桥梁空心板铰缝破坏成因分析及加固修复技术

桥梁空心板铰缝破坏成因分析及加固修复技术
摘要：根据对工程实践中经常出现的装配式空心板铰缝出现破坏的问题，本文从设计、施工和运营阶段分析了病害形成的机制和原理，探讨了对空心板铰缝破坏的防治对策及维修加固技术，并为装配式空心板梁桥铰缝破坏的维修加固提供参考。

关键词：空心板梁桥；铰缝；铺装层；铰缝改造；施工控制
装配式空心板梁式桥在荷载作用下，纵向铰缝极易剪切破坏，并导致桥面铺装开裂或出现空洞。

轻则使铰缝与空心板侧壁界面分离，雨水渗透并侵蚀混凝土；重则使铰缝处混凝土完全破损（剪切破坏），空心板失去横向连接能力，极易出现单板受力，最终可能导致板梁断裂塌落从而发生安全事故。

装配式空心板梁桥的结构病害主要有4种：一，抗弯承载力不足，表现为梁板下挠，底板开裂；二，由铰缝剪切破坏引起的板间横向联系削弱或失效，表现为板间渗、漏水，桥面铺装纵向开裂、变形、网裂、龟裂、破碎；三，耐久性因素引起的承载能力降低，桥面沥青混凝土铺装裂缝、松散坑槽、推移拥包、车辙、防水层失效，以及水泥混凝土铺装层离、保护层不足、剥落、露筋、裂缝、表层浸蚀等造成的“裸板效应”；四，预制板梁与后期浇筑的结构层分离，桥面连续构造及其附属结构在运营l～2 a内就出现开裂、破碎、脱落、露筋、松动，表观特征为结构部位下渗水、漏水浸蚀混凝土，结构功能失效，结构安全和使用寿命均严重降低。

一、铰缝病害成因分析
1.铰缝结构理论的不完整性
由于铰缝受力复杂，用传统的铰接板梁计算理论已不能满足设计要求。

（1）带铰缝的简支板桥梁的荷载横向分布是按铰接板（梁）法计算的。

将相邻板（梁）之间视为铰接，只传递剪力而忽视其受拉。

实际上，当铰接板承受偏心荷载时，其变形既有挠曲又有转动。

由此引起的竖向位移量带动了相邻板的挠曲和转动，传递剪力和扭矩；产生的侧向水平位移量，通过铰缝及桥面铺装向相邻板施加水平拉（或压）力。

在活载反复作用下的弹性变形也使铰缝产生反复交替的拉压作用。

（2）铰缝受剪计算图式与实际受力状况差别很大。

车辆轴转换算为等效半波正弦荷载后，两者荷载总效应接近，但车轮荷载集中作用于铰缝间的局部剪力，要比半波正弦换算荷载（即按分布荷载）计算值大得多，故按弹性分布计算荷载的横向分布系数时，铰缝无力承担。

