典型病害空心板梁使用状态评定及加固方案分析

林源锋，张 勇

(1.广东省高速公路有限公司 广清分公司，广东 清远 511542;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

1 工程概述

某高速公路桥梁跨径组合为28×16 m，与线路中心线的斜交角为20°。上部结构采用预应力先张法宽幅空心板，板宽155 cm，梁高80 cm，空心板梁截面尺寸沿跨径方向一致，梁端未设置封端混凝土，梁体之间设置2 cm浅铰缝。桥面铺装采用厚10 cm C40防水混凝土，半幅桥宽1 200 cm，桥面净宽1 100 cm。桥梁设计荷载采用汽车—超20级，验算荷载为挂车—120级。桥梁横断面一般构造如图1所示，空心板梁一般构造如图2所示。

从该桥历年的检查情况来看，空心板梁存在较为严重的结构性病害，有些病害已经危及结构安全和正常运营。由于存在病害的空心板梁数量较多，病害梁体使用状态的评定及维修加固方案的制订成为摆在管养单位面前的急需解决的难题。本文结合该桥开展的荷载试验工作，对病害空心板梁的使用状态进行了评定，在此基础上提出了相应的加固措施，为类似病害结构的维修养护提供有益借鉴。

2 空心板梁病害

根据检测单位的调查结果，目前该桥空心板梁存在以下五类较为严重的病害:

1)梁端腹板斜向裂缝。多数桥跨空心板梁端腹板存在斜向开裂，裂缝与水平线成约45°夹角，最大裂缝宽度为3 mm，少部分裂缝与底板斜向裂缝或横向裂缝连通。此类裂缝产生与超重车辆的作用、梁体腹板偏薄且抗剪钢筋较弱、梁端底板开裂后腹板受力更为不利等因素有关。

2)支座附近板底斜向裂缝。支座附近板底存在板角斜向开裂，部分梁体端部底板裂缝已延伸至梁体腹板，呈U形发展性状，部分裂缝伴有渗水结晶现象。此类裂缝产生与超重车辆的作用、梁端未进行封端引起底板局部受力过大等因素有关。

图1 桥梁横断面一般构造(单位:cm)

3)梁端底板横向开裂。裂缝主要出现在空心板梁端部3 m范围内，大部分与腹板裂缝连成U形或L形裂缝。此类裂缝产生与超重车辆的作用、梁端未进行封端引起底板局部受力过大等因素有关，应是梁端底板斜向裂缝发展而衍生出来的病害。

图2 空心板梁一般构造(单位:cm)

4)跨中腹板竖向裂缝及底板横向裂缝。部分空心板梁跨中附近腹板存在竖向裂缝，并与底板横向裂缝连成U形或L形裂缝。此类裂缝应是典型的受弯裂缝，产生原因与超重车辆的作用、梁体纵向预应力可能存在不足等有关。

5)底板纵向裂缝。部分空心板板底出现纵向裂缝，部分裂缝贯通整个梁底长度方向，个别裂缝伴有渗水结晶现象。

3 梁体使用状态评定

梁体使用状态通过荷载试验进行评定，根据该桥空心板梁的病害情况，试验选取了病害较为严重的桥跨布置测点，对空心板梁的承载能力及梁端斜裂缝进行测试，综合应变和挠度测试分析梁体使用状态。

3.1 承载能力测试

3.1.1 横向分布系数

横向分布系数采用一辆加载车进行测试，试验时通过实测各片空心板梁的位移推算实际的横向分布影响线，并与按铰接板法计算的横向分布影响线理论值进行了对比。对比结果表明，梁体横向分布影响线对称性较好;实测影响线数值与理论值存在一定的差异，实测影响线峰值均大幅超过了理论计算值，与理论值相比各梁实测横向分布影响线变化相对较快，说明各梁间联系相对理论计算值偏弱。梁体横向联系较弱可能与梁体铰缝质量不良、各梁间传递力的能力偏弱及梁体出现纵向开裂后梁体抗扭刚度下降等因素有关。

3.1.2 跨中截面应力

跨中截面应力测试选取边梁、次边梁及靠近次边梁的空心板(共计3片空心板)沿桥纵向及截面高度方向布置应变测点，分析试验荷载作用下跨中截面的应力分布情况。测试结果表明，最大级试验荷载作用下，底板未出现横向裂缝的空心板梁应力校验系数为0.727，满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(报批稿)中预应力混凝土桥应变(应力)校验系数在0.50～0.90之间的要求;底板出现横向裂缝的空心板梁预应力度不满足使用要求，裂缝附近钢筋活载应力达到了137.2 MPa(荷载效率 0.674)，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)和《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)，钢筋疲劳应力幅值在80 MPa以内时钢筋一般不会出现疲劳断裂，据此推算该桥空心板梁在设计荷载作用下截面下缘钢筋应力超限较为严重，跨中截面纵向钢筋及预应力钢束存在疲劳断裂的可能。

