典型病害空心板梁使用狀態評定及加固方案分析

林源鋒，張 勇

(1.廣東省高速公路有限公司 廣清分公司，廣東 清遠 511542;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概述

某高速公路橋梁跨徑組合為28×16 m，與線路中心線的斜交角為20°。上部結構采用預應力先張法寬幅空心板，板寬155 cm，梁高80 cm，空心板梁截面尺寸沿跨徑方向一致，梁端未設置封端混凝土，梁體之間設置2 cm淺鉸縫。橋面鋪裝采用厚10 cm C40防水混凝土，半幅橋寬1 200 cm，橋面凈寬1 100 cm。橋梁設計荷載采用汽車—超20級，驗算荷載為掛車—120級。橋梁橫斷面一般構造如圖1所示，空心板梁一般構造如圖2所示。

從該橋歷年的檢查情況來看，空心板梁存在較為嚴重的結構性病害，有些病害已經危及結構安全和正常運營。由于存在病害的空心板梁數量較多，病害梁體使用狀態的評定及維修加固方案的制訂成為擺在管養單位面前的急需解決的難題。本文結合該橋開展的荷載試驗工作，對病害空心板梁的使用狀態進行了評定，在此基礎上提出了相應的加固措施，為類似病害結構的維修養護提供有益借鑒。

2 空心板梁病害

根據檢測單位的調查結果，目前該橋空心板梁存在以下五類較為嚴重的病害:

1)梁端腹板斜向裂縫。多數橋跨空心板梁端腹板存在斜向開裂，裂縫與水平線成約45°夾角，最大裂縫寬度為3 mm，少部分裂縫與底板斜向裂縫或橫向裂縫連通。此類裂縫產生與超重車輛的作用、梁體腹板偏薄且抗剪鋼筋較弱、梁端底板開裂后腹板受力更為不利等因素有關。

2)支座附近板底斜向裂縫。支座附近板底存在板角斜向開裂，部分梁體端部底板裂縫已延伸至梁體腹板，呈U形發展性狀，部分裂縫伴有滲水結晶現象。此類裂縫產生與超重車輛的作用、梁端未進行封端引起底板局部受力過大等因素有關。

圖1 橋梁橫斷面一般構造(單位:cm)

3)梁端底板橫向開裂。裂縫主要出現在空心板梁端部3 m范圍內，大部分與腹板裂縫連成U形或L形裂縫。此類裂縫產生與超重車輛的作用、梁端未進行封端引起底板局部受力過大等因素有關，應是梁端底板斜向裂縫發展而衍生出來的病害。

圖2 空心板梁一般構造(單位:cm)

4)跨中腹板豎向裂縫及底板橫向裂縫。部分空心板梁跨中附近腹板存在豎向裂縫，并與底板橫向裂縫連成U形或L形裂縫。此類裂縫應是典型的受彎裂縫，產生原因與超重車輛的作用、梁體縱向預應力可能存在不足等有關。

5)底板縱向裂縫。部分空心板板底出現縱向裂縫，部分裂縫貫通整個梁底長度方向，個別裂縫伴有滲水結晶現象。

3 梁體使用狀態評定

梁體使用狀態通過荷載試驗進行評定，根據該橋空心板梁的病害情況，試驗選取了病害較為嚴重的橋跨布置測點，對空心板梁的承載能力及梁端斜裂縫進行測試，綜合應變和撓度測試分析梁體使用狀態。

3.1 承載能力測試

3.1.1 橫向分布系數

橫向分布系數采用一輛加載車進行測試，試驗時通過實測各片空心板梁的位移推算實際的橫向分布影響線，并與按鉸接板法計算的橫向分布影響線理論值進行了對比。對比結果表明，梁體橫向分布影響線對稱性較好;實測影響線數值與理論值存在一定的差異，實測影響線峰值均大幅超過了理論計算值，與理論值相比各梁實測橫向分布影響線變化相對較快，說明各梁間聯系相對理論計算值偏弱。梁體橫向聯系較弱可能與梁體鉸縫質量不良、各梁間傳遞力的能力偏弱及梁體出現縱向開裂后梁體抗扭剛度下降等因素有關。

3.1.2 跨中截面應力

跨中截面應力測試選取邊梁、次邊梁及靠近次邊梁的空心板(共計3片空心板)沿橋縱向及截面高度方向布置應變測點，分析試驗荷載作用下跨中截面的應力分布情況。測試結果表明，最大級試驗荷載作用下，底板未出現橫向裂縫的空心板梁應力校驗系數為0.727，滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(報批稿)中預應力混凝土橋應變(應力)校驗系數在0.50～0.90之間的要求;底板出現橫向裂縫的空心板梁預應力度不滿足使用要求，裂縫附近鋼筋活載應力達到了137.2 MPa(荷載效率 0.674)，根據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002)和《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)，鋼筋疲勞應力幅值在80 MPa以內時鋼筋一般不會出現疲勞斷裂，據此推算該橋空心板梁在設計荷載作用下截面下緣鋼筋應力超限較為嚴重，跨中截面縱向鋼筋及預應力鋼束存在疲勞斷裂的可能。