（3）由铰接板梁破坏试验得知，往往是铰缝混凝土与空心板的黏结面先破坏，而不是铰缝混凝土被剪开 ]。

由于铰缝的实际抗剪能力比理论计算值要低得多，故在多种荷载及不利因素影响下，铰缝既受剪又受拉（压）。

当铰缝内配筋少，而连接筋及桥面铺装钢筋网又薄弱时，在反复剪、拉（压）作用下，会导致铰缝混凝土的开裂、破坏，并最终造成桥面铺装的破坏。

2.设计因素
（1）铰缝构造单薄，尺寸小而浅，缝间连接钢筋薄弱、缝内无拉力筋，刚度甚微，因此横向联结力薄弱，难与板牢固结合。

单纯按铰接板分析计算，抗剪强度可能满足设计荷载要求，但忽视了结构最薄弱处的特殊计算及构造要求。

（2）桥面混凝土铺装层的设计厚度过薄，仅满足构造要求。

但由于预制板上拱度及满足桥面施工纵横坡协调等原因，使得实际工作厚度满足不了结构要求，且少而稀的布筋又大大降低了铺装层抗拉强度，降低了整体横向刚度。

（3）轻视桥面防水和排水构造功能设计。

多数沥青铺装（磨耗层）开裂、松散，甚至出现坑槽后，渗入铺装层内的水无法保证及时排出。

3.施工因素
（1）预制板企口光滑的混凝土表面未进行规定的凿毛清浮浆处理 j。

根据试验，新、老混凝土结合面之间的抗拉强度约为混凝土抗拉强度的1/3。

铰缝内狭窄、缺乏振捣，混凝土不密实，而相连混凝土铺装受梁板上拱度的影响，厚度多小于设计值。

若铺装层钢筋网绑扎不规范、问距大，则个别铺装层形成素混凝土夹层，构成结构的致命薄弱节点。

（2）没有设防水层，或设置防水层时施工不规范使之失去防水功能，极易造成水损害。

不密实的铰缝混凝土的ca（oh）2 等水化物由于受到长时间渗水作用而析出，并锈蚀钢筋导致缝内混凝土胀裂（其体积是水泥的2倍），使铰缝失去抗剪作用 j。

也有些情况
是铰缝混凝土被剪裂以后才引起渗水的。

据观察统计，年降水量在500 mm左右的地区，半数以上桥梁中存在铰缝渗水现象；而年降水量1 000 mm左右地区（如上海市）约70%板桥梁中存在铰缝渗水现象。

（3）板梁安装时，4个支座未能与梁板底面紧密接触，造成受力不均匀，给梁端留下受剪的隐患。

4.运营阶段影响因素
（1）超载（长期冲击，疲劳作用）加速了铰缝破坏速度。

（2）忽视桥面系排水、防水的日常检查和及时维修。

大部分损坏铰缝混凝土总是先有渗水，然后出现混凝土脱落。

（3）温度、混凝土收缩、约束变形等不可控的影响因素。

如桥面铺装混凝土和预制板间的温差产生的温度变形影响力，当铺装混凝土收缩时，铺装层混凝土和铰缝受拉。

此外，铰缝和板问的相对转动受到铰缝混凝土的粘结、摩擦等约束作用时，也可使铰缝受拉而开裂。

（4）个别支座位移或脱空，使铰缝处于很不利的受力状态，易导致铰缝混凝土逐渐破碎、脱落。

二、铰缝的破坏机制
1.理论假定
理论上，装配式空心板梁桥是以铰接板理论进行设计计算的。

铰作为横向传力结构，还需要承受较强的竖向剪力作用。

空心板挖空率高、截面惯矩小、结构刚度小；铰缝仅占板高的15% ，连接刚度
弱；截石浅而狭窄，缝内混凝土施工时难以浇捣；现浇的混凝土因板侧面凿毛不彻底及养生不足等原因，与板的黏结力几乎为零，甚至早期已开裂松散；铰缝连接钢筋细而少，顶板连接钢筋拉力不足；混凝土铺装过薄，有的甚至只有2～3 cm等。

这些原因都造成了桥梁横向抗剪能力削弱，横向传递荷载能力很差，在重车荷载反复作用下，铰缝极易破坏，出现板问贯通纵缝。

这与铰接板（梁）法假定竖向荷载作用下铰缝内只传递竖向剪力的计算理论不吻合。

2.运营状态
经长期观测分析，铰缝破坏是非承重结构损伤积累，属抗力衰减。

3.试验结果分析
（1）增加混凝土铺装层厚度对于降低铰缝剪应力效果十分明显。

当铺装层厚度为20 cm时，铰缝最大剪应力只有厚度为4 em时的12% ；当铺装层厚度为14 cm时，铰缝最大纵向拉应力只有厚度为4 em 时的40%elo。

（2）增加铺装层弹性模量（即刚度）对铰缝结构的剪应力影响很大。

（3）铰缝混凝土的接触条件对其受力影响较大。

（4）基于以往铰缝的耐久性试验及静载试验，运用因素分析法，提出了表征空心板梁铰缝协同工作性能的参数及其计算方式。

结果表明：由于存在设计施工等多种因素引发的铰缝损伤缺陷，导致荷载同时作用在铰缝结构上时，与铰缝相邻的不同高程的板产生了不均匀荷载传递，由此产生挠度差，两板协同工作极其微弱；即使改
善桥面铺装层与铰缝系整体浇筑，但因铺装层混凝土很薄，无助于板的协同工作。

