空心板铰缝失效机理与处治

时间：2024-07-28

张萍

(重庆交通大学，重庆 400074)

由于空心板梁预制工艺简单、安装方便、造价较低以及建筑高度较小等诸多优点，因此空心板梁桥在各类公路工程中广为应用。20 世纪90年代，我国有很多公路桥梁建成通车，随着桥梁服役年限的增长和交通量的剧增，近几年混凝土空心板梁桥出现了大量的病害，并有加剧的趋势。在这些病害中，由于混凝土铰缝薄弱导致的病害占很大比例。桥梁的结构受力分析主要由承重结构(主梁)及传力结构(横梁、桥面板)两大部分组成。多片主梁依靠横梁和桥面板联成空间整体结构。由于结构的空间整体性，当桥上作用荷载时，各片主梁将共同参与工作，形成各片主梁之间的内力分布。空心板梁桥的传力结构主要依靠空心板之间的铰缝和桥面板。空心梁板在进行内力计算时，需要将桥面承受的车辆荷载通过横向分布系数分配至各片梁板上，具体系数的数值和梁板间连接形式及其效果有关。其力学理念就是将整幅的梁板看作一个共同受力的整体，通过其相互间变形协调的程度来决定分配比例，而铰缝就承担着梁板间传递内力并约束位移的关键作用。铰缝直接关系着空心板梁上部结构的整体受力性能，铰缝病害最极端的情况，将出现空心板“单板受力”，从而导致空心板承受大于设计荷载的外力，危及结构安全。一直以来，铰缝问题没有引起广大技术人员的足够重视，致使许多桥梁因此而过早损坏，造成了很大的损失。

1 铰缝失效的机理分析

1.1 铰缝受剪截面小

从空心板梁截面构造上，早先国内板梁常用铰缝的形式有无铰缝或小铰缝，其连接示意如图1。空心板通过铰缝传递剪力，形成空间整体受力结构。如果铰缝受剪截面过小，则会因抗剪强度不足而破坏。图1 和图2 列出两种铰缝形式受剪截面均较小。无铰缝连接依靠桥面铺装来传递剪力;小铰缝连接的铰缝承担小部分剪力，大部分剪力由桥面铺装来承担。桥面铺装层厚度一般为8～12 cm，抗剪能力较弱。虽然铰缝处铺装层内一般都没有板顶预埋钢筋搭接，但由于混凝土截面过小还是极易引起铰缝开裂破坏。

1.2 铰缝新旧混凝土粘结不良

图1 无铰缝示意图

图2 小铰缝示意图

铰缝混凝土与与预制空心板间的连接为新旧混凝土结合问题，需解决好粘结力问题。目前在桥梁施工现场中钢模被普遍使用，浇筑成型的梁表面较光滑，一些单位对混凝土表面不经处理，在光滑的铰缝壁面上直接浇筑铰缝混凝土。这样就可能会因为新旧混凝土间的粘结不良而导致铰缝混凝土开裂、剥离和脱落，从而使铰缝丧失传递荷载而失效。

1.3 铰缝混凝土浇筑不密实

空心板梁间的铰缝一般都较狭窄，施工中铰缝浇筑混凝土不易振捣，振区混凝土不易保证密实。铰缝间的模板安装不到位，特别是空心板梁支座处的端模板在混凝土浇筑中易渗漏砂浆，造成铰缝混凝土出现蜂窝和空洞，甚至出现局部混凝土完全漏光。铰缝作为梁板连接的混凝土后浇带，其应力情况较复杂，铰缝混凝土不密实或内部存在空洞，受力时，将加剧应力集中现象，易导致铰缝提前破坏。

1.4 交通量过大

交通量过大尤其是重车及超限重车的频繁通过，也是产生桥梁铰缝提前破裂的一个重要因素。目前汽车超载现象相当普遍，导致许多桥梁过早损坏。超载使汽车轴重大幅增加。梁板间需传递的剪力也跟着大幅增加，铰缝及铺装会因无法承受如此大而频繁的剪切作用而破坏。

2 铰缝失效过程

铰缝失效在时间上有一个过程。从裂缝的出现到无法传递剪力是铰缝从开始失效到完全失效的过程，时间短则一年，长则几年或更长。如果因为新旧混凝土粘结不良而导致铰缝脱落，则铰缝的失效过程更快。

