裝配式空心板梁鉸縫空間受力行為及加固方案研究

趙雯鑫

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200000）

1 引言

現(xiàn)役裝配式空心板梁基于傳統(tǒng)鉸接板理論多采用企口鉸縫來確保板梁間橫向荷載傳遞的有效性及整體結(jié)構(gòu)的橫向剛度[1]，然而，由于過去設(shè)計理念的不足和日益顯著的超載現(xiàn)象，部分空心板梁出現(xiàn)鉸縫混凝土脫落、相鄰板梁錯臺等病害，嚴(yán)重時致使橫向連接失效而出現(xiàn)“單板受力”病害[2～6]。“單板受力”狀態(tài)使得橫向荷載分配不合理，削弱了橋梁結(jié)構(gòu)的整體承載能力，極易誘發(fā)行車安全隱患，因而針對“單板受力”病害及時采取合理有效的加固措施顯得尤為重要。

本文以某在役6m裝配式鋼筋混凝土空心板梁為研究背景，通過建立空間精細(xì)化數(shù)值模型，對其鉸縫特征區(qū)域力學(xué)行為開展分析，以期獲得企口鉸縫開裂機理，并提出針對“單板受力”典型病害的橫向加固措施方案。

2 裝配式空心板鉸縫處空間受力行為分析

2.1 工程概況及數(shù)值模型的建立

某高速公路6m簡支空心板橋面鋪裝厚度為10mm，外觀檢測時發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝存在通長縱向裂縫，梁底鉸縫存在滲水結(jié)晶、填料脫落現(xiàn)象，個別相鄰板梁間存在2～4mm撓度差，屬于典型的“單板受力”狀態(tài)。

以該簡支板梁為研究對象建立相應(yīng)空間數(shù)值模型，考慮到研究對象為鉸縫的受力狀態(tài)，因而在保證計算精度的基礎(chǔ)上簡化性地選取2片邊梁和1片中梁，同時依據(jù)橋梁跨徑及最不利原則，采用等效后的后軸輪重來模擬車輛荷載作用在簡支空心板梁跨中鉸縫處[7，8]。采用Solid65單元模擬空心板及鉸縫混凝土，單元網(wǎng)格尺寸為0.1m，梁端約束為簡支約束，數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

2.2 鉸縫空間受力行為分析

圖2 、圖3分別給出了空心板梁底板的應(yīng)力云圖和鉸縫底緣的應(yīng)力分布，結(jié)合2圖可知，車輛荷載作用下鉸縫處橫向拉應(yīng)力值遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力，說明鉸縫開裂的主要原因并非剪應(yīng)力占主導(dǎo)地位，而是橫向拉應(yīng)力提前達(dá)到混凝土抗拉強度導(dǎo)致。觀察圖2發(fā)現(xiàn)，橫向拉應(yīng)力沿鉸縫方向呈非對稱分布，表明各板梁間車輛荷載橫向傳遞性能較差，空心板梁整體橫向剛度較弱。

圖2 空心板梁底應(yīng)力分布云圖（單位：MPa）

圖3 鉸縫底緣橫向應(yīng)力及剪應(yīng)力沿縱向分布圖

2.3 單板受力病害機理分析

“單板受力”病害主要表觀特征為橋面鋪裝沿鉸縫位置縱向開裂且相互平行，通常裂縫長度較大，相鄰空心板梁存在上下錯動的運動趨勢。前文鉸縫空間受力分析表明，空心板梁單板受力病害與空心板梁橫橋向連接構(gòu)造密切相關(guān)，由于傳統(tǒng)鉸縫尺寸較小，且沒有其他抗拉、抗剪的連接構(gòu)造，如鋼筋搭接等，使得橫橋向抗拉、抗剪能力較弱，在重車荷載作用或車輛荷載反復(fù)沖擊作用下，鉸縫混凝土橫向拉應(yīng)力超過允許值而發(fā)生開裂。

空心板梁出現(xiàn)單板受力病害后，由于內(nèi)力不能進(jìn)行有效的橫向分配，單片板梁承受內(nèi)力將顯著增加。在承載能力不變的情況下，內(nèi)力的增加將導(dǎo)致承載能力相對下降退化甚至承載能力不足，在外部環(huán)境的耦合作用下而引起其他結(jié)構(gòu)性病害。此外，超載是目前國內(nèi)公路運輸比較普遍的現(xiàn)象。超載車輛通過時將導(dǎo)致橫向分配剪力呈比例增加，一旦超過了抗剪承載能力則直接導(dǎo)致剪切破壞，且損傷無法恢復(fù)。在車輛荷載反復(fù)作用下將導(dǎo)致病害不斷惡化。

