某预应力混凝土简支空心板桥加固性能试验研究

高勇

（佛山市纵横工程检测有限公司，广东佛山528226）

装配式预应力混凝土空心板梁桥是中小跨径梁桥中普遍采用的桥型，尤其适用于桥下净空受到限制的桥梁。该桥型的预制空心板间多用混凝土小企口缝进行铰接连接，其特点是尺寸小、铰间连接钢筋薄弱、缝内无拉筋，相邻空心板通过设置铰缝实现竖向剪力的传递，达到共同受力的目的［1-2］。

随着我国社会经济高速发展，桥梁结构的荷载等级不断提高，超载车辆也与日俱增，当预应力混凝土空心板板间联结强度不足以抵抗行车荷载产生的竖向剪力时，常出现空心板间铰缝损坏，严重时出现单板受力现象，甚至导致在板底出现横向裂缝［3-4］。针对这种典型病害，本文以某预应力混凝土简支空心板桥为背景，对该桥存在的混凝土耐久性病害、主梁承载能力不足等病害进行了成因分析，并提出了处治措施。通过数值分析，并结合静载试验对该桥改造前后的承载能力进行了评定。

1 桥梁概况及病害成因分析

1.1 桥梁概况

广东某预应力混凝土空心板梁桥位于佛山市南海区境内，于1994年建成通车。该桥桥梁全长455.82 m，其跨径组合为15×30 m，双幅总宽度为26 m，桥梁横断面为0.5 m（防撞护栏）+11.0 m（机动车道）+2.0 m（中央分隔带）+11.0 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）。该桥上部结构采用30 m先张法预制预应力简支空心板，板高1.2 m，板宽1.5 m。设计荷载为：汽车-20级，挂车-100，人群：3.5 kN/m2。

1.2 病害成因分析

从历次检测结果看，该桥虽经过多次维修，但仍存在一些空心板桥梁的通病和顽疾，病害照片如图1～2所示。该桥主要存在以下典型病害：1）桥面铺装出现沿铰缝的纵向反射裂缝，局部存在坑槽；2）空心板板间铰缝底部混凝土脱落；3）铰缝位置梁板混凝土受渗水侵蚀、锈胀破损；4）空心板底板跨中附近存在横向裂缝，出现单板（单梁）受力现象。

图1 桥面铺装纵向反射裂缝

图2 铰缝底部砂浆脱落，梁体下挠

横向铰接板梁桥出现此种病害的原因是多方面的，通过计算分析以及静载试验结果来看，归纳起来主要有以下几点：

1）直接原因。在重车作用下，铰缝容易发生连续破坏，使荷载不能有效传递给相邻主梁，造成单板（梁）受力；2）根本原因。相邻空心板通过铰缝实现竖向剪力的传递，预应力混凝土空心板板间联结强度不足以抵抗行车荷载产生的竖向剪力；3）板梁反拱问题。预应力作用会使空心板产生反拱，相邻空心板的反拱值可能存在较大不同，导致空心板顶面高低不平，造成铺装层厚度不均匀，厚度偏小的部位直接影响混凝土铺装的受力；4）铰缝施工问题。铰缝的施工往往不被重视，导致铰缝混凝土振捣不密实，预留钢筋保留不全等问题，导致铰缝混凝土的施工质量严重不足，成为整座桥梁的最薄弱环节。

2 桥梁维修加固措施

针对该桥存在的混凝土耐久性病害、主梁承载能力不足等病害，确定桥梁大修措施如下：1）除现况桥面铺装，主梁顶面凿毛、清理、植筋，并涂刷新旧混凝土界面结合胶；2）更换承载力严重不足的空心板主梁；3）桥面铺装翻修为5 cm沥青铺装（SMA-13改性沥青玛蹄脂混合料5 cm、防水层及13 cm厚40无收缩混凝土层，内配双层钢筋）；4）更换现况桥梁伸缩缝为模数式-80伸缩缝；5）主梁裂缝封闭及混凝土局部破损部位采用聚合物砂浆进行修补；6）桥梁两侧40 m范围内进行道路接顺并重新施画桥梁及道路标志、标线。

3 加固前后承载能力研究

针对该桥存在的混凝土耐久性及主梁承载能力不足等病害，右幅第2跨采用更换1#、2#和3#空心板、重设铰缝及桥面补强层加固技术。该桥在大修前后各做了1次桥梁静载试验，本文根据加固前后静载试验结果以及理论计算分析，对桥梁加固前后的承载能力进行综合评估，检验维修加固的效果。

3.1 桥梁结构分析计算与加载方案

本次试验桥跨选择受力不利、缺陷较多或病害较严重的桥跨，结构独立的一联进行静载试验，根据试验前对本桥梁结构的外观检查及现场考察，选取右幅第2跨预应力混凝土空心板作为试验桥跨。依据桥梁施工图文件和《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）［5］，采用桥梁分析软件MIDAS/Civil 2012进行计算，目标荷载采用汽车-20级荷载，人群3.5 kN/m2。

表1给出了在该试验荷载作用下跨中截面的试验弯矩、试验荷载效率等参数，表中的数据表明试验荷载效率满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）［6］要求。图3给出了加固前后静载试验加载图式和等级，加固前后两次静载试验的试验荷载效率、加载图式等均相同。