(1)铰缝的抗剪强度除了本身混凝土质量以外，在很大程度上取决于新旧混凝土间的粘结力和摩阻力，其中摩阻力=垂直力×摩阻力系数。首先是铰缝混凝土微裂纹逐渐扩展形成通缝，通缝引导桥面铺装开裂，接着裂缝沿铰缝纵向开展。裂缝的出现不等于铰缝传荷马上失效(此时开裂面混凝土粘结失效)。但裂缝断裂面上集料的啮合作用(摩阻力尚存在)，还可部分传递剪力。

(2)随着外部荷载继续作用，裂缝逐渐张开变宽，裂缝断裂面发生剪切摩擦，断裂面的粗糙面被磨平(摩阻力失效)，铰缝则因无法传递剪力而完全失效。

(3)当雨水渗入断裂面，沿着游离石灰中有锈迹铰缝混凝土裂缝流下，溶解了混凝土中的氢氧化钙，即形成白色“游离石灰”渗出。而雨水中往往存在腐蚀性的物质，极易引起铰缝钢筋的锈蚀断裂最终导致整个铰缝破坏，随着形成的“单板受力”出现铰缝破坏，整个桥梁已处于危险状态。

3 铰缝失效后果

装配式空心板梁间设置铰缝主要目的是为了达到设计理论上横向只传递剪力的铰的作用，以形成荷载能横向分布，避免单片板梁受力，并使上部构造多片梁板结构成为一个整体共同承担外部荷载。如果铰缝失效，则导致上构单板受力，从而使空心板所承受的荷载大幅度增加，再加上车辆本身的超载，空心板往往因无法承受如此大的荷载而损坏，大大缩短桥梁的使用寿命。铰缝失效除了导致上部损坏外，还伴随着桥面的开裂、错台，影响行车的舒适和安全，所以空心板铰缝的失效问题必须予以足够重视。

4 铰缝失效处治

铰缝失效需进行处理，否则影响上构梁板的安全使用。处治的方法有多种，这里侧重介绍采用自密实微膨胀混凝土进行处治的方法。从空心板梁桥上部结构的横截面可以看出，混凝土铰缝是沿板高度方向的下部直线折线段和上部折线部分组成(见图2)。混凝土铰缝沿板高度方向的折线段采用自密实微膨胀混凝土可解决新旧混凝土收缩引起直线段的粘结不良、局部不密实等缺陷。

(1)铰缝混凝土表面处理:表面处理首先是凿毛。凿毛要凿掉原表层混凝土露出新鲜混凝土粗骨料。凿毛时应尽可能使用振动较小的设备进行，且凿毛深度在5～10 mm 之间，形成平整的粗糙面，且凿毛率必须大于70%。然后清理铰缝中的混凝土碎屑及施工产生的油污或积水等。

(2)灌缝浇筑:对于预拌的自密实微膨胀砂浆和混凝土，应先搅拌补偿收缩砂浆完毕后应尽快运至浇筑地点，对铰缝底部狭小缝隙(空心板间施工缝隙)先用微膨胀砂浆进行浇筑，浇筑的高度以不超过图2 中铰缝下底部设计的直线高度为宜。搅拌好的自密实微膨胀混凝土，在现场可用小车运输至空心板铰缝处，灌缝时可使用提桶从板间缝一端灌入(以利于排除空气使灌浆密实)，直接注入板间缝即可。为防止混凝土外撒，可采用简易漏斗辅助灌注。灌注过程中可少振或不振，但要保证混凝土拌和物均匀。

5 自密实微膨胀混凝土质量控制

自密实微膨胀混凝土所用材料的性能指标必须符合有关规范的要求。浇筑后不得出现露筋和空洞现象;新旧混凝土的结合面不得出现裂缝。微膨胀混凝土的配合比必须达到规范(或设计)要求的限制膨胀率。工程完工后要试水观察，任何部位不允许发生渗漏现象。若局部出现渗漏，可将渗漏处有缺陷的混凝土彻底清除，将其表面凿毛，冲洗干净后，抹微膨胀水泥砂浆。如渗漏严重，先用堵漏材料止水，再用微膨胀水泥砂浆抹面。