在役PC寬幅空心板破壞性試驗(yàn)研究及豎向預(yù)應(yīng)力抗剪加固技術(shù)探討

鄭世虎 周洋 葉飛

摘要：20世紀(jì)九十年代中期，PC變截面寬幅空心板以其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能在我國(guó)公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，并在浙江各市縣迅速普及。然而隨著橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移，PC寬幅空心板結(jié)構(gòu)挖空率過大、板壁較薄、自身抗力不足等構(gòu)造缺陷問題逐漸暴露出來，并造成該類空心板的病害問題日益嚴(yán)重。本文對(duì)金華市在役PC變截面寬幅空心板的使用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查及檢測(cè)，調(diào)查結(jié)果顯示該類橋梁病害情況較為嚴(yán)重，且具有一定的普遍性。通過空心板破壞性試驗(yàn)及有限元模擬，研究空心板病害及產(chǎn)生原因、在役空心板承載能力及結(jié)構(gòu)破壞形式，為該類空心板的承載力評(píng)估及加固提供參考。

關(guān)鍵詞：PC變截面寬幅空心板 破壞性試驗(yàn) 承載力 混凝土開裂 抗剪加固 豎向預(yù)應(yīng)力

衣食住行，是人類社會(huì)生存與發(fā)展的基本要素。橋梁作為交通線上的重要工程實(shí)體，自古便有“山無徑跡，澤無橋梁，不相往來”的說法，它是連接道路、鐵路、渠道、管線，跨越天險(xiǎn)和其他人工障礙的交通樞紐，與社會(huì)進(jìn)步相輔相成，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)文化交流有著不可替代的重要作用。

從對(duì)天生橋的利用到人工造橋，這是一個(gè)歷史的飛躍過程。然而隨著時(shí)間的推移，人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注到一個(gè)新的問題：橋梁結(jié)構(gòu)病害。我國(guó)正處于新建橋梁與橋梁維修的過度期，橋梁加固技術(shù)的研究已成為現(xiàn)階段的重要課題，如何有效的對(duì)病害橋梁進(jìn)行評(píng)定，準(zhǔn)確的對(duì)橋梁承載力進(jìn)行估算更顯得尤為重要。

1.PC變截面寬幅空心板橋簡(jiǎn)介

預(yù)應(yīng)力空心板具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，截面效率高，整體性能好，截面抗扭剛度大等特點(diǎn)。較大的頂、底板混凝土面積可以有效承受正負(fù)彎矩，良好的傳力性能使空心板的各部件可以共同工作，有效增加了構(gòu)件的抗扭能力，能夠獲得較好的荷載橫向分布，同時(shí)，空心板便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，適于布置預(yù)應(yīng)力管線，適合懸臂施工法、推頂法等現(xiàn)代化施工法。基于這些優(yōu)點(diǎn)，空心板在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用非常廣泛。PC變截面寬幅空心板結(jié)構(gòu)是上世紀(jì)90年代中期新興的一種結(jié)構(gòu)，其雛形是1993年在京石高速公路設(shè)計(jì)中提出的預(yù)應(yīng)力混凝土箱型板，但由于技術(shù)問題未被采用。

與普通空心板梁相比，變截面寬幅空心板的梁高較低，可以節(jié)約空間，有效增大橋梁凈空。寬幅空心板板壁較薄，挖空率大， 自重相對(duì)較輕，經(jīng)濟(jì)性能好。同時(shí)，由于板寬較大，在運(yùn)輸、安裝、維修等方面效率也相應(yīng)提高，相對(duì)于普通1m寬空心板綜合造價(jià)可降低10%以上。基于以上優(yōu)勢(shì)，寬幅空心板在我國(guó)一些高等級(jí)公路建設(shè)中，尤其是平原以及橋梁凈空受限制的地區(qū)被普遍采用。

2.寬幅空心板病害解剖試驗(yàn)及病害機(jī)理分析

2.1白洋渡公跨鐵立交橋工程概況

白洋渡公跨鐵立交橋位于44省道上茭道至松陽(yáng)二級(jí)公路上，跨越金溫鐵路。橋梁全長(zhǎng)603.88m，上跨鐵路部分為1孔20m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)，其余均為石拱橋結(jié)構(gòu)。該橋設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100，工程于1994年3月開工，1995年6月竣工。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為：0.45m（石欄桿）+1.2m（人行道）+0.35m（波形護(hù)欄）+14.0m（行車道）+0.35（波形護(hù)欄）+1.2m（人行道）+0.45m（石欄桿），總寬18.0m。上跨鐵路的主橋橫橋向共12塊空心板梁，橋面凈寬為14.0m。橋面橫坡為雙向1.5%。