表1 试验弯矩荷载效率系数表

图3 工况Ⅰ、工况Ⅱ跨中截面试验加载平面布置图（偏载）（单位：cm）

3.2 静载试验测点布置

3.2.1 挠度测点布置

依据《公路桥梁荷载试验规程》要求，并结合现场实际情况，共布置14个挠度测点，采用百分表测量，如图4所示。

图4 挠度测点布置图（单位：cm）

3.2.2 应变测点布置

本次试验跨中截面设置18个应变测点，具体位置如图5所示。

图5 应变测点布置图（单位：cm）

3.3 静载试验结果及分析

3.3.1 加固前后挠度数据结果分析

在加固前后试验荷载作用下各测点挠度实测数据（修正后）及挠度理论值比较汇总于表2。从表2可以看出，加固前实测跨中截面在试验荷载作用下A1～A4测点的试验校验系数分别为1.180、1.135、1.165和1.092，均不满足文献［6］第5.7.8条挠度测点校验系数不大于1的规定。而加固后实测跨中截面所有测点的试验校验系数均小于1，满足规范要求。

表2 加固前后实测挠度与理论计算挠度汇总 mm

加固前实测跨中截面在试验荷载作用下A1、A2测点的相对残余变位分别为0.217、0.212，不满足文献［6］中第5.7.6条相对残余挠度不大于20%的规定。而加固后实测跨中截面所有测点的相对残余挠度不大于20%的要求，满足规范要求。

图6 加固前后实测弹性挠度与理论计算挠度比较图

图6给出了加固前后满载作用下实测弹性挠度与理论计算挠度的比较曲线。加固前满载作用下，偏载侧A1～A4测点的弹性挠度值均大于理论挠度值，说明加固前1#～4#板的刚度不满足规范要求，并且实测弹性挠度与理论计算挠度曲线变化趋势不是很一致，对称性较差，说明各梁体间横向连接较差。加固后实测最大挠度均小于理论计算挠度，结构刚度满足规范要求，并且实测弹性挠度与理论计算挠度曲线变化趋势一致，各梁体间横向连接较好。

3.3.2 加固前后应变数据结果分析

跨中截面测点在加固前后试验荷载作用下应变实测数据及应变理论值比较汇于表3。

表3 加固前后实测应变与理论计算应变汇总

从表3可以看出，加固前实测跨中截面在试验荷载作用下A4～A6测点、A8测点、A10～A11测点的试验校验系数分别为1.353、3.311、2.192、1.848、1.675和1.578，均不满足文献［6］第5.7.8条应变测点校验系数不大于1的规定。而加固后实测跨中截面所有应变测点的试验校验系数均小于1，满足规范要求。加固前后实测跨中截面在试验荷载作用下所有测点的相对残余变位均满足文献［6］第5.7.6条相对残余挠度不大于20%的规定。

将加固前后满载作用下实测弹性应变与理论计算应变比较曲线绘于图7所示。从图中可见，加固前满载作用下，偏载侧A4～A6测点、A8测点、A10～A11测点的弹性应变值均大于理论应变值，说明加固前桥梁结构强度不满足规范要求，并且实测弹性应变与理论计算应变曲线变化趋势很不一致，对称性很差，说明各梁体间横向连接较差，这可能与该桥运营多年，空心板间铰缝（浅铰）开裂、桥面板开裂有关。加固后实测最大应变均小于理论计算应变，结构强度满足规范要求，并且实测弹性应变与理论计算应变曲线变化趋势一致，各梁体间横向连接较好。

图7 加固前后实测弹性应变与理论计算应变比较图

在满载作用下将加固前后跨中截面偏载侧腹板沿高度布置的应变测点实测弹性应变沿截面高度进行线性回归，从图8可以看出，由于底板存在较多横向裂缝或铰缝联结较弱，应变值偏大。在满载作用下，加固前实测应变沿1#空心板腹板截面高度不呈线性变化，线性相关系数r为0.817 5，不符合平截面假定（n=3，置信度小于90%）。更换空心板前1#空心板腹板拟合中性轴高度为110.21 cm，远远大于理论计算值61.669 cm，分析原因可能与空心板下缘开裂后中性轴上移有关。而更换空心板后1#空心板腹板实测应变沿截面高度呈线性变化，线性相关系数r为0.990 2，符合平截面假定（n=3，置信度小于90%）。1#板拟合中性轴高度为61.279 cm，这与理论理论计算值61.669 cm接近。

图8 加固前后满载作用下应变沿截面高度分布图应变沿截面高度分布图

从加固前后的试验结果可知，加固后桥梁结构的应变和挠度校验系数均有不同程度的变小，且都满足规范要求，这说明加固后的桥梁结构各项技术指标满足规范的要求，承载能力相比加固前的既有桥梁结构有显著提高。从应变和挠度的横向传递及分配来看，加固前的实测弹性应变和挠度与理论计算值的曲线变化趋势不一致，对称性较差，说明加固前各梁体间横向连接较差；加固后的实测弹性应变和挠度与理论计算值的曲线变化趋势基本一致，对称性较好，说明加固后各梁体间横向连接较好。由此可见，经大修后该桥承载能力有显著的提高，加固效果明显。

4 结论

本文以某预应力混凝土简支空心板桥为研究对象，针对该桥存在的混凝土耐久性病害、主梁承载能力不足等病害进行了成因分析，并对该桥维修加固前后承载能力进行评定，得出以下结论：

（1）针对该桥存在的既有病害提出的处治措施是可行的，显著提高了该桥的承载能力；

（2）采用更换部分空心板、重设铰缝及桥面补强层加固技术，不仅显著提高了空心板的强度、刚度，也增强了桥梁横向传力的整体性；

（3）本文提出的大修方法具有显著的社会效益和经济效益，可为存在类似典型病害的桥梁结构进行大修提供参考。