裝配式板橋鉸縫病害及對策分析

張 琳

（濟南市第二公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟南 271100）

引言

裝配式梁橋采用預制梁板進行拼裝，施工方便、快捷，是我國廣泛采用的橋梁結構形式之一。預制板板間鉸縫和板上鋪裝層作為裝配式梁橋的橫向連接結構，將單塊預制板連接成整體結構，并傳遞車輛荷載至下部結構。在復雜荷載作用下，鉸縫容易發(fā)生病害，影響橋梁整體安全，是裝配式板橋的薄弱環(huán)節(jié)之一。

1 鉸縫病害

鉸縫是裝配式梁板間橫向連接縫的后澆混凝土，該混凝土面與橋梁預制面板側面結合，鉸接板病害往往發(fā)生在這里。當該處混凝土損壞到一定程度時，將出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象，在鋪裝層會發(fā)生反射裂縫，造成路面破壞。鉸縫病害有一定的特征規(guī)律可循，找到規(guī)律便可逆向采取解決對策。

1.1 總體特征

鉸縫與空心板的結合面是橋梁受力的薄弱環(huán)節(jié)，病害的總體特征是鉸縫及鋪裝層混凝土由完好狀態(tài)逐漸發(fā)展為在結合面處脫離，混凝土開裂、破碎、脫落、滲水，內部鋼筋出現(xiàn)銹蝕或斷裂，荷載傳遞能力由完全傳遞荷載-傳遞部分荷載-失去荷載傳遞能力的步驟發(fā)展。鉸縫處荷載復雜，當鉸縫破壞仍能傳遞部分荷載時，荷載傳遞路徑需要進一步研究[1]。

1.2 發(fā)展特點

當荷載超過鉸縫混凝土抗拉強度時，將會出現(xiàn)裂縫，裂縫由鉸縫開始向鋪裝層發(fā)展，當發(fā)生通透開裂時，會出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象。水平方向上，由跨中局部開裂向全長貫通開裂發(fā)展，直至整跨預制板失去橫向連接能力。初期裂縫寬度較小，又由于積水、灰塵等外界環(huán)境的影響，一般不能直接發(fā)現(xiàn)裂縫的存在，但此時混凝土損傷后仍有荷載傳遞能力。隨著病害繼續(xù)發(fā)展，裂縫開始向外圍區(qū)域拓展，橋面出現(xiàn)反射病害，初始病害處裂縫寬度加大，相應地鉸縫承擔荷載能力大大被削弱，直至失去荷載傳遞能力，成為“單板受力”。

1.3 病害表現(xiàn)

鉸縫開裂后橋梁整體承載力和剛度受到削弱，病害發(fā)展各個時期具有不同的表現(xiàn)。初期鉸縫裂縫細微不明顯，肉眼難以觀察到反射裂縫，當鋪裝層防水效果較差時，橋面積水會從裂縫處滲漏，滲漏量較小。鉸縫損壞加大，直至完全失去荷載傳遞能力時，可逐漸發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝層裂縫、破碎甚至出現(xiàn)破碎帶，鉸縫滲水量增多，預制板地面有析白，鋼筋混凝土保護層脫落、鋼筋銹蝕、斷裂，預制板底面出現(xiàn)橫向裂縫等病害現(xiàn)象，見圖1、圖2。

圖1 鉸縫析白

圖2 橋面破碎

1.4 病害多發(fā)范圍

病害多發(fā)生在重載車行車道范圍內。重車行車慢或者超載，相鄰梁板錯臺明顯，通過單板受力板時呈彈性下?lián)蟍2]，重載車車輪作用在鉸縫上，混凝土被逐步剪切破壞或與在結合面處于橋梁板脫開，造成橋梁整體剛度下降。病害超過一定限度后，單板受力發(fā)生塑性變形。情況嚴重時，在重車行車道會形成一條破碎帶甚至梁板斷裂。

