既有空心板橋底板裂縫與加固分析

趙 剛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

空心板底部產(chǎn)生裂縫是空心板橋最常見的病害之一，板底的裂縫分為縱向裂縫和橫向裂縫兩種，其中縱向裂縫較為常見，也比橫向裂縫更易產(chǎn)生和發(fā)展[1-2]。根據(jù)大量的調(diào)查和橋梁外觀檢測(cè)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生板底裂縫的局部位置往往都還伴隨著滲水和白色結(jié)晶體析出的現(xiàn)象[3]。

縱向裂縫的位置主要集中在鉸縫區(qū)域、梁肋處以及梁板中間，病害較嚴(yán)重的橋梁其縱向裂縫還會(huì)布滿梁底的整個(gè)區(qū)域，而且呈固定間距的排列[4-5]。縱向裂縫一旦產(chǎn)生，在沒有對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)處理的情況下，其寬度會(huì)不斷擴(kuò)大，長度和深度方向不斷延伸，最后貫通整個(gè)截面，削弱了截面的各項(xiàng)性能[6-7]。此外，大氣中的水分和雨水可能通過裂縫進(jìn)入混凝土，腐蝕內(nèi)部的鋼筋，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的健康和質(zhì)量，大大削弱橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力[8]。因此，研究既有空心板橋的底板裂縫對(duì)橋梁的影響及加固措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于此，本文結(jié)合某空心板橋底板裂縫檢測(cè)結(jié)果，利用有限元分析空心板橋底板裂縫存在情況下空心板橋使用性能，并探討鋼板加固方法在空心板橋底板加固的效果。研究結(jié)果對(duì)于空心板橋的設(shè)計(jì)和加固具有重要的理論價(jià)值。

1 工程概況

某跨河橋建成于2000年，上部結(jié)構(gòu)為7×14 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，橋臺(tái)為U形橋臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩配擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋梁全長132.80 m，橋面寬度17.5 m，橋?qū)挷贾脼?.25 m（人行道）+15 m（車行道）+1.25 m（人行道），雙向四車道，原橋荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-20級(jí)，掛車-100，設(shè)計(jì)洪水頻率1/100。作為城市快速路，該跨河橋的交通流量很大。橋梁上部結(jié)構(gòu)橫斷面圖如圖1所示。

圖1 上部結(jié)構(gòu)橫斷面圖

2 裂縫檢測(cè)與原因分析

通過該橋的外觀檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該橋病害情況較多，上部結(jié)構(gòu)以空心板裂縫破壞為主，其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和整體性影響較大。裂縫具體外觀檢測(cè)結(jié)果如下：主梁底板出現(xiàn)10余條縱橋向裂縫，裂縫長度0.8～3.2 m，寬度分布為0.11～0.25 mm，超過《養(yǎng)護(hù)規(guī)范》的限值0.2 mm，個(gè)別裂縫位置帶有滲水結(jié)晶情況。表1列舉了上部結(jié)構(gòu)底板裂縫部分情況。

表1 上部結(jié)構(gòu)部分縱向裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果

縱向裂縫產(chǎn)生的原因可依據(jù)不同位置分為三類。第一類是鉸縫處的縱向裂縫，鉸縫是用于橫向連接各塊空心板的構(gòu)件，可以傳遞剪力和發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，不能傳遞彎矩，在經(jīng)過一定時(shí)間的運(yùn)營后，其反復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)與變形會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部混凝土發(fā)生壓裂破壞。此外施工質(zhì)量不合格也是一個(gè)重要的原因，鉸縫寬度較小，在澆筑鉸縫混凝土?xí)r難以通過振搗使縫內(nèi)空間填充密實(shí)，在汽車反復(fù)的沖擊作用下，這種薄弱構(gòu)件極有可能出現(xiàn)損傷。第二類是梁肋附近的縱向裂縫，這類裂縫主要是由于后張法預(yù)應(yīng)力管道定位不牢固，預(yù)應(yīng)力鋼束在澆筑混凝土后出現(xiàn)起伏狀，則張拉鋼束預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致底板出現(xiàn)局部開裂。第三類是空心板底部中間部位的縱向裂縫，這類裂縫的產(chǎn)生與橋梁的橫向變形有關(guān)。通常在重載交通荷載的反復(fù)作用下，空心板底部產(chǎn)生較大的橫向變形，變形能力超過結(jié)構(gòu)抗拉極限能力而產(chǎn)生縱向疲勞裂縫。

3 有限元分析與建模

為研究上述縱向空心板橋?qū)蛄菏褂眯阅艿挠绊懀栽摌驗(yàn)閷?duì)象建立空間有限元模型分析空心板的關(guān)鍵截面的應(yīng)力、撓度情況。

采用常用的有限元軟件MIDAS CIVIL建立橋梁一跨上部結(jié)構(gòu)空間模型，以空間梁格理論為基礎(chǔ)，通過虛擬橫梁模擬各塊空心板之間的橫向連接，空心板之間的鉸縫可以看作是鉸結(jié)構(gòu)，在軟件中的具體操作是通過釋放橫梁梁端約束的方式模擬鉸的連接。該模型中的單元均采用梁單元，邊界條件采用簡支梁的支撐方式，上部結(jié)構(gòu)主要材料的參數(shù)如表2，一跨上部結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

表2 上部結(jié)構(gòu)主要材料參數(shù)表

圖2 某跨上部結(jié)構(gòu)模型圖

4 空心板裂縫對(duì)橋梁的影響

由該跨河橋的外觀檢測(cè)結(jié)果可知梁板底存在較多的縱向裂縫，縱向裂縫的出現(xiàn)會(huì)削弱截面的各項(xiàng)性能，并且隨著裂縫的發(fā)展，大量水分和具有侵蝕性的物質(zhì)會(huì)進(jìn)入梁體內(nèi)部，腐蝕鋼筋和混凝土，嚴(yán)重降低梁體結(jié)構(gòu)的耐久性，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載力產(chǎn)生不利的影響。

