裝配式空心板梁橋鉸縫病害機理與應對措施

謝文劍 陽 龍 賈世林 張非凡

河海大學土木與交通學院

1 引言

過去幾十年以來，中國橋梁建設取得了長足發展，結構形式也日益增多，其中，裝配式空心板梁橋由于具有結構簡單，受力清晰，成本較低，施工方便等優點而被廣泛使用，是我國目前最常用的橋型之一[1]。

近年來我國公路通行量與車輛荷載正在日漸增大，尤其是大噸位運輸車輛的出現，使得一些運營中的裝配式混凝土空心板梁橋逐漸出現了多種病害，本就較為薄弱的鉸縫部位更是病害頻發，中小跨徑的空心板梁出現的單板受力現象非常嚴重，部分情況已經嚴重影響到了橋梁通行與結構安全[2]。

2 鉸縫的技術原理

裝配式空心板梁橋一般采用寬1m左右的空心預制板梁，各板梁間通過鉸縫相連接形成整體來共同承受外部荷載。鉸縫對于外部荷載在各板梁間的荷載橫向分布起重要作用，影響著板梁與橋面鋪裝層的整體性。裝配式空心板梁橋的鉸縫多采用現澆混凝土縱向企口縫形成連接，利用鉸縫傳遞剪力使橫向各片板梁形成整體，充當傳遞荷載的角色。常見的鉸縫連接方式有企口縫混凝土鉸連接和鋼板焊接連接兩類。

（1）企口縫混凝土鉸連接。企口縫混凝土鉸的施工方法為：板梁鑿毛→板梁吊裝→鋼筋綁扎→模板安裝→混凝土澆注→養護，待混凝土養護至設計強度后即可投入使用。企口縫混凝土鉸的因結構簡單，橫向連接的能力強而得到廣泛的應用。這種連接方式根據開口形狀又可以分為很多種，主要有圓弧形、棱形和漏斗形等，其中漏斗形鉸縫的應用最廣泛，并且有淺鉸縫、中鉸縫、深鉸縫三類形式[3]。

（2）鋼板焊接連接。鉸縫采用企口縫混凝土鉸時，需待現澆混凝土養護至設計強度后才可投入使用。過去在實際施工過程中，許多單位為使橋梁盡早通車而采用了鋼板連接方式，即在相鄰板梁間將蓋板與預埋鋼板焊接實現橫向連接?，F如今，由于鋼板焊接連接的造價較高，整體性相對較差，這種方式只是鉸縫加固中應用較多。

3 鉸縫病害的特征

3.1 造成病害的設計因素[4]

空心板梁橋的鉸縫病害是在多種影響因素的共同作用下造成，可概括為設計、施工、運營階段三方面因素，，其中空心板梁橋結構上的“先天不足”是發生“單板受力”的重要原因。歸納起來，造成空心板鉸縫病害的設計因素有三點：首先，理論鉸與實際鉸的受力狀態不同。鉸接板法計算理論的假定是理想“鉸”只承受剪力，不承受拉力和縱向扭矩。但在荷載作用下板梁將發生豎向、橫向撓曲以及扭轉鉸縫混凝土在受到剪力、彎矩、扭矩共同作用的情況下，往往不是發生受剪破壞，而是和板的粘結面發生破壞。造成設計上的忽略部分因素的缺陷使得鉸縫的實際抗剪能力低于理論計算值。其次，由于受建筑高度的限制，空心板梁這種橋型的強度、剛度不如T形梁和箱形梁，用鉸縫來保證橋梁整體性的效果也不夠理想。最后，在設計中，有時由于橋面超高或設置預拱度等原因，橋面某些部位的鋪裝厚度不足；另一方面，由于鋪裝層內的鋼筋普遍存在直徑較小、間距較大的情況，鋪裝層與空心板梁體的整體性減小，使得橋梁的整體性亦隨之降低。

3.2 破壞形式[5]

鉸縫損壞對橋梁的影響一般在竣工四五年后才會逐漸出現，短期并不明顯。根據潭洪河等人對廣西高速公路中空心板梁橋的調查，運營期在1～7年、跨徑在16m～30m間的裝配式空心板梁橋，最為突出典型的病害便是鉸縫所在位置的橋面產生縱向裂縫。鉸縫破壞表現為空心板鉸縫處出現混凝土開裂、脫落等現象，鉸縫位置處有滲水、析白，個別癥狀嚴重的橋梁縱向裂縫已貫穿主梁鉸縫和橋面鋪裝，且長期的水蝕和活載反復作用將使鉸縫病害加劇。

