清连项目30m预应力空心板病害成因分析及对策

引言
　　预应力混凝土板式结构构造简单、受力明确, 是公路桥梁中量大、面广的常用桥型。预应力空心板往往在预制场中形成规模施工, 因而在一般公路、高等级公路和城市道路桥梁中, 尤其是建筑高度受到限制和平原区高速公路上的中、小跨径桥梁中得到广泛应用。然而, 由于20 世纪90 年代强调结构轻型化, 空心板的壁厚被过度削减, 特别是30米预应力混凝土空心板梁，顶底板、腹板厚度仅为10～15cm，梁高仅为1.30米，由于结构截面太大的挖空率和较小的梁高，导致主梁刚度较小，活载作用下梁体变形较大，冲击作用明显。梁体多处产生开裂现象，严重影响了桥梁使用功能和耐久性的发挥。
　　国内对于钢筋混凝土及预应力混凝土空心板桥开裂损伤病害分析及维修加固的文章较多，但主要针对工中常用的13～20米空心板桥的损伤和病害特征展开了较多的阐述，其加固方法多采用桥面增厚加固方法。本文研究的对象为30米后张预应力混凝土空心板桥，其截面挖空率较一般20米以下空心板梁大，箱梁效应突出，应用中出现的问题也更多。本文针对广东省清远市国道107线清远至连州一级公路改造（高速）项目桥梁加固AQ合同段的三座30米无粘结预应力混凝土空心板桥，开展了详细的病害调查和成因分析，并给出了维修加固策略。
　　1 工程概况
　　广东省清远市国道107线清远至连州一级公路改造（高速）项目，桥梁加固AQ合同段承担的任务中有3座桥梁采用了30m跨径的无粘结预应力大空心板结构：千斤洞大桥12×20＋2×30m，新村大桥4×30＋3×20m，青草II桥3×30m，共双幅9跨，3座桥合计144片梁。
　　30m无粘结预应力大空心板单板宽150cm，高130cm，底板厚度跨中为10cm，梁端2m范围内加厚至20cm，腹板厚度10cm，顶板厚度11～15cm，钢铰线采用φ15.24无粘结后张预应力，横向每7.8cm布设一根，每片梁18根，直线通长布设，无弯起，单根张拉锚固于梁端底板。单梁横断面如图1所示：

　　每跨横向8片梁，梁间采用14cm高度的浅铰缝联接，铺装层设计厚度8cm。横断面如图2：

　　2 主要病害特征及成因分析
　　2007年 月，针对三座30米无粘结预应力混凝土空心板桥进行了详细外观检测，主要检测内容包括桥面系损伤状况、上部结构主梁内外裂缝分布、支座状况和下部墩台外观损伤状况。检测结果表明，桥梁主要病害表现为桥面系铺装层纵向开裂、铺装层局部破损以及空心板梁开裂损伤。支座和下部结构无明显病害。以下内容主要本文讨论本文研究对象——30米无粘结预应力空心板桥梁体裂缝特征，进行病害成因分析，并提出相关维修方法。
　　2.1 主要病害特征
　　经过检测，三座30米无粘结预应力混凝土空心板桥病害特征比较相近，主要病害表现如下：
　　（1）桥面板纵向裂缝
　　桥面板沿梁板接缝间隙位置出现间断或不间断纵向裂缝，跨中至四分点位置附近裂缝比较严重，裂缝间隙较大，局部甚至出现混凝土碎裂现象，从而造成桥面防水层损坏，梁体铰缝渗漏严重，横向连接失效，单梁受力现象比较明显。典型病害特征如图3～4所示。

（2）梁体纵向裂缝
　　检测发现，相当部分梁体梁端至1/4跨范围内顶板与腹板相接处出现纵向裂缝，裂缝宽度在0.05~2mm不等，最大长度近10m，个别已沿角隅处贯通。从裂缝分布特征来看，内部裂缝较外部严重。部分梁体顶板、底板出现纵向裂缝。典型病害特征如图5～6所示。