2 病害產生原因

鉸縫病害的發(fā)生是多方面因素造成的，既有設計上的不足，也有施工上的欠缺，還有外界環(huán)境的作用，是多種因素共同作用的結果。

2.1 外界環(huán)境

（1）公路行車超載現(xiàn)象嚴重，是造成橋梁病害迅速發(fā)生的重要原因之一。我國重型車輛被要求固定在某一車道行車，該車道承受超過設計標準荷載的概率增加，加速了鉸縫結構的破壞。（2）外界侵蝕作用加速鉸縫破壞。冬季融雪鹽中的氯離子、橋下流水、橋面滲水等共同作用，侵蝕鉸縫混凝土和鋼筋，造成鋼筋銹蝕、混凝土脫離，承擔荷載作用減弱。

2.2 施工質量欠缺

（1）鉸縫、鋪裝層施工不到位。鉸縫及鋪裝層混凝土用料和強度不符合設計要求，鋪裝層厚度不達標，鉸縫澆筑漏漿，混凝土振搗不密實，結合面鑿毛不符合規(guī)范要求等問題，使得鉸縫混凝土的黏結力、強度、剛度與設計不符，不能承擔傳遞復雜荷載的作用。忽視鉸縫細節(jié)質量檢查和缺陷修復，如鉸縫未勾縫等，使得橋梁帶病進入運營階段。（2）施工誤差大，橋面板受力不均勻。支座安裝時高程誤差大，導致鋪裝層頂面平整度差，荷載作用時出現(xiàn)蹺蹺板現(xiàn)象。裝配式板在預制過程中由于張拉預應力等原因造成反拱值大小不一，影響后期鋪裝層厚度[2]等。

2.3 設計問題

（1）鉸接板橋結構橫向分配設計理論不完善。按彈性分布計算荷載的橫向分布系數(shù)，鉸縫無力承擔[3]。梁橋受到剪切、彎拉、扭曲、拉壓等復雜荷載作用，實際情況與計算理論相差較大，杠桿原理法、鉸接板法、偏心壓力法等方法對橋梁介于鉸接和剛接的受力狀態(tài)描述存在誤差[2]。（2）部分橋梁采用小鉸縫結構設計，受剪截面過小，整體剛度小，抗剪能力和橫向連接能力較差。鉸縫受到板高限制，鋼筋布置不合理，抗拉能力不足，易導致橫向拉裂。鋪裝層厚度過薄，混凝土強度偏低，降低鋪裝層抵抗荷載和滲水侵蝕的能力[2]。小截面導致鉸縫混凝土與預制板的結合面黏結力差，無法承擔過多的剪力。

2.4 養(yǎng)護不及時

多數(shù)橋梁在建成后一段時間處于養(yǎng)護真空狀態(tài)，輕視由于沉降、變形、水流侵蝕等原因造成的表面病害，不及時維修加固。隨著橋梁帶病服役時間延長，病害深入鋪裝層及鉸縫。在橋梁運營使用階段，對橋面排水系統(tǒng)檢查維修不重視，對路面坑槽、裂縫久拖不治，鋪裝層和鉸縫混凝土經過荷載反復作用和凍融收縮，病害逐漸擴大。

3 對策分析

對裝配式橋鉸縫病害要標本兼治，從前期橋梁設計時就要考慮降低病害的設計方法，進行設計優(yōu)化，施工中加強工藝、工法質量，運營階段提高巡查監(jiān)測頻率，及時養(yǎng)護維修。

3.1 優(yōu)化設計

（1）在鉸接板受力理論研究上進行突破，彌補荷載橫向分布計算的不足。可以采用有限元法模擬鉸接板實際受力情況，對裝配式橋梁結構進行受力計算，分析鉸接板及鉸縫應力、應變、位移變形情況，并做出設計優(yōu)化，減小采用鉸接板法、杠桿原理法等理論方法計算造成的誤差。（2）增加鋪裝層混凝土強度、厚度。因橋面設計有橫坡，橋面不同部位的鋪裝層厚度不同、交通量不同、車輛載重不同，造成不同路段不同鉸接板受力不均勻。加大鋪裝層厚度，適當提高配筋率，提高橋梁整體剛度，減小單板受力，改善荷載傳遞路徑。（3）加大鉸縫截面尺寸[2]。能夠增大鉸縫與預制板側面的結合面面積，增加黏結力，而且能夠在有限的空間內布置更多錨固鋼筋，方便混凝土施工振搗、鋼筋焊接綁扎，提高鉸縫受荷能力。（4）創(chuàng)新設計。從病害特征反映出來的規(guī)律著手，發(fā)散思維，尋找科學的解決辦法。國內學者針對鉸縫病害，提出了新的鉸接板設計，如取消鉸縫[4]，取消錨固鋼筋設置抗拉銷栓[2]，見圖3，增加鉸縫截面尺寸見圖4，采用剪力鍵替代鉸縫等。通過創(chuàng)新優(yōu)化設計，減小或緩沖鉸縫破壞對橋梁的整體影響。

