上海地区板梁桥铰缝损伤成因与维修对策研究

段昕智

（上海市市政规划设计研究院有限公司，上海市 200031）

0 引言

铰缝是预制板梁桥上部结构的重要结合部，承担着板梁间传递内力并约束位移的关键作用，但其也是预制板梁桥的薄弱部位，实际工程中绝大多数板梁间铰缝都出现了不同程度的病害，直接影响结构的整体受力性能。本文针对上海地区预制板梁桥铰缝病害特点，综合分析其病害成因，再对典型铰缝维修对策进行研究，最后以实际工程为例，评价典型铰缝维修对策的修复效果。

1 上海地区板梁桥铰缝病害特点

上海市城市桥梁技术状况分析报告[1-2]表明，近年来，全市桥梁上部结构横向联系的损坏比例呈上升趋势，至2015年，全市共有18.6%的桥梁出现不同程度的横向联系病害，且达到较高损坏等级[3]的比例超过8%。

根据上海地区多年桥梁普查经验，空心板梁铰缝病害主要有以下特点：

（1）铰缝损伤多发生于小跨径空心板梁桥。

（2）铰缝损伤一般分布在重车轮迹带附近。

（3）铰缝一旦发生损伤，其裂缝将向钢筋混凝土调平层、沥青混凝土铺装层反射，在桥面铺装内产生纵向裂缝，伴随降雨渗入，沥青混凝土铺装层将产生松散、坑洞等病害，并在铰缝底部留下明显的渗水和析白痕迹[4]，见图1。

（4）铰缝损伤造成桥梁上部结构整体性下降，车辆通过时相邻板梁间产生相对变形。如养护维修不及时，出现单板受力的情况，导致相邻板梁间形成永久性错台，并最终发生结构破坏。

2 铰缝损伤成因分析

2.1 构造设计

在上海地区，多数空心板梁桥建造时间较早，板梁间采用浅铰接形式，即“小铰缝”，见图2。其结构尺寸较小、配筋较少，造成相邻板梁间横向联系较弱。小跨径板梁桥因梁高降低，铰缝尺寸进一步减小，活载下铰缝受力更为不利。

图2 浅铰接板梁铰缝图示（单位：mm）

2.2 计算假定

铰接板梁桥在计算分析时，假定板梁间的横向联系为理想的“铰”，即铰缝仅传递竖向剪力。然而空心板梁桥普遍出现铰缝破坏病害的现状表明，竖向车辆荷载作用时铰缝不单传递剪力，同时还承受横向弯矩，且拉剪或压剪等受力状态伴随发生，铰缝的理论受力模式与实际情况存在明显差别。计算假定的偏差可能导致部分铰缝底缘横向拉应力超过设计强度，造成铰缝处产生纵向裂缝并出现单板受力现象[5]。

2.3 施工质量控制

（1）混凝土铺装层局部厚度不足

在铰接板梁桥的设计中，通常将混凝土铺装层作为桥梁上部结构的一部分参与整体受力，因此该混凝土层必须满足设计厚度的要求，但由于实际施工过程中对该层厚度的质量控制不到位，特别是当设置桥面超高或预拱度时，可能出现部分铰缝上方混凝土铺装层局部厚度不足的情况，导致该位置铰缝易发生损伤。

（2）铰缝界面处理不当

实际调查中发现，相当一部分空心板梁桥铰缝在施工过程中，未对后浇区域侧面进行凿毛、清理和洒水保湿等必要工序，造成新老混凝土间的粘结性能较差，降低铰缝界面的耐久性。

（3）铰缝混凝土成型质量差

实际施工过程中，铰缝混凝土可能出现振捣不密实，养护条件不足等问题，导致其成型质量较差，运营期病害较多，“小铰缝”构造尤为严重。

2.4 运营管理

（1）重车渠化

行车道的划分使车辆行驶轨迹具有规律性，其中重型货车一般行驶在外侧车道，导致板梁横断面上各铰缝受力不均，外侧车道区域对应的铰缝结构所承受的荷载效应最大，在重车荷载反复作用下易产生疲劳破坏。由于活载占比较大，小跨径板梁桥铰缝病害更为普遍。

