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摘要：新旧规范设计的空心板梁桥由于重载交通、设计施工等因素造成铰缝损坏、失效，以致于多块板整体受力变为单板受力。针对这一问题，工程界提出并实施了多种加固铰缝的措施以提高板的整体受力和刚度。本文就加固铰缝的各种措施予以汇总、阐述，以此比较了各种加固措施的效果，提出处治铰缝失效问题的最优方式，以便设计施工提供参考。 关键词：单板受力,加固铰缝,加固措施,最优方式 0 引言 装配式空心板梁桥的截面形式包括整体实心矩形板、装配式空心板、异形板其截面形式的多样化，使得其在我国取得广泛的应用[1]。对于高速公路、城市道路等部分桥梁(主要采用装配式钢筋混凝土、预应力混凝土空心板梁桥)，其横向采用企口缝铰接、键槽联结的形式[2]。近年来由于道路的交通量尤其是超限超载车辆迅猛增加，桥面钢筋混凝土铺装层结构薄弱、早期通车的公路桥梁设计与现在新建桥梁设计思路不同、桥面钢筋混凝土铺装层的施工缺陷等原因，最终造成桥面和板缝间病害。桥面病害表现为，沥青混凝土面层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于面层中水泥混凝土和沥青混凝土粘结力变差，水平抗剪能力减弱，致使产生水平向相对滑移、拥抱现象。因温度变化伴随梁板大挠度而产生裂隙，面层在车辆荷载或渗水情况下产生塌陷、裂缝及坑槽。板缝间病害变现为，梁板间企口缝塌陷、破碎，板间横向传递失效，出现单块板参与受力现象。空心板受到的荷载大于设计值，其下缘被拉裂。面层破损后，梁板直接受到汽车荷载冲击，板上缘部位混凝土被碾碎。严重削弱了空心板梁桥的横向整体性与刚度，影响了行车安全[3-7]。 由此，研究桥面和板缝间病害，并对其各种加固措施进行探讨，提出较为简便的、可根治的、最优的加固措施，可为设计、施工建设提供一定的参考价值。 1 加固措施简介 从施工的角度来看，目前提高空心板梁桥横向整体性与刚度的方法有以下几种： 1、增加铰缝钢筋，重做铺装层; 2、灌浆加固法; 3、粘贴如钢板、玻璃钢、碳纤维等加固材料; 4、在板底沿企口缝纵向加π型钢; 5、沿梁板下缘方向施加横向预应力; 6、沿板的顶部(铺装层)和底部施加双向预应力钢筋 预制阶段施加横向预应力钢束，解决后期铰缝损坏问题的方法： 国外研究(日本等)和实践结果发现，通过改良空心板截面形式，做成带剪力键的凹凸形式，并且在关键截面预制或现浇横隔板，拼装时各块板并列相互嵌套，之后，在有横隔板的位置横向施加双向预应力钢束。 2 各种加固措施实施方法及机理 以下介绍7中加固措施的实施方法及机理： 2.1 增加铰缝钢筋，重做铺装层 增加铰缝钢筋，重做铺装层的加固机理为：以重做铺装层，加强横向联系，以保持与原桥起初的横向整体工作性[5];由于铰缝传力机理不明确，且存在新老 混凝土粘结等问题，往往仅能从构造上保证铰缝的可靠性。即便在铰缝中加入一些普通钢筋，也仅仅是对铰缝内的混凝土进行了加强，铰缝仍可以从新老混凝土的粘结处首先发生破坏，最终导致其传力失效，使空心板梁桥运营时的受力和设 计时的假定受力不一致。这种加固方式等于复原新桥铺装层模样仅于铺装层多铺了加强钢筋，对于重载交通和长期的疲劳状况，铰缝问题仍然得不到彻底根治。 2.2 灌浆加固法 灌浆加固法是利用压力设备将胶结材料压入混凝土裂缝中，胶结材料经过凝结、硬化后与混凝土形成整体，从而达到封堵加固的目的。常用的灌浆加固法包括水泥灌浆加固法和化学灌浆加固法。当裂缝宽度大于0.15 mm时常采用水泥灌浆加固法，裂缝宽度小于 0.15 mm 时常采用化学灌浆加固法。其中，化学灌浆加固法具有粘度低、可灌性好、收缩小以及粘结强度高，恢复效果好等优点而被广泛应用于各种情况下的裂缝修补及堵漏防渗处理。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯等化学材料。该法施工工艺简单，施工周期短，经济效益高，且对板梁结构基本不造成损伤，在施工过程中对交通无影响，因此可以作为空心板梁铰缝。 