1. 引言
早期设计的空心板梁出于设计理念和经济性考虑,结构截面高度低、腹板较薄、配筋和配箍率均较小,随着交通运输事业的发展、汽车荷载等级提升,空心板梁桥出现了底板纵向裂缝、底板横向裂缝、铰缝开裂、支座偏压脱空等病害 [1] [2] 。因空心板梁结构尺寸限制,针对此类病害的加固方法主要有底板粘贴碳纤维复合材料、钢板,加厚桥面铺装层等 [3] [4] [5] [6] 。近年来空心板梁桥除了上述病害外,大量空心板梁桥在支点附近腹板出现斜裂缝病害,给桥梁的运营带来安全隐患。针对板梁桥斜裂缝的成因及加固措施,部分学者也进行了相应的研究,大部分学者从抗剪分析的角度研究斜裂缝的成因及加固方案,如梁顶后浇混凝土加固、梁内填充混凝土加固、端部设置型钢加固等 [7] 。空心板梁桥整体较柔,在荷载作用下除了竖向弯曲,还存在扭转的现象,但目前既有的桥加固研究中对空心板的扭转效应均未考虑,本文结合江苏省内某高速空心板梁桥具体病害情况,考虑剪扭耦合效应,采用在空心板梁端植筋并填充无收缩高性能混凝土进行加固,对加固后的受力性能进行分析,并明确了加固施工工艺,为类似病害空心板梁桥的加固提供参考。
2. 工程概况
某高速公路简支空心板梁跨径为20 m,桥梁设计荷载为公路-I级;桥梁分幅设置,单幅桥梁宽度为13.5 m,桥面铺装为10 cm现浇混凝土+ 10 cm沥青混凝土。图1为空心板梁典型横断面。预制板、铰缝和整体化现浇混凝土强度等级均为C50。空心板梁高0.85 m,中板宽0.99 m,边板宽1.245 m,空心板采用充气橡胶芯模成孔,空腔直径0.625 m,顶板最薄处8.75 cm,底板最薄处13.75 cm。中板每片配置14根Фs15.24钢束,边板每片配置15根Фs15.24钢束,钢束根据计算设置不同无粘结段,张拉控制应力均为0.72fpk。图2为空心板梁一般构造图。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x7_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 1. Typical cross section of hollow slab girder bridge (Unit: cm)
图1. 空心板梁桥典型横断面(单位:cm)
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x8_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 2. Structure detail of slab (Unit: cm)
图2. 板梁一般构造(单位:cm)
根据桥梁检测报告,全桥空心板梁箱室外腹板出现大量“倒八字”斜向裂缝,裂缝主要位于空心板梁端0~3 m范围内,少量位于梁端4 m、5 m,裂缝宽度在0.04 mm~0.12 mm之间,长约0.3 m~2 m。有20条腹板斜向/竖向裂缝与底板横向/斜向裂缝(含已修补)连接,形成“L形”裂缝。腹板斜裂缝及梁端“L形”裂缝分别见图3和图4。
3. 加固方案
梁端附近出现严重剪切斜裂缝的空心板梁,对梁端5 m范围采用“植筋复合填充无收缩高性能混凝土”进行加固;对全桥缝宽 < 0.15 mm的裂缝,采用环氧树脂封闭胶进行涂刷封闭处理;对于缝宽 ≥ 0.15 mm的裂缝,采用裂缝灌注胶或专用环氧树脂浆液进行灌缝处理;对全桥空洞、剥落、破损、露筋等缺陷,充分凿除构件表面破损、松散混凝土至坚实基体,外露的钢筋应先进行除锈、阻锈处理,再用轻质树脂砂浆修补破损区域。
严格按照设计图纸在顶板放样,顶板开孔中心位置误差控制在10 mm以内。建议采用高压水射流混凝土铣刨机进行顶板开孔,梁体顶板开孔不得损坏原有结构钢筋。桥面开孔后,开孔处板梁上除施工人员外不得有重载。顶板开孔示意如图5所示。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x11_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 5. Diagram of the hole on slab (Unit: cm)
图5. 顶板开孔示意图(单位:cm)
为保持良好的界面结合,使新、老混凝土共同参与受力,开孔处腔内老混凝土表面应做凿毛处理,露出粗骨料。凿毛范围为顶板开孔范围内电镐能接触到的范围,凿毛点数不少于600点/平米,且点深不小于3 mm。凿毛完成后,采用高压水枪对腔内混凝土表面进行整体清理,污水从梁底排水孔流出。然后种植钢筋,焊接、绑扎钢筋,形成钢筋骨架。钢筋布置见图6、图7。在腔内端部砌砖封堵,封堵需严密,防止漏浆。封堵完成后应及时清理产生的垃圾。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x12_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 6. Diagram of reinforcement
图6. 板梁腔内加固钢筋布置示意
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x13_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 7. Layout of reinforcement (Unit: cm)
