铰缝失效先张法空心板桥梁上部结构检测评定

曾召军

(洞口县公路建设养护中心， 湖南 洞口 422300)

桥梁在运营期间常出现铰缝失效、桥面沉陷、材料老化、砼脱落等问题，其中铰缝失效尤为严重。空心板梁铰缝失效会造成桥梁使用性能衰减，影响桥梁的横向受力性能，甚至出现单板受力情况。许多学者通过外观检测和荷载试验对铰缝失效机理、原因和防治措施进行了研究，如梁巍等通过桥梁受力损伤分析，对桥梁铰缝损坏原因进行了论述，并提出了预防措施；张萍分析了公路桥梁铰缝失效的机理及危害，并对铰缝自密实膨胀砼的施工及质量控制进行了探讨；路飞研究了不封闭交通情况下板式桥梁铰缝加固维修技术；吴居涛等建立三维有限元模型，对空心板铰缝受力及损伤进行了分析。该文以某特大桥北引桥为工程背景，根据铰缝损伤位置、大小和形状评定其技术状况及承载能力。

1 工程概况

某特大桥北引桥于1993年竣工通车，共52跨，总长825.44 m。上部结构为先张法预应力砼空心板梁，下部结构为明挖扩大基础和钻孔灌注桩。该引桥纵坡0.4%，桥台附近为0.2%。桥梁立面见图1，横断面布置见图2。

图1 桥梁立面图

图2 北引桥横断面布置(单位：m)

2 桥梁检测结果与分析

按照CJJ 99—2017《城市桥梁养护技术标准》对该桥北引桥上部结构进行检测评定。

2.1 主梁检测结果与分析

该引桥上部承重构件空心板梁病害检测结果见图3。全桥共1 040片主梁空心板，其中111片空心板存在不同程度的纵向裂缝、锈胀露筋、砼破损及板内积水等病害，大部分纵向裂缝和锈胀露筋病害发生在底板。板底和腹板的砼破损、锈胀露筋共54处，最大锈胀面积接近空心板面积的3/4；板底纵向贯通缝和纵向裂缝共51处，最大纵向裂缝宽度达0.32 mm。

图3 主梁病害统计

该桥建成通车已有27年，在重载交通、温度、砼收缩徐变和雨水、阳光等作用下，空心板梁出现砼破损，经雨水冲刷和荷载作用，破损位置出现锈胀露筋，破损面积增大(见图4)；空心板底板等处产生大量新裂缝，已有裂缝得到发展，形成贯通缝(见图5)。这些病害导致桥梁结构的稳定性变差、安全性不足，严重威胁车辆、行人安全。

图4 梁底破损露筋

图5 主梁空心板纵向裂缝

2.2 铰缝检测结果与分析

铰缝的主要病害见图6。全桥共988条铰缝，其中271条铰缝存在渗水现象，339条铰缝处的桥面铺装存在不同程度的纵向裂缝，且少数裂缝较宽或形成贯通缝，局部砼破损，渗水严重。

图6 铰缝病害统计

该桥上部结构病害为典型的空心板梁桥铰缝病害。根据检测结果、现场实地观察及受力分析，空心板铰缝失效主要归因于车辆荷载的作用、预制空心板砼与铰缝砼之间的龄期差、桥面铺装层砼开裂及铰缝处砼损伤积累。

(1) 车辆荷载作用。车辆荷载作用下，桥面系砼和铰缝共同传递荷载至空心板梁，并进行剪力、弯矩分配。桥梁运营期间，交通量大，车辆超载现象严重，空心板梁铰缝加速破损，桥梁变形增大，空心板梁的挠度增大。加上大型车辆及重载车辆大多靠右行驶(该处铰缝受力见图7)，车辆通过时相邻板梁(如1号与2号、n-1号与n号空心板梁)形成上下错位，通过后又恢复原状，造成铰缝开裂、失效、渗水等，削弱了上部结构的整体受力和变形效应，桥梁的整体刚度、强度和耐久性下降。

