桥梁空心板铰缝破坏成因分析及加固修复技术

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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

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