3 單板受力加固方案

3.1 加固設(shè)計思路

結(jié)合上述提出的鉸縫空間受力行為及病害機理分析，加固設(shè)計以提高空心板梁橫向分配剛度為主要目的，采取合理補強措施抵抗鉸縫混凝土橫向拉應(yīng)力，同時兼顧橋梁耐久性、路面防水性能。

3.2 加固設(shè)計

針對“單板受力”病害，提出采用“粘貼鋼板、對拉錨固、綜合診治”的方案提高橫向聯(lián)系剛度，主要維修改造內(nèi)容包括：橋面改造、粘鋼并設(shè)對拉螺桿、梁縫內(nèi)灌漿等。橫斷面加固改造示意圖見圖4。

圖4 橫斷面加固改造示意圖

3.2.1 橋面改造

首先，鑿除既有混凝土橋面鋪裝層，改用配以橋面植筋的鋼纖維混凝土與SMA-16，以此來提高橋面鋪裝的強度及密實度。鋼纖維混凝土與原空心板間噴灑界面劑和剛性防水層。SMA與鋼纖維混凝土頂面間噴灑防水黏結(jié)層。絞縫內(nèi)后澆混凝土應(yīng)清除徹底，并用高壓空氣吹掉表面浮灰。橋面抗剪鋼筋植入深度為6cm，橋面鋼筋網(wǎng)與植入鋼筋應(yīng)綁扎或點焊連接，以保證形成整體，同時確保架設(shè)鋼筋網(wǎng)和澆筑混凝土的時間間隔盡可能小，要注意防水，雨天用不透水的塑料布覆蓋。

3.2.2 粘貼鋼板并對拉螺桿錨固

為了加強橫向聯(lián)系，在CF50鋼纖維混凝土墊層施工前在空心板上下緣分別粘貼厚6mm寬15cm的鋼板，上下鋼板需一一對應(yīng)，并通過鉸縫及粱縫設(shè)置直徑16mm的對拉鋼螺桿將上下對應(yīng)的鋼板對拉錨固。其中，跨中4m范圍內(nèi)每隔30cm粘貼一副鋼板，其他區(qū)域每隔60cm粘貼一副。

“粘貼鋼板、對拉錨固”可以顯著加強板梁間的橫向聯(lián)系，橫向鋼板起到“橫梁”作用，保證各板梁之間協(xié)同工作。對拉螺桿既可增加鋼板與混凝土面的貼合效果，又可確保上下鋼板變形的協(xié)同一致性，且后期可適時調(diào)整底部螺栓來改變預(yù)緊力大小，從而確保橋梁工作性能的持續(xù)穩(wěn)定。

需要注意的是，在對錨固鋼板覆蓋范圍、植入螺桿孔位、對拉螺桿孔位進(jìn)行放樣后，必須根據(jù)構(gòu)件表面的新舊程度、堅實程度、干濕程度對混凝土黏結(jié)面及鋼板貼合面進(jìn)行認(rèn)真處理，這是最關(guān)鍵的工序。

3.2.3 梁縫灌漿

清空原有梁縫內(nèi)的雜物和松散混凝土，采用壓力灌注水泥基等強度高、黏結(jié)性能優(yōu)越的灌漿料進(jìn)行重新密實填充，保證鉸縫為相鄰板梁提供可靠橫向連接，進(jìn)而達(dá)到提高空心板梁橫向分配剛度的目的。

4 加固效果分析

針對加固后的橋梁進(jìn)行荷載試驗驗證其加固效果。全橋控制截面主要分布在跨中截面，分中載和偏載2種荷載工況進(jìn)行加載試驗，并針對各板梁實測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

結(jié)果表明：（1）各工況下所測控制截面位移較理論值偏小；（2）偏載工況下，鉸縫特征區(qū)應(yīng)力較大，但結(jié)構(gòu)變形殘余量較小，表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；（3）實測一階頻率高于理論計算值，加固后實橋結(jié)構(gòu)的整體剛度顯著提升。

5 結(jié)語

1）荷載作用下鉸縫開裂主要是由鉸縫底緣混凝土橫向拉應(yīng)力過大導(dǎo)致，進(jìn)而引發(fā)橋面縱向裂縫。

2）提出的“粘貼鋼板、對拉錨固、綜合診治”設(shè)計思路有效改善了“單板受力”現(xiàn)象，增加了裝配式空心板梁整體橫向剛度，加固后橋梁整體承載力顯著提升，有效抑制了縱向裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展加劇，加固效果良好。

3）本文提出的加固方案為類似橋梁結(jié)構(gòu)的病害診治補強提供了新思路。