图7 铰缝受力简图

(2) 预制空心板砼与铰缝砼的龄期差。铰缝砼在预制空心板安装好后才进行浇筑，预制空心板梁砼与铰缝砼之间存在龄期差，交接界面较薄弱。一旦承受荷载作用，极易产生新裂缝，砼原有的微裂缝将扩展和延伸，导致铰缝渗水(见图8)。同时板梁和铰缝间会产生砼收缩徐变引起的应力破坏，进一步导致铰缝失效，丧失传递剪力和弯矩的能力。

图8 板梁与铰缝界面处渗水

(3) 桥面铺装层砼开裂。如图9、图10所示，该引桥桥面铺装存在不同程度的破损。桥面铺装表层砼开裂破损，雨水将沿裂缝下渗到预制空心板梁、铰缝处，造成梁底渗水皙白等。同时，早期修建的空心板梁桥的桥面铺装结构仅作为面层使用，其承载能力较弱，刚度和强度较低，重载作用下极易开裂。长此以往，桥梁的使用寿命缩短，结构安全性降低，行车舒适性也大打折扣。

图9 铰缝处桥面裂缝及破损

图10 铰缝处桥面裂缝

(4) 损伤积累。随着桥梁的运营，铰缝处砼的病害发展、损伤累积，最终导致铰缝失效，空心板处于单板受力状态。由于内力不能进行有效的横向分配，单片板梁承受的内力将显著增加，在承载能力不变的情况下，内力增加导致承载能力下降甚至不足，在外部环境的耦合作用下引起桥梁其他结构性病害。

2.3 上部结构各构件评分

该引桥上部结构各构件评分见表1。计算得主梁的综合得分为36.42，横向联系的综合得分为44.08。根据CJJ 99—2017，上部结构权重为0.4，计算得该引桥上部结构技术状况评分为32.2，评定等级为E级，不合格。

表1 上部结构各构件的评分

3 铰缝处理措施

为保证行车舒适性、安全性，延长桥梁的使用寿命，应对该桥进行交通管制，避免重车通行，同时进行维修加固。主要措施如下：

(1) 对空心板底板、腹板处砼破损、锈胀露筋等进行修补；更换裂缝较宽和砼损伤较严重的梁，重新设置铰缝，做好防水，加强相邻空心板梁的横向联系，提高铰缝的承载能力。

(2) 对空心板梁裂缝破损较轻处进行修补；对铰缝损伤较轻处进行灌缝处理，处理前清理破损处，清除易松动的砼。

(3) 对破损严重的铰缝，在铰缝底部采用钢板加固，增强板梁间的横向联系，使铰缝具有足够的承载能力来抵抗剪力和弯矩。

(4) 加固桥面铺装。对于破损严重的位置，重新施作桥面铺装结构；对于破损不太严重的位置，进行修复加固。同时提高桥面铺装结构的承载能力和刚度，增强新旧砼的黏结，加强板间横向联系，提高其防水抗渗能力。

(5) 对桥面排水结构进行排查，对损坏位置进行修复及更换，确保雨水等顺利排出，减轻桥面铺装压力。

(6) 严格把关每一道施工工序和每一处施工材料，降低人为因素和材料的影响，提高施工质量。

4 结论

(1) 该桥北引桥共1 040片空心板，其中111片空心板存在纵向裂缝、锈胀露筋、破损及梁内积水等病害；全桥共988条铰缝，其中271条铰缝存在渗水现象；桥面铺装存在不同程度纵向裂缝，且少数裂缝较宽，局部砼破损，铰缝渗水严重。根据检测结果，该桥北引桥上部结构的技术状况指数为32.2，评定为E级，不合格。

(2) 空心板铰缝失效的主要原因为车辆荷载的作用、预制空心板砼与铰缝砼之间的龄期差、桥面铺装层砼开裂及铰缝处砼损伤积累。

(3) 对铰缝病害的处理措施主要是加强空心板梁之间的横向联系及空心板梁与铰缝之间的黏结能力，提高铰缝自身承载能力、桥面铺装系统的强度和耐久性及桥梁整体排水抗渗性能。