2.3 粘贴如钢板、玻璃钢、碳纤维等加固材料 约束铰缝之间裂缝开展，提高了横向抗弯、抗扭刚度，减小构件挠度，间接增强承载能力，提高板间横向协作性和横向刚度[3]; 刘小燕等[8] CFRP加固斜交板试验表明，用CFRP 加固桥梁不仅改善了桥梁的承载力,在梁的刚度方面也有一定的作用,由于预先修补了裂缝,加上碳纤维的约束作用, 使梁的刚度得到改善。 李松辉等[9]CFRP加固斜交板试验表明粘贴碳纤维布可有效抑制已有裂缝在荷载作用下的再扩展.试验桥在无车辆荷载时,不可恢复的裂缝宽度为1.0mm在相同的试验荷载作用下, 加固前,最大裂缝宽度增量为0.14mm, 加固后,裂缝宽度几乎没有变化, 由此可见, 碳纤维布对已有裂缝的抑制效果是相当明显的;粘贴碳纤维布引起了荷载横向分布规律的变化,提高了上部结构整体受力的能力; 对变截面桥梁进行加固设计时,宜先粘贴纵向纤维布,再粘贴横向纤维布,以增强碳纤维布沿变截面方向的抗剥离能力。 刘其伟等[10] 研究表明：粘贴钢板加固法是采用粘结剂和锚栓将钢板粘贴锚固于混凝土结构受拉面或其它薄弱部位，使钢板与待加固的混凝土结构形成整体，以达到提高结构承载能力与耐久性的目的。 该法具有不改变原结构尺寸、对交通影响小、技术可靠、短期加固效果好且工艺成熟等优点，但也存在不可避免的缺陷： (1) 短期内钢板粘结牢固，通过粘钢胶与板梁共同受力，但在汽车荷载的长期作用下，钢板两侧板梁发生竖向变位，极易引起钢板错动而造成钢板的剪切破坏或锚固失效而脱落，若铰缝伴有渗漏水现象，钢板的剥离脱落速度将更快; (2) 在铰缝底部粘贴钢板会使得板梁桥局部横向刚度增加，因此加固后的铰缝传递横向弯矩的能力增加，从而会导致板梁新的底板纵向裂缝的出现或原有纵向裂缝病害的加剧; (3) 为了加强钢板与板梁的连接，必须在板梁底板钻孔，会对板梁造成损伤; (4) 钢板在受力过程中存在着应力滞后现象，因为桥梁加固通常是在不卸载的情况进行，原结构已存在一定应力，而所粘贴的钢板仅在加荷载后才产生应力，因此当原结构钢筋屈服时钢板往往未屈服，而当钢板屈服时梁的挠度及裂缝迅速发展; (5) 钢板两侧锚固结点处理困难、钢板防腐成本高、施工工艺较为复杂; 其中粘贴钢板和玻璃钢材料，这两者加固效果几乎一致。 粘贴CFRP碳纤维布、粘贴钢板的实桥应用范例。 2.4 在板底沿企口缝纵向加π型钢层 浙江省金华市某空心板桥，上部为13孔20m装配式预应力混凝土简支变截面空心板梁，综合评定该桥桥梁技术状况为四类危桥，利用钢板和π型钢进行加固比较。为了充分比较粘贴钢板加固与∏形钢加固的使用效果，两加固方法取相同体积、相同厚度的钢板，模型2采用粘贴钢板加固，钢板横截面尺寸为：100×0.8cm，模型3采用∏形钢加固，∏形刚肋板高取30cm，钢板厚取0.8cm。 在相同的汽车荷载作用下，∏形钢加固后主梁挠度、主拉应力所改善，粘贴钢板加固后主梁挠度、主拉应力也有所改善，但是∏形钢加固后，但∏形钢加固效果明显高于粘贴钢板加固。模型3的各项加固降低率均大于模型2的加固降低率，模型3的最大竖向挠度降低率15.22%明显大于模型2的最大竖向挠度降低率13.04%，这说明∏形钢加固提高梁的刚度较好于粘贴钢板加固，其原因是∏形钢利用自身的截面形式能较大增大梁的截面惯性矩，约束铰缝之间裂缝开展，提高了横向抗弯、抗扭刚度，减小构件挠度，间接增强承载能力，提高板间横向协作性和横向刚度。π型钢加固样式及效果。 2.5 沿梁板下缘方向施加横向预应力层 预应力钢束在板底上缘横穿各个梁板，使得各个板间受压力一致。根本上减弱了应力集中，抵消了铰缝间不大的横向弯矩。同时，板与板之间由铰接缝变为刚板梁连接，变单一的缝间传递剪力变为既传递剪力有传递横向弯矩。由此，提高了整体空心板梁桥的横向整体性和刚度。使得各个板能有效的相互协作，共同承担外部荷载。所以，同时也提高了桥梁的整体承载能力[3、6]。 