3.3 病害帶來的危害

鉸縫病害是目前該橋型最為嚴重的一種病害。如果混凝土鉸縫由于某些因素產生病害，橋梁的整體性將被削弱，板梁間將無法很好傳遞荷載。更嚴重的是，這將反過來增大鉸縫受力，進而加速鉸縫的破壞。當板梁間橫向傳遞完全失效時，他們彼此之間不再有任何協同受力關系，空心板梁橋將變成單板受力的狀態，即外部荷載將由直接受力的板梁所承擔，無法形成多板協同工作的整體受力體系。此時單個板梁所受的荷載大于設計值，板梁由此產生裂縫，甚至可能斷裂坍塌[4]。

4 鉸縫破壞的預防對策

4.1 采用深鉸縫構造

根據在役空心板梁橋的調查，隨著鉸縫豎向高度的增大，鉸縫破壞的程度與頻率大體上逐漸變小。事實上，鉸縫加寬有利于施工人員對鉸縫內混凝土進行充分振搗，鉸縫加深可加大混凝土與板梁的接觸面積。因此說，空心板梁橋可采用漏斗形深鉸縫的形式來增強鉸縫截面強度，降低病害發生的可能性。

此外，為了避免收縮引起的早期裂縫，鉸縫內應采用微膨脹混凝土，利用膨脹劑來補償收縮。如果希望在施工過程中保證鉸縫混凝土的密實性、提高鉸縫混凝土耐久性，還可采用自密實微膨脹混凝土，使混凝土無需振搗便可在自身重力作用下實現流動，即使存在致密鋼筋也能均勻地填充模板。

4.2 加強橫向連接鋼筋

過去鉸縫的鋼筋布置通常是在僅橫向配置連接鋼筋，且鋼筋的直徑較小，剪力的傳遞能力有限。而近年來的鉸縫除了增大尺寸外，還增大了鉸縫內構造鋼筋布置量：在相鄰空心板間的頂部和底部增加了連接鋼筋，在鉸縫中增設兩根縱向受力鋼筋，并且增大鋼筋直徑。如此一來，鉸縫與板梁之間的連接得到了有效增強，從而保證了力的橫向傳遞。

4.3 其他加強措施

目前大多數空心板梁橋橋面的橫向連接能力較弱，可以通過在橋面鋪設鋼纖維混凝土加強橋面鋪裝層的橫向連接，同時添加聚丙烯纖維以增強橋面的防水抗滲能力。此外，在施工方面，預制階段須預先對板梁與鉸縫的結合面鑿毛處理，鉸縫混凝土澆筑前應清理縫內雜物并適當灑水濕潤。此外，還可以選擇在板梁側模板上焊接鋼筋使板梁結合面形成6mm大小的粗糙面[2]。

5 鉸縫裂縫的維修方式

修補空心板梁橋鉸縫處裂縫通常有三種方法：灌漿法，植筋法和返修法[5]。灌漿法簡便易行但僅適用于初期病害，植筋法可以對更嚴重的貫穿性裂縫有效補強，重新返修是根治橋面縱向裂縫的可靠方法。除此以外，另一類簡單的做法是在相鄰板梁表面粘貼如鋼板、玻璃鋼、碳纖維等加固材料。以粘貼鋼板加固法為例，其加固原理是通過粘結劑和錨固鋼筋在鉸縫底面粘貼鋼板，使之與板梁形成整體。為了增強加固效果，還可以將短鋼板同時粘接至鉸縫的頂面與底面[2]。但是粘貼鋼板加固法同時也存在對板梁造成損傷、長期效果欠佳、鋼板防腐成本高、施工難度大等不可避免的缺陷，對此，可以改為在板底的企口縫位置增加∏型鋼層，∏形鋼由于特殊的截面形式可以增大板梁的慣性矩，其加固效果也優于粘貼鋼板加固法。

圖1 粘接鋼板加固法

此外，還有一種效果明顯但工藝復雜的方法，即在板梁下緣施加橫向預應力鋼束或同時在頂面和底面施加雙向預應力鋼束，它的缺點還有損傷板梁、鋼束防腐成本高、預應力損失難以確定等。對于8m以下的小跨徑預制小鉸縫板橋，則可以直接采用錨噴混凝土加固法，通過在梁底噴射整體化鋼筋混凝土增大截面、提高整體性。

6 結束語

鉸縫病害影響了裝配式空心板梁橋的正常使用，從表面現象來看，裝配式板橋的鉸縫破壞很常見，但是實際上鉸縫的破壞是在多種影響因素的共同作用下造成的。為延長裝配式空心板梁橋的使用壽命，對鉸縫病害的預防應從設計、施工和交通管制多方面采取措施，做到全方位綜合治理。