為研究空心板裂縫對(duì)橋梁承載能力的不利影響程度，擬定空心板材料性能損失分別為10%、20%、30%的3個(gè)不同等級(jí)，分別建立相應(yīng)模型，其具體操作方法是通過調(diào)整材料的彈性模量模擬由裂縫的影響而產(chǎn)生的截面性能損失，求解各塊空心板在公路-Ⅱ級(jí)的汽車設(shè)計(jì)荷載等級(jí)情況下跨中截面的最大拉應(yīng)力和撓度，并與空心板材料性能完好時(shí)進(jìn)行對(duì)比。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只需求解1～9號(hào)空心板的跨中截面的最大拉應(yīng)力和撓度，最大拉應(yīng)力如圖3所示，撓度變化情況如圖4所示。

圖3 空心板不同性能損失的跨中截面最大拉應(yīng)力圖

圖4 空心板不同性能損失的跨中截面撓度圖

從圖3和圖4中可知，在公路-Ⅱ級(jí)汽車設(shè)計(jì)荷載作用下，該橋跨中截面的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在2號(hào)空心板下緣，達(dá)到了2.95 MPa，已經(jīng)超過了C40混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.71 MPa，表明按原荷載等級(jí)設(shè)計(jì)的該空心板橋已不能滿足現(xiàn)在的公路-Ⅱ級(jí)汽車設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。隨著空心板裂縫的發(fā)展和材料性能的衰退，跨中截面各塊空心板下緣的拉應(yīng)力逐漸增大，但增幅較小，這是由于模型中未考慮橋梁運(yùn)營過程中的預(yù)應(yīng)力損失；同時(shí)跨中截面各塊空心板的撓度也逐漸增大，且增幅較大。通過對(duì)空心板性能損失分別為10%、20%和30%三種情況下的跨中截面應(yīng)力和撓度分析可以看出，空心板裂縫會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，影響橋梁的承載能力和正常使用性能，嚴(yán)重危及橋梁的安全性。

5 加固方案的擬定和驗(yàn)證分析

根據(jù)空心板裂縫對(duì)橋梁的影響分析可以看出，在公路-Ⅱ級(jí)汽車設(shè)計(jì)荷載作用下，該橋在現(xiàn)有的車輛荷載等級(jí)下已不能滿足結(jié)構(gòu)的安全性要求，且隨著裂縫的擴(kuò)展，空心板剛度不斷減弱，橋梁的跨中撓度急劇增加，對(duì)橋梁的正常使用性能造成了極大的威脅。針對(duì)由空心板裂縫引起的一系列問題，在綜合分析比較各種加固方法的基礎(chǔ)上，認(rèn)為粘貼鋼板法自重增加少，外觀影響小，施工簡單，因此，提出了采用粘貼鋼板加固方法，擬在各塊空心板底粘貼10 mm厚的Q235鋼板。

在MIDAS CIVIL中采用施工聯(lián)合截面的方式模擬粘貼鋼板的加固過程，鋼筋混凝土與Q235鋼板的聯(lián)合截面如圖5所示（僅以中板為例）。

圖5 中板聯(lián)合截面示意圖

計(jì)算各塊空心板加固前和加固后在公路-Ⅱ級(jí)的汽車設(shè)計(jì)荷載等級(jí)情況下跨中截面的最大拉應(yīng)力和撓度，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只需求解1～9號(hào)空心板的跨中截面的最大拉應(yīng)力和撓度，加固前后最大拉應(yīng)力如圖6所示，加固前后撓度變化如圖7所示。

圖6 加固前后跨中截面原空心板底緣最大拉應(yīng)力對(duì)比圖

圖7 加固前后各塊空心板跨中截面最大撓度對(duì)比圖

從圖6和圖7中可知，在采用粘貼鋼板法對(duì)空心板進(jìn)行加固后，空心板底緣混凝土的拉應(yīng)力顯著降低，且其最大拉應(yīng)力變?yōu)?.31 MPa，小于C40混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.71 MPa，保證了混凝土裂縫不繼續(xù)擴(kuò)展，提高了橋梁整體結(jié)構(gòu)的承載能力。在采用粘貼鋼板法對(duì)空心板進(jìn)行加固后，各塊空心板的跨中截面最大撓度均有所減小（除邊板外，這是因?yàn)檫叞寰嘬囕喓奢d直接作用點(diǎn)較遠(yuǎn)），提高了橋梁的剛度和正常使用性能。

6 結(jié)語

結(jié)合空心板橋工程案例，運(yùn)用有限元模擬分析了裂縫存在情況下對(duì)既有空心板橋的性能影響，在綜合分析比較各種加固方法的基礎(chǔ)上，提出了采用粘貼鋼板加固方法，并對(duì)該加固方法進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

a）在公路-Ⅱ級(jí)汽車設(shè)計(jì)荷載作用下，該空心板橋已不能滿足現(xiàn)在的公路-Ⅱ級(jí)汽車設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的要求。隨著空心板裂縫的發(fā)展和材料性能的衰退，跨中截面各塊空心板下緣的拉應(yīng)力逐漸增大，但增幅較小；跨中截面各塊空心板的撓度也逐漸增大，且增幅較大。

b）在采用粘貼鋼板法對(duì)空心板進(jìn)行加固后，空心板底緣混凝土的拉應(yīng)力顯著降低，提高了橋梁整體結(jié)構(gòu)的承載能力。各塊空心板的跨中截面最大撓度均有所減小，提高了橋梁的剛度和正常使用性能。