施加横向预应力的大小对装配式预应力混凝土空心板桥的加固效果影响不大, 所以, 只要满足桥梁设计规范的规定, 实际的横向张拉力在大于钢绞线标准强度的 40%范围内取某一经济的吨位, 就能对装配式预应力混凝土空心板桥进行有效加固。其方式如图6所示。 2.6 沿板的顶部(铺装层)和底部施加双向预应力钢筋层 分别对称布置于空心板的顶底面。所有预应力钢束均采用新增设的锚固混凝土锚固 于边板外侧面。加固施工基本过程是先处置裂缝，再安装浇筑端部锚固件，最后完成预应力束安装和张拉。具体施工顺序如下： 1.处理蜂窝、麻面、空洞、掉块、露筋等缺陷; 2.在板底下表面黏贴碳纤维布; 3. 安装浇筑端部锚固件;4. 将固定预应力的钢筋箍按设计位置进行固定; 5. 清理空心板间铰缝; 6.利用行车少的时段采用注浆法修复铰缝; 7.在桥面铺装横向预应力束对应截面刻槽，将梁底横向预应力束对应位置凿毛; 8.安装并张拉横向预应力筋，用早强型混凝土封闭桥面预应力筋。设置构造钢筋网，用锚喷混凝土封闭梁底预应力筋。 9.铺设沥青铺装。 机理：施加双向横向预应力钢束，既可以实现单向施加横向预应力的加固效果，又可以抵消由于单向预应力的施加所产生的反向弯矩，避免了顶板受拉现象。从而使得铰缝耐久性提高，铰接变位刚接，板的整体受力性能和整体刚度可以彻底改善。从承载力和横向分布性能方面来讲，施加双向预应力钢束加固措施可以从根本上治理铰缝损坏问题。某空心板桥梁，施加双向预应力加固图，如图7~8所示。 2.7 预制阶段的根治措施 早在20世纪70年代，采用横向预应力的空心板结构形式就在英国出现，其断面如图9所示。这种形式的空心板梁在当时的主要适用跨径为12~36m，但当时的横向预应力及现浇混凝土的现场施工问题无疑给这种形式的推广带来一定的阻碍。 这种横向连接方式的真正流行是在日本。日本的空心板梁桥均设有端横隔板和中横隔板，并在横隔板中穿上预应力钢束以加强横向整体性。横向预加力的数量很大，横向总预加力约为165kN/m。施工方法为架设预制板—连接各片梁的预应力管道—穿预应力钢束—灌注接缝间的 现浇混凝土—张拉横向预应力—桥面铺装，图4所示为日本典型的空心板 梁桥形式。可以发现，若横向接缝混凝土不发生开裂，则这种形式的空心板桥更接近于一块整板，可认为这种连接为横向整体式连接。 韩国和美国在参照日本空心板的基础上，分别对本国的空心板梁桥进行了改进，均在原有基础上增加了横隔板和横向预应力。美国的AASHTOLRFD桥梁设计规范和加拿大规范已经对这种形式的空心板作了一些规定，如最小接缝深度不小于175mm，并推荐在减去预应力损失后，预制板的侧向应力为1.7MPa，但没有对预应力的作用范围给出规定。 根据国外经验，本文改进标准图中空心板的设计方案，采取施加横隔板的形式，以便于改进设计与施工，从根源上避免铰缝在重载交通等情况下失效。改进图如图11所示。 3 结语 1、对比7种加固方法的效果可得到，施加单向和双向横向预应力钢束体系可以提高空心板梁桥的横向整体性与刚度，比重做铺装、粘贴钢板、玻璃钢、π型钢、灌浆的的加固方法效果理想。施加单向和双向横向预应力钢束体系，可以增强空心板梁桥的横向分布性能，使得各个板梁共同协作能力增强，消除了单板受力的情况再次发生。 2、施加单向和双向横向预应力后，增强了板桥上部结构的横向联结能力，每块板梁下缘底上方处于同等压力状态，削弱了铰缝间的应力集中现象，板与板之间即可传递剪力又可传递横向弯矩。变原来空心板板间的铰接构造为刚接构造，改善行车荷载的横向分布能力，空心板间更有效地传递行车荷载作用，从而适当提高板桥的承载能力，尤其是中央板块更为显著。 3、借鉴国外实践经验，建议改善原有的空心板的形式，在预制阶段做成带横隔板的板，在有横隔板的位置施加双向的横向预应力钢束，从而避免了在后期运营中铰缝的损坏、失效问题。 参考文献： [1]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2006:84. 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