图7. 板梁腔内钢筋布置平面图(单位:cm)
保持旧混凝土表面湿润并除去明水,然后采用高性能混凝土浇筑,应边浇筑边振捣,浇筑至开孔处全部填满为止。浇筑完成后所有顶板开孔处再进行充分振捣,至不再有气泡产生为止。避免空洞及蜂窝麻面的发生。夏季施工时,注意适当延长高性能混凝土的初凝时间。浇筑开孔处调平层时需严格控制调平层标高,原则上保证桥面高差、横坡、纵坡等参数不变,浇筑后用土工布全面覆盖后及时洒水养生,养生须连续不间断,确保土工布一直处于浸水状态。养生时间不小于7天。
4. 加固施工工艺
(1) 桥面沥青铣刨
按照图纸要求在沥青表面放出铣刨线样,对设计图纸要求铣刨范围进行施工,铣刨桥面沥青。施工严格按照《沥青路面养护技术规范》要求进行,施工过程不得破坏原有桥梁结构,保证其不得受损。
沥青铺装凿除后,对整体化混凝土质量进行检验,如整体化混凝土质量良好(无明显渗水、开裂等现象)则保留原有整体化混凝土。否则需对破损处整体化混凝土凿除并重新浇筑高性能混凝土。
(2) 桥面开孔
严格按照设计图纸在顶板放样,顶板开孔中心位置误差控制在10 mm以内。建议采用高压水射流混凝土铣刨机进行顶板开孔,梁体顶板开孔不得损坏原有结构钢筋,见图8。桥面开孔后,开孔处板梁上除施工人员外不得有重载。
(3) 腔内凿毛、清理、植筋、封堵、清理
为保持良好的界面结合,使新、老混凝土共同参与受力,开孔处腔内老混凝土表面应做凿毛处理,露出粗骨料。凿毛范围为顶板开孔范围内电镐能接触到的范围,凿毛点数不少于600点/平米,且点深不小于3 mm。凿毛完成后,采用高压水枪对腔内混凝土表面进行整体清理,污水从梁底排水孔流出。然后种植钢筋,焊接、绑扎钢筋,形成钢筋骨架。在腔内端部砌砖封堵,封堵需严密,防止漏浆。封堵完成后应及时清理产生的垃圾。
(4) 浇筑腔内混凝土
保持旧混凝土表面湿润并除去明水,然后采用高性能混凝土浇筑,应边浇筑边振捣,浇筑至开孔处全部填满为止。浇筑完成后所有顶板开孔处再进行充分振捣,至不再有气泡产生为止。避免空洞及蜂窝麻面的发生。夏季施工时,注意适当延长高性能混凝土的初凝时间。
浇筑开孔处调平层时需严格控制调平层标高,原则上保证桥面高差、横坡、纵坡等参数不变,浇筑后用土工布全面覆盖后及时洒水养生,养生须连续不间断,确保土工布一直处于浸水状态。养生时间不小于7天。
梁端空腔浇筑混凝土及桥面局部整体化混凝土均采用高性能混凝土,具有早强、自密实、无收缩等特点,其材料指标要求如表1。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Technical indicators of the high performance concrete
表1. 高性能混凝土物理性能技术指标
(5) 水性环氧防水粘结层的施工
按规定用抛丸工艺或铣刨工艺清除水泥混凝土桥面水泥砂浆,并用水冲洗,保证表面清洁,不得有可见灰尘、油污和其他污物的二次污染。桥面冲洗的水份晾晒干燥后,即可用智能型撒布车喷洒环氧沥青防水粘结层材料。纵向衔接与已洒布部分重叠10 cm。单组分环氧沥青防水粘结层材料用量为0.8~1.0 kg/m2。喷洒时在桥面上放置方盘,以测量洒布量,方盘取走后面下空白桥面应用人工补洒防水材料。防水粘结材料洒布后立即进行自然养护,不许行人或车辆通过,由于材料干燥后不粘车轮和摊铺机履带,所以不需要撒布碎石。
(6) 桥面沥青铺装
待混凝土强度和弹模达到设计值的90%或达到7天养护时间后,对桥面进行沥青混凝土摊铺,桥面沥青铺装需委托有相关资质的单位进行施工。
5. 空心板梁端加固分析及验证
5.1. 有限元模型
采用MIDAS CIVIL软件建立空心板梁全桥梁格模型,板梁尺寸及配筋见第2节。空心板采用简支约束,板梁之间通过铰缝和整体化砼现浇桥面板连接,铰缝用虚拟横梁模拟,只传递剪力,整体受力桥面板采用板单元模拟,护栏等二期荷载按照实际位置和大小加载。图8为全桥模型示意。采用车辆荷载加载,车辆荷载布置如图9所示。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x15_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 9. Schematic diagram of lateral layout of two lane eccentric loads
图9. 两车道偏载横向布置示意图
边梁最大剪力及最大扭矩对应的车辆布置如图10、图11所示,研究空心板在两个工况下的内力及抗剪及抗扭承载力。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x16_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 10. Working condition of maximum shear force
图10. 最大剪力对应活载布置
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x17_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 11. Working condition of maximum torque