3.1.3 跨中截面撓度

跨中截面撓度測試選取邊梁、次邊梁及靠近次邊梁的空心板(共計三片空心板)布置應變測點，分析試驗荷載作用下跨中截面的變形情況。測試結果表明，最大級試驗荷載作用下梁體撓度校驗系數滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(報批稿)中預應力混凝土橋撓度校驗系數在0.6～1.0之間的要求。推算荷載效率達到1.0時，測試梁體跨中撓度均小于規范限值L/600的要求(L為橋跨長度)，結構剛度滿足設計規范要求。

3.2 梁端斜裂縫測試

梁端斜裂縫測試選取部分典型斜裂縫布置應變測點，分別采用重約150 kN，200 kN，250 kN的雙軸車單獨進行加載，測試斜截面處箍筋應力分布情況。測試結果表明，病害最為嚴重的梁體在單輛150 kN車作用下，最大應變為464×10－6，豎向測點應變換算的箍筋應力60 MPa;在單輛200 kN車作用下，最大應變為616×10－6，豎向測點應變換算的箍筋應力80.8 MPa;在單輛250 kN車作用下，最大應變為814×10－6，豎向測點應變換算的箍筋應力101.8 MPa。根據計算結果，單輛250 kN車作用時，相對掛車—120級荷載其荷載效率僅為0.231，推算在設計荷載下的鋼筋應力幅值嚴重超限。此外，從運營情況來看，該橋長期運行大量超重、超載車輛，這是該橋空心板梁端產生大量斜裂縫、部分梁體梁端箍筋斷裂的主要原因。

3.3 使用狀態評定結論

空心板梁承載能力及梁端斜裂縫測試分析結果表明，試驗跨空心板梁跨中預應力不足，梁體正截面抗彎受力不能滿足設計荷載的正常使用要求，梁端斜裂縫的產生與梁端未設封端、未加大截面引起的梁端抗剪不足及超重車輛作用有關，梁端產生斜裂縫后，箍筋應力幅值較大，箍筋存在疲勞斷裂的隱患。

4 加固方案分析

1)根據荷載試驗結果，跨中截面底板有橫向開裂的空心板梁承載能力不足，為了保證結構和正常運營安全，在梁體粘貼兩塊寬40 cm，厚1 cm鋼板，鋼板與梁體通過灌注鋼板膠以及設置錨栓連接，以提高空心板梁的承載能力，抑制底板橫向裂縫的擴展。

2)根據檢測的統計結果，板底支座附近裂縫大多集中在梁端1 m范圍內，因此在梁端1 m范圍內灌注C40混凝土進行封端，提高截面的抗剪強度，同時一并解決支座附近底板斜向開裂的問題。施工時在原腹板和底板植入短鋼筋并進行充分鑿毛，使得新澆筑封端混凝土與原結構較好連接，協同受力。

3)梁端1～4 m范圍腹板斜裂縫分別采用下面兩種方案進行加固:

方案一:腹板粘貼鋼板加固，在離梁端約2.5 m位置處，開一個直徑60 cm的圓孔，采用灌注法粘貼寬20 cm、厚8 mm鋼板，鋼板在頂板、底板梗腋以及部分頂板位置一次性彎折成型，鋼板在工廠首先進行鍍鋅防腐處理。

方案二:腹板增大截面加固，在離梁端約2.5 m位置處，開一個直徑60 cm的圓孔，采用在腔內腹板植入6 cm的φ12 mm鋼筋與板梁連接，并布置鋼筋網片，支立模板，澆筑C40混凝土，對腹板加厚12 cm。腹板加厚完成后，需要對橋面圓孔進行恢復。

4)底板縱向裂縫根據裂縫寬度大小進行封閉或灌注處理，提高結構的耐久性。

管養單位選取了部分橋跨采取上述四種措施進行了試驗性加固，根據試驗跨加固完后的荷載試驗測試結果，試驗橋跨承載能力及正常使用均能滿足設計要求，取得了較好的加固效果，為大面積開展加固施工工作提供了有力的技術支撐。

5 結論

綜上所述，空心板梁端附近截面未加強、支點處未設封端、橋面橫向聯系偏弱以及超重、超載車輛的長期運營是空心板梁出現上述結構性病害的主要原因。本文通過荷載試驗的方法對出現病害的空心板梁進行了承載能力測試和斜裂縫受力測試，提出了明確的加固方案。加固試驗跨的荷載試驗結果表明，本文提出的加固措施可有效解決該橋空心板梁的結構病害，為存在類似病害的空心板梁維修加固提供經驗借鑒。

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