根据研究结论，影响铰缝协同工作的显著程度由大到小依次为：铰缝配筋率、铰缝形式、铰缝混凝土强度和纵向配筋率。

三、铰缝病害防治对策
1.设计中应解决的重要矛盾
（1）不应过度追求截面大挖空率，这会加剧薄壁构造与结构耐久性之间的矛盾。

（2）企口深缝的横向整体性明显优于浅缝。

由于预应力体系的发展，为追求更高的经济指标，降低结构自重，大量采用浅缝构造及减少铺装层厚度的设计方式，但忽视了铰缝构造和受力功能的可靠性与刚度的削弱。

尽管铰缝采用了钢纤维混凝土，但因铰缝混凝土与桥面铺装层是分2次浇筑的，其横向整体性仍无法解决与板共同工作的矛盾。

（3）未彻底解决降低梁高与结构上拱度之间的矛盾。

2.防治对策
（1）铰缝失效。

指铰缝混凝土已开裂，与板间连接失效，或铰缝混凝土已破碎，钢筋锈蚀或蚀断。

表观损坏为渗水、析白。

当铰缝不能承担剪力时，拟采用刚接板梁法重新设计后进行维修加固。

（2）当原设计为宽（企口宽>5 cm）、深（缝深>0.8板高）铰缝时，可采用清理原锈蚀钢筋，凿清混凝土，但不得损伤板体；在缝企口底增设2+12 mm纵向筋，缝中增设2～4根 10 mm水平筋，企
口顶两侧植筋交叉环箍；然后浇注微膨胀小石子纤维混凝土、自密实混凝土或改性环氧混凝土。

若不增加混凝土铺装厚度，可仍按横向铰接板梁设计。

（3）当原设计为浅（缝深12 cm），加强铺装层钢筋网，减薄沥青磨耗层，使桥面铺装参与梁板整体受力。

因桥面铺装在荷载作用下，主要承受压应力，建议将铺装混凝土的强度高于主梁一个等级，受力更为理想，使之达到刚性连接受力状态。

（6）桥面铺装防水混凝土中掺入纤维（聚丙烯纤维或钢纤维），增强其抗渗、抗裂和防水性能。

同时，在铺装层上设置防水层，细化排水设计。

（7）按“预养护”理念，采用初期养护处治技术。

据观测统计及研究分析，铰缝病害一般发生在运营通车2～3 a后，病害程度大多属于“初期”阶段，即行车道板没有明显的弹性下挠，更没有形成塑性变形的台阶，故初期阶段是进行处理的最佳时期。

若不及时处理，进入病害“后期”阶段，当弹性变形逐渐变成塑性变形，铰缝破坏后的两侧板之间形成永久性台阶时，则只能采用换板方式进行处治。

3.铰缝改造（维修加固）施工控制
（1）板梁安装前，板侧应凿毛处理，板顶应拉毛、清除浮浆；对所有不同预拱度的预制板进行量测，将相同预拱度板进行组合再安装成孔。

（2）安装时应认真检查支座受力状况。

（3）认真检查铰缝预留钢筋的完整性。

（4）浇筑铰缝前应在底部浇注一定厚度的12.5号水泥砂浆，在强度达到50%后，方可浇铰缝混凝土。

（5）铰缝混凝土须振捣密实，应掺人防收缩或微膨胀外掺剂，保证其强度和不出现板问缝隙。

（6）因施工误差需调坡时，垫层及铺装混凝土（多为防水混凝土）厚度必须满足设计及最小构造要求。

（7）混凝土铺装层上必须铺设防水层。

水是产生钢筋腐蚀、混凝土碳化、碱集料反应、冻融破损，致使混凝土结构剪切破坏的关键因素。

四、结语
本文针对当前工程实践中出现的典型装配式空心板铰缝破坏的问题，通过对病害的机制分析，探讨了板梁铰缝的防治对策及维修加固施工控制，并为装配式空心板梁桥铰缝破坏的维修加固设计、施工等工作提供参考。

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