图11. 最大扭矩对应活载布置
5.2. 加固前梁端剪扭承载力计算
加固前,边梁在最大活载剪力和最大活载扭矩工况下,空心板的剪力及扭矩计算结果如图12、图13所示。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x19_hanspub.png?20240103084614985)
(a) (b)
Figure 12. Diagram of structural stress under maximum shear caused by live load. (a) Shear force under basic load combination; (b) Torque under basic load combination
图12. 最大活载剪力下结构受力示意。(a) 荷载基本组合下剪力;(b)荷载基本组合下扭矩
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x21_hanspub.png?20240103084614985)
(a) (b)
Figure 13. Diagram of structural stress under maximum torque caused by live load. (a) Shear force under basic load combination; (b) Torque under basic load combination
图13. 最大活载扭矩下结构受力示意图。(a) 荷载基本组合下剪力;(b) 荷载基本组合下扭矩
当空心板边梁梁端承受最大活载剪力时,梁端设计剪力值395.6 kN,设计扭矩值149.8 kN∙m,箍筋变化截面处设计剪力值343.9 kN,设计扭矩值144.6 kN∙m。当空心板边梁梁端承受最大活载扭矩时,梁端设计剪力值363.3 kN,设计扭矩值190.7 kN∙m;箍筋变化截面处设计剪力值314.7 kN,设计扭矩值183.6 kN∙m。空心板加固前承载力见图14和图15。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x23_hanspub.png?20240103084614985)
(a) (b)
Figure 14. Structural resistance under maximum shear caused by live load (Before reinforcement). (a) Shear capacity; (b) Torsional bearing capacity
图14. 最大活载剪力下结构抗力(加固前)。(a) 抗剪承载力;(b)抗扭承载力
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x25_hanspub.png?20240103084614985)
(a) (b)
Figure 15. Structural resistance under maximum torque caused by live load (Before reinforcement). (a) Shear capacity; (b) Torsional bearing capacity
图15. 最大活载扭矩下结构抗力(加固前)。(a) 抗剪承载力;(b) 抗扭承载力
空腔植筋 + 填充高性能混凝土加固前,当空心板边梁承受最大活载剪力时,空心板梁端抗剪承载力683.2 kN,抗扭承载力234.0 kN∙m;箍筋变化截面处抗剪承载力453 kN,抗扭承载力135 kN∙m。当空心板边梁承受最大活载扭矩时,空心板梁端抗剪承载力567.3 kN,抗扭承载力267.9 kN∙m;箍筋变化截面处抗剪承载力402.7 kN,抗扭承载力169.2 kN∙m。即加固前,箍筋变化处截面的抗扭承载力不满足要求。
5.3. 加固后梁端剪扭承载力计算
在梁端5 m范围内,植入钢筋并填充高性能混凝土,考虑新填充混凝土能够与原预制空心板梁整体受力,钢筋布置及混凝土填充范围见第3节要求,加固后梁端承载力见图16和图17。
空腔植筋复合填充高性能混凝土加固后,当空心板边梁承受最大活载剪力时,空心板梁端抗剪承载力1108.1 kN,抗扭承载力280.1 kN∙m;箍筋截面变化处抗剪承载力786.5 kN,抗扭承载力180.1 kN∙m。当空心板边梁承受最大活载扭矩时,空心板梁端抗剪承载力984.9 kN,抗扭承载力357.1 kN∙m;箍筋截面变化处抗剪承载力699.1 kN,抗扭承载力257.1 kN∙m。即加固后,箍筋变化截面处抗剪、抗扭承载力均满足要求。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x27_hanspub.png?20240103084614985)
(a) (b)
Figure 16. Structural resistance under maximum shear caused by live load (After reinforcement). (a) Shear capacity; (b) Torsional bearing capacity