3.1.3 跨中截面挠度

跨中截面挠度测试选取边梁、次边梁及靠近次边梁的空心板(共计三片空心板)布置应变测点，分析试验荷载作用下跨中截面的变形情况。测试结果表明，最大级试验荷载作用下梁体挠度校验系数满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(报批稿)中预应力混凝土桥挠度校验系数在0.6～1.0之间的要求。推算荷载效率达到1.0时，测试梁体跨中挠度均小于规范限值L/600的要求(L为桥跨长度)，结构刚度满足设计规范要求。

3.2 梁端斜裂缝测试

梁端斜裂缝测试选取部分典型斜裂缝布置应变测点，分别采用重约150 kN，200 kN，250 kN的双轴车单独进行加载，测试斜截面处箍筋应力分布情况。测试结果表明，病害最为严重的梁体在单辆150 kN车作用下，最大应变为464×10－6，竖向测点应变换算的箍筋应力60 MPa;在单辆200 kN车作用下，最大应变为616×10－6，竖向测点应变换算的箍筋应力80.8 MPa;在单辆250 kN车作用下，最大应变为814×10－6，竖向测点应变换算的箍筋应力101.8 MPa。根据计算结果，单辆250 kN车作用时，相对挂车—120级荷载其荷载效率仅为0.231，推算在设计荷载下的钢筋应力幅值严重超限。此外，从运营情况来看，该桥长期运行大量超重、超载车辆，这是该桥空心板梁端产生大量斜裂缝、部分梁体梁端箍筋断裂的主要原因。

3.3 使用状态评定结论

空心板梁承载能力及梁端斜裂缝测试分析结果表明，试验跨空心板梁跨中预应力不足，梁体正截面抗弯受力不能满足设计荷载的正常使用要求，梁端斜裂缝的产生与梁端未设封端、未加大截面引起的梁端抗剪不足及超重车辆作用有关，梁端产生斜裂缝后，箍筋应力幅值较大，箍筋存在疲劳断裂的隐患。

4 加固方案分析

1)根据荷载试验结果，跨中截面底板有横向开裂的空心板梁承载能力不足，为了保证结构和正常运营安全，在梁体粘贴两块宽40 cm，厚1 cm钢板，钢板与梁体通过灌注钢板胶以及设置锚栓连接，以提高空心板梁的承载能力，抑制底板横向裂缝的扩展。

2)根据检测的统计结果，板底支座附近裂缝大多集中在梁端1 m范围内，因此在梁端1 m范围内灌注C40混凝土进行封端，提高截面的抗剪强度，同时一并解决支座附近底板斜向开裂的问题。施工时在原腹板和底板植入短钢筋并进行充分凿毛，使得新浇筑封端混凝土与原结构较好连接，协同受力。

3)梁端1～4 m范围腹板斜裂缝分别采用下面两种方案进行加固:

方案一:腹板粘贴钢板加固，在离梁端约2.5 m位置处，开一个直径60 cm的圆孔，采用灌注法粘贴宽20 cm、厚8 mm钢板，钢板在顶板、底板梗腋以及部分顶板位置一次性弯折成型，钢板在工厂首先进行镀锌防腐处理。

方案二:腹板增大截面加固，在离梁端约2.5 m位置处，开一个直径60 cm的圆孔，采用在腔内腹板植入6 cm的φ12 mm钢筋与板梁连接，并布置钢筋网片，支立模板，浇筑C40混凝土，对腹板加厚12 cm。腹板加厚完成后，需要对桥面圆孔进行恢复。

4)底板纵向裂缝根据裂缝宽度大小进行封闭或灌注处理，提高结构的耐久性。

管养单位选取了部分桥跨采取上述四种措施进行了试验性加固，根据试验跨加固完后的荷载试验测试结果，试验桥跨承载能力及正常使用均能满足设计要求，取得了较好的加固效果，为大面积开展加固施工工作提供了有力的技术支撑。

5 结论

综上所述，空心板梁端附近截面未加强、支点处未设封端、桥面横向联系偏弱以及超重、超载车辆的长期运营是空心板梁出现上述结构性病害的主要原因。本文通过荷载试验的方法对出现病害的空心板梁进行了承载能力测试和斜裂缝受力测试，提出了明确的加固方案。加固试验跨的荷载试验结果表明，本文提出的加固措施可有效解决该桥空心板梁的结构病害，为存在类似病害的空心板梁维修加固提供经验借鉴。

[1]郭宏有，李杰.上盖板严重锈蚀对板梁承载力影响的检算与试验分析[J].铁道建筑，2011(5):43-45.

[2]贺栓海，谢仁物.公路桥梁荷载横向分布计算(第二版)[M].北京:人民交通出版社，1996.

[3]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]黄棠，王效通.结构设计原理[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[5]赵华庆，史卫滨.空心板梁底板纵向裂缝成因分析及加固对策[J].铁道建筑，2011(3):4-5.