2.2白洋渡公跨鐵立交橋病害成因分析

（1）橋面縱、橫向裂縫

預(yù)制空心板梁橋的鉸縫處受力復(fù)雜且比較薄弱，最容易受到破壞和侵蝕。鉸縫處產(chǎn)生縱向裂縫主要有以下幾個(gè)方面的原因：梁板鉸縫尺寸較小，橫向聯(lián)結(jié)薄弱，以及車輛頻繁超載，導(dǎo)致鉸縫被剪壞，加上橋面鋪裝與大氣層直接接觸，氣溫的變化和雨水的滲入，進(jìn)一步加速了裂縫的發(fā)展。縱向裂縫的存在降低了梁板的整體受力性能，進(jìn)一步加快了空心板跨中附近出現(xiàn)橫向裂縫的速度。

（2）底板縱向裂縫

鑒于空心板縱向裂縫較多的現(xiàn)象，近年來很多學(xué)者對(duì)縱向裂縫的產(chǎn)生原因做了細(xì)致研究，邵旭東等人通過有限元理論計(jì)算與實(shí)橋荷載試驗(yàn)對(duì)比得出空心板由于板壁較薄，板間剛度低，橫向鋼筋布置較少，橫向抗力較小等原因造成空心板畸變應(yīng)力偏大，引起板底縱向開裂的結(jié)論；

3.寬幅空心板抗彎破壞性試驗(yàn)研究與模擬分析

3.1加載裝置設(shè)計(jì)

破壞性試驗(yàn)采用千斤頂、枕木、工字鋼、傳感器、鋼絞線和地錨裝置等構(gòu)成加載體系，通過地錨裝置將千斤頂產(chǎn)生的壓力以反力的形式施加給縱向工字鋼，并通過枕木用于空心板結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)前對(duì)空心板的原有裂縫進(jìn)行標(biāo)記，繪制原始裂縫圖，詳細(xì)標(biāo)明裂縫長(zhǎng)度、寬度及坐標(biāo)等。

3.2空心板抗彎承載力分析

（1）抗彎承載力試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)構(gòu)加載至520kN時(shí)，空心板跨中附近出現(xiàn)數(shù)條寬度大于3mm的裂縫，并形成多條貫通腹板的倒U形裂縫，且有混凝土壓碎現(xiàn)象，最終宣布結(jié)構(gòu)破壞。以此為依據(jù)判斷現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)得到的空心板極限抗彎承載力為2666kN·m。

（2）抗彎承載力ANSYS模擬結(jié)果

通過ANSYS模擬分析，PC變截面寬幅空心板施加的極限荷載為488kN，同時(shí)考慮自重產(chǎn)生的彎矩為482kN·m，則極限抗彎承載力為2556 kN·m。

4.結(jié)論

本文基于PC變截面寬幅空心板解剖試驗(yàn)與單板破壞性試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合ANSYS軟件缺陷性建模分析，系統(tǒng)分析了金華市白洋渡公跨鐵立交橋的病害情況，通過對(duì)比單板破壞性加載試驗(yàn)結(jié)果與軟件模擬得到的數(shù)據(jù)，研究了病害寬幅空心板的承載能力。針對(duì)寬幅空心板抗剪承載力不足的狀況，提出施加體外豎向預(yù)應(yīng)力的抗剪加固方法，并通過試驗(yàn)、規(guī)范計(jì)算、ANSYS模擬等方法進(jìn)行了加固效果評(píng)定。對(duì)于PC變截面寬幅空心板，本文所做研究具有一定的通用性，可以為今后的設(shè)計(jì)及加固工作提供參考。研究成果如下：

（1）本文通過對(duì)白洋渡公跨鐵立交橋部分寬幅空心板進(jìn)行解剖試驗(yàn)，證明該類空心板存在波紋管下灌漿不密實(shí)、波紋管灌漿不飽滿、波紋管保護(hù)層厚度為3.6mm小于規(guī)范4mm的限值等缺陷，同時(shí)通過對(duì)金華市所有在役寬幅空心板橋梁的病害調(diào)查，證明該類橋梁的病害類型較為相似，病害情況具有普遍性，。

（2）本文所采用缺陷建模方法對(duì)模擬破壞性抗彎試驗(yàn)較為準(zhǔn)確，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)較為接近。對(duì)比分析表明，試驗(yàn)寬幅空心板存在較多微裂縫，導(dǎo)致試驗(yàn)空心板初始剛度較低，約為ANSYS模擬結(jié)果的82.8%。但剛度退化分析顯示，試驗(yàn)空心板的剛度退化速度較慢，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與軟件模擬得到的空心板后期剛度較為接近?？箯澇休d力的試驗(yàn)值與軟件模擬值均大于按照規(guī)范計(jì)算的結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果與按照規(guī)范計(jì)算結(jié)果相比有9.8%的富裕度。

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