图16. 最大活载剪力下结构抗力(加固后)。(a) 抗剪承载力;(b) 抗扭承载力
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x29_hanspub.png?20240103084614985)
(a) (b)
Figure 17. Structural resistance under maximum torque caused by live load (After reinforcement). (a) Shear capacity; (b) Torsional bearing capacity
图17. 最大活载扭矩下结构抗力(加固后)。(a) 抗剪承载力;(b)抗扭承载力
6. 加固后荷载试验研究
为验证加固后空心板梁桥实际受力状况,通过实桥荷载试验,对比研究1#边梁梁端A截面处边梁的主应力及跨中B截面的应力及挠度变化情况(图18)。1#板梁外腹板沿45˚方向设置2组应变花测量主应力变化情况。相应应变花布置见图19所示。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x30_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 18. Schematic diagram of control section (unit: cm)
图18. 控制截面示意(单位:cm)
加载采用6轴平板挂车进行,加载挂车轴重分布及加载示意分别如图20、图21所示。加载过程采用分级配重进行。为避免加载对病害产生不利影响,加固前采用四级分级加载,加固后进行五级分级加载,挂车各级加载轴重见表2。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x32_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 20. Load distribution of vehicle (Unit: cm)
图20. 加载车辆轴重分布示意图(单位:cm)
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x33_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 21. Loading diagram of beam 1 # (Unit: cm)
图21. 1#边板加载示意(单位:cm)
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Load distribution of vehicle (Unit: kN)
表2. 加载车辆轴重表(单位:kN)
图22和表3为加固前、后板梁桥跨中挠度对比。在四级加载作用下1#~9#梁跨中最大位移值较未加固前均略有降低,10#~13#梁跨中位移较加固前略有增加。1#梁跨中挠度减少0.448 mm,减小6.6%;3#梁跨中挠度减少1.502 mm,减小24.7%。加固后各梁跨中横向分布更为均匀。加固后,在五级加载作用下,2#~9#梁跨中挠度仍小于加固前四级加载作用下挠度,加固后桥梁整体性得到一定的提升。
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Figure 22. Mid-span deflection before and after reinforce
图22. 加固前后跨中挠度对比
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Mid-span deflection before and after reinforce (Unit: mm)
表3. 加固前后跨中挠度对比(单位:mm)
图23、图24为测点1-1#和测点1-2#主应力变化情况。
![](//html.hanspub.org/file/7-2751704x35_hanspub.png?20240103084614985)
Figure 23. Changes in principal stress at 1-1#
图23. 1-1#测点主应力变化情况
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Figure 24. Changes in principal stress at 1-2#
图24. 1-2#测点主应力变化情况
从上图可以看出1#边梁腹板布置的应变花测量的主应力在加固后减低较大,其中1-1#测点主应力减低70%左右,1-2#测点主应力减低50%左右。即梁端加固后,空心板梁端主应力显著减小,加固施工对空心板梁端受力性能有较大提升。
7. 结语
空心板结构在设计时不考虑扭矩对结构的影响,从而导致大量空心板梁桥端部出现斜裂缝病害。为解决预应力空心板梁端斜裂缝缝病害,采用梁端植筋复合填充无收缩高性能混凝土,从而提高梁端配筋数量和增大受力截面面积,提高空心板梁端剪扭承载力,从根本上解决梁端斜裂缝病害的成因,达到加固的目的,相应分析方法和加固方案可为空心板梁桥结构加固养护提供建议。