（2）超载

桥梁结构上通行超载车辆的现象时有发生，一旦超载产生的荷载效应超过设计强度储备，板梁铰缝即发生损坏，即使超载幅度不大，在冲击效应和疲劳作用下铰缝损坏的概率也大大增加。

2.5 材料特性

新老混凝土的收缩差异造成其结合面之间的粘结强度较低，直接制约铰缝结构的抗剪能力，铰缝损伤往往是铰缝混凝土与板梁结构之间的界面破坏而非铰缝混凝土自身破坏。

3 铰缝维修对策

对于发生病害的空心板梁桥铰缝结构，应结合其损伤程度和工程特点选择合理有效的维修加固对策。工程技术人员通过大量尝试，总结出典型的铰缝维修对策有锚固连接钢板法、体外预应力加固法、铺装结构加强处理法和梁底灌浆加固法等。

3.1 技术原理

锚固连接钢板法是通过与板梁完好锚固的钢板辅助或替代受损铰缝传力，保证上部结构的整体性，弥补铰缝构造的固有缺陷。体外预应力加固法的原理是通过施加横向预应力削弱铰缝内拉应力峰值，并封闭裂缝、减小活载下变形，增强梁间横向联系，改善上部结构的整体性能。

铺装结构加强处理法是在更换损坏铰缝的基础上，通过补强混凝土铺装层来改善新铰缝的受力状况，同时加强板梁间的横向联系，以恢复板梁桥上部结构的整体性。具体做法为在不改变桥面标高的前提下，增加混凝土铺装层厚度并加设双层钢筋网片，重新植筋加强铰缝与混凝土铺装层连接，浇筑新铰缝并保证成型质量。

梁底灌浆加固法是将铰缝设计为一个密闭空腔，采用专用注浆泵将环氧树脂、聚氨酯等化学灌浆料从板梁底部灌入，并填充整个空腔，通过灌浆料恢复两侧混凝土之间的粘结，进而恢复桥梁结构的整体性。

3.2 综合对比

结合实际工程经验，对上述铰缝维修对策的优缺点进行了梳理，见表1。

表1 铰缝维修对策综合对比

锚固连接钢板法和体外预应力加固法适用于需要保障交通正常通行的维修工程，但在实际使用中两者均存在一些弊端：对于锚固连接钢板法，由于活载、环境等因素，钢板与结构间易出现脱空而降低加固效果；对于体外预应力加固法，张拉施工时锚固区应力复杂，需局部加强，且整套工艺也较为繁琐。学者[6]还提出了一些类似的改进方法，如Π型钢板加固法、增设双肢槽钢加固法和增设矩形钢管加固法等，但以上施加外部措施的方法都难以避免的会损伤板梁的内部结构。

铺装结构加强处理法适用于板梁铰缝破坏较为严重的情况，通过多重加固确保板梁间的横向联系，但施工工序较多，维修范围较大，需要长时间封闭交通。

梁底灌浆加固法可在不中断交通的情况下完成施工，特别适用于大型城市交通繁忙或重要路段的维修工程，且施工简便，不损伤板梁结构。但该项技术在国内还不成熟，在灌浆材料性能、施工质量控制等方面仍有待深入探究，尤其是车辆引起的结构振动对灌浆修复效果的影响尚需试验和实例验证。

对于上海这种特大型城市的桥梁结构维修工程，应遵循尽可能减少对交通的影响和尽可能避免损伤原有结构的原则，因此，近年来梁底灌浆加固法逐步得到推广应用，后文将通过实际工程来评估其应用效果。另一方面，对于铰缝损坏较为严重的板梁结构，为延长运营年限，工程上仍会采用铺装结构加强处理法并通过早强材料缩短封交时间，其应用效果也将在后文进行验证。

