鉸縫失效先張法空心板橋梁上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)定

曾召軍

(洞口縣公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心， 湖南 洞口 422300)

橋梁在運(yùn)營(yíng)期間常出現(xiàn)鉸縫失效、橋面沉陷、材料老化、砼脫落等問(wèn)題，其中鉸縫失效尤為嚴(yán)重。空心板梁鉸縫失效會(huì)造成橋梁使用性能衰減，影響橋梁的橫向受力性能，甚至出現(xiàn)單板受力情況。許多學(xué)者通過(guò)外觀檢測(cè)和荷載試驗(yàn)對(duì)鉸縫失效機(jī)理、原因和防治措施進(jìn)行了研究，如梁巍等通過(guò)橋梁受力損傷分析，對(duì)橋梁鉸縫損壞原因進(jìn)行了論述，并提出了預(yù)防措施；張萍分析了公路橋梁鉸縫失效的機(jī)理及危害，并對(duì)鉸縫自密實(shí)膨脹砼的施工及質(zhì)量控制進(jìn)行了探討；路飛研究了不封閉交通情況下板式橋梁鉸縫加固維修技術(shù)；吳居濤等建立三維有限元模型，對(duì)空心板鉸縫受力及損傷進(jìn)行了分析。該文以某特大橋北引橋?yàn)楣こ瘫尘埃鶕?jù)鉸縫損傷位置、大小和形狀評(píng)定其技術(shù)狀況及承載能力。

1 工程概況

某特大橋北引橋于1993年竣工通車(chē)，共52跨，總長(zhǎng)825.44 m。上部結(jié)構(gòu)為先張法預(yù)應(yīng)力砼空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)和鉆孔灌注樁。該引橋縱坡0.4%，橋臺(tái)附近為0.2%。橋梁立面見(jiàn)圖1，橫斷面布置見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁立面圖

圖2 北引橋橫斷面布置(單位：m)

2 橋梁檢測(cè)結(jié)果與分析

按照CJJ 99—2017《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)該橋北引橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定。

2.1 主梁檢測(cè)結(jié)果與分析

該引橋上部承重構(gòu)件空心板梁病害檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。全橋共1 040片主梁空心板，其中111片空心板存在不同程度的縱向裂縫、銹脹露筋、砼破損及板內(nèi)積水等病害，大部分縱向裂縫和銹脹露筋病害發(fā)生在底板。板底和腹板的砼破損、銹脹露筋共54處，最大銹脹面積接近空心板面積的3/4；板底縱向貫通縫和縱向裂縫共51處，最大縱向裂縫寬度達(dá)0.32 mm。

圖3 主梁病害統(tǒng)計(jì)

該橋建成通車(chē)已有27年，在重載交通、溫度、砼收縮徐變和雨水、陽(yáng)光等作用下，空心板梁出現(xiàn)砼破損，經(jīng)雨水沖刷和荷載作用，破損位置出現(xiàn)銹脹露筋，破損面積增大(見(jiàn)圖4)；空心板底板等處產(chǎn)生大量新裂縫，已有裂縫得到發(fā)展，形成貫通縫(見(jiàn)圖5)。這些病害導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差、安全性不足，嚴(yán)重威脅車(chē)輛、行人安全。

圖4 梁底破損露筋

圖5 主梁空心板縱向裂縫

2.2 鉸縫檢測(cè)結(jié)果與分析

鉸縫的主要病害見(jiàn)圖6。全橋共988條鉸縫，其中271條鉸縫存在滲水現(xiàn)象，339條鉸縫處的橋面鋪裝存在不同程度的縱向裂縫，且少數(shù)裂縫較寬或形成貫通縫，局部砼破損，滲水嚴(yán)重。

圖6 鉸縫病害統(tǒng)計(jì)

該橋上部結(jié)構(gòu)病害為典型的空心板梁橋鉸縫病害。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀察及受力分析，空心板鉸縫失效主要?dú)w因于車(chē)輛荷載的作用、預(yù)制空心板砼與鉸縫砼之間的齡期差、橋面鋪裝層砼開(kāi)裂及鉸縫處砼損傷積累。

(1) 車(chē)輛荷載作用。車(chē)輛荷載作用下，橋面系砼和鉸縫共同傳遞荷載至空心板梁，并進(jìn)行剪力、彎矩分配。橋梁運(yùn)營(yíng)期間，交通量大，車(chē)輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，空心板梁鉸縫加速破損，橋梁變形增大，空心板梁的撓度增大。加上大型車(chē)輛及重載車(chē)輛大多靠右行駛(該處鉸縫受力見(jiàn)圖7)，車(chē)輛通過(guò)時(shí)相鄰板梁(如1號(hào)與2號(hào)、n-1號(hào)與n號(hào)空心板梁)形成上下錯(cuò)位，通過(guò)后又恢復(fù)原狀，造成鉸縫開(kāi)裂、失效、滲水等，削弱了上部結(jié)構(gòu)的整體受力和變形效應(yīng)，橋梁的整體剛度、強(qiáng)度和耐久性下降。