圖3 國內學者鉸縫銷栓設計

圖4 增加鉸縫截面尺寸設計

3.2 施工方面

（1）提高鉸縫施工質量，提高鉸縫混凝土鋪裝層混凝土連接處施工質量。例如，結合面鑿毛、清潔、濕潤，做好鉸縫空隙密封、防漏漿措施，混凝土澆筑、振搗嚴格操作程序，鉸縫混凝土與鋪裝層混凝土同時澆筑，安裝設計和規(guī)范要求檢測混凝土、鋼筋質量等。（2）提高橋梁結構整體質量。例如，嚴格按照設計尺寸預制梁板，確保墊塊、支座高程準確，降低預制梁板吊裝尺寸誤差，防止出現(xiàn)單板脫空現(xiàn)象等。

3.3 養(yǎng)護改造

加強日常養(yǎng)護，及時發(fā)現(xiàn)病害并采取措施可以有效遏制病害發(fā)展，針對不同的病害發(fā)展程度采用不同的對策。

3.3.1 重視養(yǎng)護檢查

重視橋梁日常養(yǎng)護檢查，提高檢查及維修質量。日常養(yǎng)護中對裝配式板橋增加檢測的頻次，通過科學的方法確定鉸縫損害程度[5]，以及提高維修材料性能，比如加入鋼筋阻銹劑等。對小于限制規(guī)定表面裂縫采用環(huán)氧樹脂等封閉處理，對大于規(guī)定的深層裂縫可以采用壓力灌漿進行處理，灌漿液有水泥漿、環(huán)氧樹脂等，并加強觀察裂縫發(fā)展情況。

3.3.2 體外預應力加固

當鉸縫破壞失效，出現(xiàn)析白、滲水等現(xiàn)象，不能承擔剪力時，可以采用剛接板法、體外預應力加固等措施進行加固。鋼板加固采用粘結或錨固方式固定鋼板，短期內效果顯著，長期荷載作用下鋼板會變形、錯動、脫落。體外預應力加固通過施加預應力改變橋梁原有受力體系，施工難度較大。對寬度和高度不同的鉸縫病害進行維修時，通常清縫后用環(huán)氧砂漿等填充，適當增加破碎帶鋼筋數(shù)量。

3.3.3 提高橋梁整體剛度

舊橋維修時，將原橋混凝土鋪裝層加厚形成整體化補強層，提高混凝土強度等級等措施，改善受力橫向分配均勻性，增強橋整體剛度，該措施設計簡單，施工方便、快捷，對原橋面造成損害小，造價低，技術經濟性好[6]。

3.3.4 提高精細化施工質量

無論是日常養(yǎng)護還是維修加固，都需要提高施工作業(yè)人員精細化水平，在材料攪拌、坑槽清洗、結合面鑿毛、預應力控制等各小環(huán)節(jié)上做到精準到位，避免因小細節(jié)質量不當引起整個養(yǎng)護改造維修質量下降。

4 結語

裝配式板橋因設計簡單、施工方便等優(yōu)點在我國廣泛地使用，特別是在低等級公路和農村公路應用量大，但是與高等級公路相比，這些橋梁也是設計、施工、養(yǎng)護的薄弱環(huán)節(jié)，橋梁鉸縫病害普遍。正確對待鉸接板病害，加強設計優(yōu)化創(chuàng)新，提升設計理論水平，施工嚴控質量，善于根據(jù)鉸縫病害特征分析橋梁健康狀況，及時采取維修加固措施，不斷提高應對裝配式板橋病害的能力。