4 维修效果后评估

如前所述，针对上海地区预制空心板梁结构的桥梁铰缝损坏问题，工程上目前较为常用的是铺装结构加固处理法和梁底灌浆加固法。为考察上述两种铰缝维修对策的修复效果，分别选取典型工程进行检测评估。

4.1 加固工程简介

采用铺装结构加固处理法的典型工程A为上海某一级公路简支空心梁桥，跨径8 m，加固前板梁间铰缝严重损坏，存在单梁受力隐患，桥面铺装局部混凝土破损严重，钢筋外露锈蚀，桥面积水，桥面沥青铺装出现老化。加固时间为2012年底，加固范围为3#～8#铰缝。

采用梁底灌浆加固法的典型工程B为上海某高速公路简支空心板梁桥，跨径22 m，加固前相邻底板跨中高差达2～5 cm，铰缝下方渗水明显，桥面铺装出现贯通的纵向裂缝。加固时间为2011底，加固范围为6#～11#铰缝，加固过程中未影响桥面交通。

4.2 评估方法

已有不少学者[7-9]提出了针对板梁铰缝损伤程度的评估方法，为避免影响交通，本文采用文献[7]提出的方法，该方法可操作性较好，近年来在上海地区应用较多。

如图3所示，选取早高峰时段桥跨跨中位置相邻空心板梁间的相对位移为测量对象，获得实际交通流量下铰缝结构的工作状况。

图3 现场检测照片

根据文献[7]的研究成果，分别得到两个工程的铰缝结构损伤程度判定见表2。

表2 铰缝结构损伤程度判定表

4.3 检测结果与评估结论

对工程A和工程B，检测期内采集到的加固范围内各相邻板梁间的跨中相对位移最大值如图2所示。对工程A，3#～8#铰缝对应的相邻板梁间跨中相对位移实测值分别为0.07 mm、0.01 mm、0.04 mm、0.08 mm、0.07 mm和0.02 mm，远小于0.11 mm，表明经铺装结构加固处理法加固后使用至今，所有铰缝结构完好。对工程B，6#～11#铰缝对应的相邻板梁间跨中相对位移实测值分别为0.05 mm、0.54 mm、0.07 mm、0.01 mm和0.07 mm，表明经梁底灌浆加固法加固后使用至今，7#铰缝及桥面铺装共同组成的传力结构再次损坏，但仍能传递剪力，其余铰缝结构完好。另经外观检查，仅发现工程B的7#铰缝对应的桥面铺装存在车辙病害，也印证了上述检测结果。

两工程加固至今均超过5 a，故本次后评估结果能够代表两种维修对策的长期应用效果，具体结论如下：

（1）对于铰缝损坏严重的情况，采用铺装结构加强处理法，能够有效修复板梁结构的横向传力体系。

（2）对于交通繁忙的高速公路路段，采用不中断交通的梁底灌浆加固法，个别铰缝位置不能得到彻底修复，可能的原因是车辆振动等因素对灌浆材料的固化过程造成不利影响，降低了修复效果。

因此，为进一步推广应用铰缝维修对策新技术，建议对梁底灌浆加固法从两个方面进行改进，一是优化灌浆材料，提高其对高温、潮湿和车辆振动等不利条件的适应能力，二是进一步做好施工质量控制，严格遵守工艺要求，确保灌浆材料的成型质量，尽可能规避不利因素影响。

5 结语

本文首先根据桥梁普查资料，给出了上海地区空心板梁铰缝的病害特点，并从构造设计、计算假定、施工质量控制、运营管理和材料特性等方面对病害成因进行了较为全面的分析。然后系统梳理了典型铰缝维修对策的技术原理和优缺点，指出不中断交通的梁底灌浆加固法更加适用于上海地区。最后，通过实际加固工程，对上海地区常用铰缝维修对策进行了应用效果评估，结果表明，铺装结构加强处理法修复效果较好，而梁底灌浆加固法的效果易受到外界干扰，建议从灌浆材料和施工质量控制等方面进行优化。