出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象的鉸縫開裂臨界長度值；錢寅泉、周正茂等針對裝配式空心板梁橋鉸縫的破損評價，提出了相對位移法，通過測量在正常通行荷載作用下一段時間內(nèi)鉸縫的最大相對位移值判斷鉸縫的破損程度；項貽強等利用實體單元對結(jié)構(gòu)建立空間有限元模型進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明上部鉸縫底緣橫向拉應(yīng)力過大時產(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為背景，通過現(xiàn)場調(diào)查和靜載試驗，實測鉸縫兩側(cè)空心板底的撓度差，結(jié)合參考文獻(xiàn)提供的方法對該橋的單板受力問題進(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營養(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機動車道+0.5 m護(hù)欄，設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺，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號砼填筑，其余部分采用40號水泥砂漿填筑。鉸縫結(jié)構(gòu)見圖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，在運營期間部分預(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裂，橋面鋪裝沿鉸縫處出現(xiàn)明顯縱向開裂。典型病害見圖2。

圖2　典型病害

2　有限元模型

采用ANSYS梁單元建立該橋有限元模型。對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，通過設(shè)置Beam44單元的Keypot值的屬性設(shè)置來進(jìn)行節(jié)點放松，同時設(shè)置鉸縫單元的剛度巨大，從而有效解決鉸縫的模擬問題。理論橫向分布系數(shù)根據(jù)空心板跨中變形和同一時刻全橋跨中變形之和的比值確定。該橋有限元模型見圖3。

圖3　空心板梁橋的有限元模型

3　靜載試驗

3.1試驗內(nèi)容和方法

根據(jù)空心板梁橋的受力特點，同時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，靜載試驗重點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，裂縫長度相對較大，鉸縫滲水問題最為嚴(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跨。按照設(shè)計的最不利組合進(jìn)行布載，測試在試驗荷載作用下跨中控制斷面的撓度值，并與理論計算值比較，評價結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系作用和整體工作性能。

試驗工況：工況Ⅰ為跨中斷面最大正彎矩控制對稱加載，4輛車，分4級加載；工況Ⅱ為跨中斷面的正彎矩控制偏心加載，4輛車，分2級加載。

測點布置：在跨中斷面每片空心板底中線處布置位移計。由于試驗跨橋面中心線處縱向開裂較嚴(yán)重，該位置對應(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個位移計（見圖4）。

圖4　6#、7#板底的位移測點布置

表1　試驗荷載作用下試驗跨各片空心板的撓度和校驗系數(shù)

3.2撓度測試結(jié)果

試驗跨各片空心板在工況Ⅰ和工況Ⅱ滿載作用下，實測撓度、理論撓度和校驗系數(shù)見表1，實測撓度和理論撓度的對比見圖5和圖6。

從表1、圖5和圖6可以看出：1）對稱和偏載兩種工況下，滿載時，實測值和理論值有較大偏離，且撓度數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動。工況Ⅰ對稱加載時，由于加載車輛位于4#～9#空心板的上方，4#～9#空心板的校驗系數(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，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#空心板的校驗系數(shù)僅為0.05，表明加載車輛荷載效應(yīng)基本上未對遠(yuǎn)端的邊板產(chǎn)生作用。2）6#、7#空心板處撓度實測數(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實測撓度和理論撓度對比

圖6　工況Ⅱ?qū)崪y撓度和理論撓度對比

3.3橫向分布系數(shù)

實測試驗荷載橫向分布系數(shù)是評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。該橋試驗跨的理論和實測橫向分布系數(shù)見表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，作用力不能通過有效的橫向連接較為均勻地分布于各片空心板，而是相對集中地作用于荷載作用點附近的空心板上。

表2　理論和實測橫向分布系數(shù)對比

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動引起的。在6#和7#空心板跨中底板各分別布置3個位移傳感器，考察在靜載試驗過程中6#、7#空心板的變形和板間鉸縫的撓度差。實測位移值見表3，對應(yīng)撓度變化見圖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，由于車輛荷載不對稱，鉸縫兩側(cè)的測點實測撓度差達(dá)到最大值1.99 mm，表明6#和7#空心板在試驗荷載作用下，鉸縫兩側(cè)相鄰板變形不協(xié)調(diào)，同時從6#、7#板底實測數(shù)據(jù)來看，空心板在下?lián)系耐瑫r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，鉸縫受到反復(fù)擠壓和錯動，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#空心板的位移實測值

圖7　6#、7#空心板底實測撓度值

4　鉸縫連接作用評定和板底破損原因分析

在鉸縫破損程度檢測和單板受力評定方面，目前各種規(guī)范中沒有具體的量化指標(biāo)。文獻(xiàn)［1]中提出了判定單板受力的鉸縫開裂臨界長度，對于單側(cè)鉸縫開裂情況，臨界鉸縫開裂長度定為1.0L。該橋橋面中心線處已出現(xiàn)通長的縱向網(wǎng)裂，對應(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相對位移法，a=Δ/L×10 000（a為無量綱的參數(shù)，Δ為實測相對位移，L為跨徑，10 000為系數(shù)）。文獻(xiàn)［2]通過數(shù)理統(tǒng)計，給出了鉸縫不同狀態(tài)之間無量綱參數(shù)a的界限值：當(dāng)a<0.14時，鉸縫屬于完好狀態(tài)；0.140.57時，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。對于該橋，若空心板相對位移大于1.14 mm，則判定鉸縫出現(xiàn)了破壞。在靜載試驗中，6#、7#空心板之間的最大撓度差達(dá)到1.99 mm，在運營過程中若近百噸重車通行，其相對位移將遠(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，對應(yīng)鉸縫下方空心板破損問題相對較多。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，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。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，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）加強對橋梁的養(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.基于相對位移法的鉸縫破損程度檢測［J].公路交通科技，2012，29（7）.

［3］項貽強，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：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

山東省交通科技計劃項目（2009Y20）