在役PC宽幅空心板破坏性试验研究及竖向预应力抗剪加固技术探讨

郑世虎 周洋 叶飞

摘要：20世纪九十年代中期，PC变截面宽幅空心板以其优越的经济性能在我国公路桥梁建设中得到广泛应用，并在浙江各市县迅速普及。然而随着桥梁运营时间的推移，PC宽幅空心板结构挖空率过大、板壁较薄、自身抗力不足等构造缺陷问题逐渐暴露出来，并造成该类空心板的病害问题日益严重。本文对金华市在役PC变截面宽幅空心板的使用现状进行了详细的调查及检测，调查结果显示该类桥梁病害情况较为严重，且具有一定的普遍性。通过空心板破坏性试验及有限元模拟，研究空心板病害及产生原因、在役空心板承载能力及结构破坏形式，为该类空心板的承载力评估及加固提供参考。

关键词：PC变截面宽幅空心板 破坏性试验 承载力 混凝土开裂 抗剪加固 竖向预应力

衣食住行，是人类社会生存与发展的基本要素。桥梁作为交通线上的重要工程实体，自古便有“山无径迹，泽无桥梁，不相往来”的说法，它是连接道路、铁路、渠道、管线，跨越天险和其他人工障碍的交通枢纽，与社会进步相辅相成，对促进经济发展和加强文化交流有着不可替代的重要作用。

从对天生桥的利用到人工造桥，这是一个历史的飞跃过程。然而随着时间的推移，人们越来越多的关注到一个新的问题：桥梁结构病害。我国正处于新建桥梁与桥梁维修的过度期，橋梁加固技术的研究已成为现阶段的重要课题，如何有效的对病害桥梁进行评定，准确的对桥梁承载力进行估算更显得尤为重要。

1.PC变截面宽幅空心板桥简介

预应力空心板具有结构形式简单，截面效率高，整体性能好，截面抗扭刚度大等特点。较大的顶、底板混凝土面积可以有效承受正负弯矩，良好的传力性能使空心板的各部件可以共同工作，有效增加了构件的抗扭能力，能够获得较好的荷载横向分布，同时，空心板便于标准化生产，适于布置预应力管线，适合悬臂施工法、推顶法等现代化施工法。基于这些优点，空心板在桥梁建设中的应用非常广泛。PC变截面宽幅空心板结构是上世纪90年代中期新兴的一种结构，其雏形是1993年在京石高速公路设计中提出的预应力混凝土箱型板，但由于技术问题未被采用。

与普通空心板梁相比，变截面宽幅空心板的梁高较低，可以节约空间，有效增大桥梁净空。宽幅空心板板壁较薄，挖空率大， 自重相对较轻，经济性能好。同时，由于板宽较大，在运输、安装、维修等方面效率也相应提高，相对于普通1m宽空心板综合造价可降低10%以上。基于以上优势，宽幅空心板在我国一些高等级公路建设中，尤其是平原以及桥梁净空受限制的地区被普遍采用。

2.宽幅空心板病害解剖试验及病害机理分析

2.1白洋渡公跨铁立交桥工程概况

白洋渡公跨铁立交桥位于44省道上茭道至松阳二级公路上，跨越金温铁路。桥梁全长603.88m，上跨铁路部分为1孔20m预应力混凝土空心板结构，其余均为石拱桥结构。该桥设计荷载为汽-20，挂-100，工程于1994年3月开工，1995年6月竣工。桥梁标准横断面布置为：0.45m（石栏杆）+1.2m（人行道）+0.35m（波形护栏）+14.0m（行车道）+0.35（波形护栏）+1.2m（人行道）+0.45m（石栏杆），总宽18.0m。上跨铁路的主桥横桥向共12块空心板梁，桥面净宽为14.0m。桥面横坡为双向1.5%。

2.2白洋渡公跨铁立交桥病害成因分析

（1）桥面纵、横向裂缝

预制空心板梁桥的铰缝处受力复杂且比较薄弱，最容易受到破坏和侵蚀。铰缝处产生纵向裂缝主要有以下几个方面的原因：梁板铰缝尺寸较小，横向联结薄弱，以及车辆频繁超载，导致铰缝被剪坏，加上桥面铺装与大气层直接接触，气温的变化和雨水的渗入，进一步加速了裂缝的发展。纵向裂缝的存在降低了梁板的整体受力性能，进一步加快了空心板跨中附近出现横向裂缝的速度。

（2）底板纵向裂缝

鉴于空心板纵向裂缝较多的现象，近年来很多学者对纵向裂缝的产生原因做了细致研究，邵旭东等人通过有限元理论计算与实桥荷载试验对比得出空心板由于板壁较薄，板间刚度低，横向钢筋布置较少，横向抗力较小等原因造成空心板畸变应力偏大，引起板底纵向开裂的结论；

3.宽幅空心板抗弯破坏性试验研究与模拟分析

3.1加载装置设计

破坏性试验采用千斤顶、枕木、工字钢、传感器、钢绞线和地锚装置等构成加载体系，通过地锚装置将千斤顶产生的压力以反力的形式施加给纵向工字钢，并通过枕木用于空心板结构。

试验前对空心板的原有裂缝进行标记，绘制原始裂缝图，详细标明裂缝长度、宽度及坐标等。

3.2空心板抗弯承载力分析

（1）抗弯承载力试验结果

结构加载至520kN时，空心板跨中附近出现数条宽度大于3mm的裂缝，并形成多条贯通腹板的倒U形裂缝，且有混凝土压碎现象，最终宣布结构破坏。以此为依据判断现场加载试验得到的空心板极限抗弯承载力为2666kN·m。

（2）抗弯承载力ANSYS模拟结果

通过ANSYS模拟分析，PC变截面宽幅空心板施加的极限荷载为488kN，同时考虑自重产生的弯矩为482kN·m，则极限抗弯承载力为2556 kN·m。

4.结论

本文基于PC变截面宽幅空心板解剖试验与单板破坏性试验的试验结果，结合ANSYS软件缺陷性建模分析，系统分析了金华市白洋渡公跨铁立交桥的病害情况，通过对比单板破坏性加载试验结果与软件模拟得到的数据，研究了病害宽幅空心板的承载能力。针对宽幅空心板抗剪承载力不足的状况，提出施加体外竖向预应力的抗剪加固方法，并通过试验、规范计算、ANSYS模拟等方法进行了加固效果评定。对于PC变截面宽幅空心板，本文所做研究具有一定的通用性，可以为今后的设计及加固工作提供参考。研究成果如下：

（1）本文通过对白洋渡公跨铁立交桥部分宽幅空心板进行解剖试验，证明该类空心板存在波纹管下灌浆不密实、波纹管灌浆不饱满、波纹管保护层厚度为3.6mm小于规范4mm的限值等缺陷，同时通过对金华市所有在役宽幅空心板桥梁的病害调查，证明该类桥梁的病害类型较为相似，病害情况具有普遍性，。

（2）本文所采用缺陷建模方法对模拟破坏性抗弯试验较为准确，模拟结果与现场试验较为接近。对比分析表明，试验宽幅空心板存在较多微裂缝，导致试验空心板初始刚度较低，约为ANSYS模拟结果的82.8%。但刚度退化分析显示，试验空心板的刚度退化速度较慢，现场试验与软件模拟得到的空心板后期刚度较为接近。抗弯承载力的试验值与软件模拟值均大于按照规范计算的结果，试验结果与按照规范计算结果相比有9.8%的富裕度。

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