圖7 鉸縫受力簡(jiǎn)圖

(2) 預(yù)制空心板砼與鉸縫砼的齡期差。鉸縫砼在預(yù)制空心板安裝好后才進(jìn)行澆筑，預(yù)制空心板梁砼與鉸縫砼之間存在齡期差，交接界面較薄弱。一旦承受荷載作用，極易產(chǎn)生新裂縫，砼原有的微裂縫將擴(kuò)展和延伸，導(dǎo)致鉸縫滲水(見(jiàn)圖8)。同時(shí)板梁和鉸縫間會(huì)產(chǎn)生砼收縮徐變引起的應(yīng)力破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致鉸縫失效，喪失傳遞剪力和彎矩的能力。

圖8 板梁與鉸縫界面處滲水

(3) 橋面鋪裝層砼開(kāi)裂。如圖9、圖10所示，該引橋橋面鋪裝存在不同程度的破損。橋面鋪裝表層砼開(kāi)裂破損，雨水將沿裂縫下滲到預(yù)制空心板梁、鉸縫處，造成梁底滲水皙白等。同時(shí)，早期修建的空心板梁橋的橋面鋪裝結(jié)構(gòu)僅作為面層使用，其承載能力較弱，剛度和強(qiáng)度較低，重載作用下極易開(kāi)裂。長(zhǎng)此以往，橋梁的使用壽命縮短，結(jié)構(gòu)安全性降低，行車(chē)舒適性也大打折扣。

圖9 鉸縫處橋面裂縫及破損

圖10 鉸縫處橋面裂縫

(4) 損傷積累。隨著橋梁的運(yùn)營(yíng)，鉸縫處砼的病害發(fā)展、損傷累積，最終導(dǎo)致鉸縫失效，空心板處于單板受力狀態(tài)。由于內(nèi)力不能進(jìn)行有效的橫向分配，單片板梁承受的內(nèi)力將顯著增加，在承載能力不變的情況下，內(nèi)力增加導(dǎo)致承載能力下降甚至不足，在外部環(huán)境的耦合作用下引起橋梁其他結(jié)構(gòu)性病害。

2.3 上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件評(píng)分

該引橋上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件評(píng)分見(jiàn)表1。計(jì)算得主梁的綜合得分為36.42，橫向聯(lián)系的綜合得分為44.08。根據(jù)CJJ 99—2017，上部結(jié)構(gòu)權(quán)重為0.4，計(jì)算得該引橋上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分為32.2，評(píng)定等級(jí)為E級(jí)，不合格。

表1 上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的評(píng)分

3 鉸縫處理措施

為保證行車(chē)舒適性、安全性，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，應(yīng)對(duì)該橋進(jìn)行交通管制，避免重車(chē)通行，同時(shí)進(jìn)行維修加固。主要措施如下：

(1) 對(duì)空心板底板、腹板處砼破損、銹脹露筋等進(jìn)行修補(bǔ)；更換裂縫較寬和砼損傷較嚴(yán)重的梁，重新設(shè)置鉸縫，做好防水，加強(qiáng)相鄰空心板梁的橫向聯(lián)系，提高鉸縫的承載能力。

(2) 對(duì)空心板梁裂縫破損較輕處進(jìn)行修補(bǔ)；對(duì)鉸縫損傷較輕處進(jìn)行灌縫處理，處理前清理破損處，清除易松動(dòng)的砼。

(3) 對(duì)破損嚴(yán)重的鉸縫，在鉸縫底部采用鋼板加固，增強(qiáng)板梁間的橫向聯(lián)系，使鉸縫具有足夠的承載能力來(lái)抵抗剪力和彎矩。

(4) 加固橋面鋪裝。對(duì)于破損嚴(yán)重的位置，重新施作橋面鋪裝結(jié)構(gòu)；對(duì)于破損不太嚴(yán)重的位置，進(jìn)行修復(fù)加固。同時(shí)提高橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，增強(qiáng)新舊砼的黏結(jié)，加強(qiáng)板間橫向聯(lián)系，提高其防水抗?jié)B能力。

(5) 對(duì)橋面排水結(jié)構(gòu)進(jìn)行排查，對(duì)損壞位置進(jìn)行修復(fù)及更換，確保雨水等順利排出，減輕橋面鋪裝壓力。

(6) 嚴(yán)格把關(guān)每一道施工工序和每一處施工材料，降低人為因素和材料的影響，提高施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1) 該橋北引橋共1 040片空心板，其中111片空心板存在縱向裂縫、銹脹露筋、破損及梁內(nèi)積水等病害；全橋共988條鉸縫，其中271條鉸縫存在滲水現(xiàn)象；橋面鋪裝存在不同程度縱向裂縫，且少數(shù)裂縫較寬，局部砼破損，鉸縫滲水嚴(yán)重。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，該橋北引橋上部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況指數(shù)為32.2，評(píng)定為E級(jí)，不合格。

(2) 空心板鉸縫失效的主要原因?yàn)檐?chē)輛荷載的作用、預(yù)制空心板砼與鉸縫砼之間的齡期差、橋面鋪裝層砼開(kāi)裂及鉸縫處砼損傷積累。

(3) 對(duì)鉸縫病害的處理措施主要是加強(qiáng)空心板梁之間的橫向聯(lián)系及空心板梁與鉸縫之間的黏結(jié)能力，提高鉸縫自身承載能力、橋面鋪裝系統(tǒng)的強(qiáng)度和耐久性及橋梁整體排水抗?jié)B性能。