　　（3）腹板斜裂缝
　　此类裂缝位于梁端近支点附近，多与梁板成45度左右夹角，个别斜向延伸至底板，在腹板底部与底板结合处纵向发展，或向上延伸至顶板，与腹板顶板间纵向裂缝连通，部分裂缝伴有渗水泛碱现象。裂缝宽度在0.1~1.0mm之间。典型病害特征如图7～8所示。

　　（4）局部截面尺寸不符合设计要求
　　经过现场检测，发现部分板梁腹板尺寸和顶板尺寸偏小，不满足设计要求，甚至出现局部钢筋外露锈蚀现象。典型病害特征如图9～10所示。

　　2.2 病害成因分析
　　经过对原结构的详细检测和结构分析，总结了造成桥梁病害的主要原因有以下4种：
　　（1）主梁刚度不足，桥面整体化层太弱。30米空心板梁跨越能力强，材料用量省，施工比较方便。但是，由于结构截面太大的挖空率和较小的梁高，导致主梁刚度较小，活载作用下梁体变形较大，冲击作用明显。目前此类桥梁在我国已较少采用。由于桥面整体化层较薄（仅8cm），活载作用下较大的冲击作用使得脆弱的整体化层早期断裂，出现纵向裂缝，形成单板受力，主梁承载安全度下降，重车作用下甚至会出现承载力或应力储备不足，梁体开裂等现象。
　　（2）腹板厚度太薄，抗剪钢筋不足，造成支点附近剪应力过大，形成斜45度剪切裂缝。外观检测可见，空心板梁支点附近斜45度裂缝属于普遍现象，结构验算结果也表明，主梁抗剪承载力不足，在超载因素及整体化层破坏形成单板受力后，梁体受力状况恶化，这是支点斜裂缝产生的主要原因。
（3）截面尺寸偏小，预应力效应突出，由于泊松比效应和预应力变形对构件产生的反响作用力影响，造成结构纵向开裂。研究表明，按照匀质截面计算的得到的横向拉应变远小于其实际发生值，约为理论计算值的1倍以上。这表明在厚度仅10厘米左右的底板内设置后张预应力钢束，预应力束附近混凝土横向拉应变的局部效应非常明显，而且试验研究发现，底板上下表面横向应力液有差异，底板下表面横向拉应变约为底板上表面横向拉应变的2倍。空心板底板砼下表面除因纵向受压的泊松效应而产生横向拉应变外,还因张紧的力筋对构件的变形存在反向作用力.空心板梁在预应力的偏心压力作用下构件将发生上拱变形,预应力筋在张力作用下具有力图保持直线状态的趋势,于是力筋对上拱变形的空心板梁将产生反向作用力。此反向作用力q可以依据荷载平衡法进行计算.　
　　底板局部砼在此反向力q的作用下，底板预应力扁形波纹管下方砼局部将产生明显的拉应变，这种拉应变与泊松效应产生的横向拉应变相叠加，致使底板底面横向拉应变实测值约为底板上表面的2倍。
　　（4）空心板端部预应力张拉时，由于强大的纵向预应力作用及腹板、顶板竖向剪切刚度差异，导致腹板与顶板间产生剪切变形，导致连接部位纵向开裂。研究表明，同类30米预应力空心板桥，张拉预应力后，由于剪切变形产生的拉应力数值达到4.9MPa[6]。
　　（5）除此之外，30米空心板桥顶底板及腹板很薄，畸变效应突出，这也时导致桥梁产生纵桥向开裂的重要原因[8]。由于空心板截面尺寸较小，腹板、顶底板仅有一层钢筋网，横向配筋数量很小，板间刚度较小，导致空心板畸变拉应力过大，引起主梁产生纵向裂缝。
　　（6）检测发现，部分空心板局部厚度严重不足，造成结构局部受力状况恶化，引起空心板开裂与损伤。这些病害原因主要是由于施工控制不严、模板定位不准确等原因造成的。30米空心板本身截面挖空率很大，施工稍有不甚，就会造成截面尺寸比变易，引起结构早期损伤和破坏。
　　3 维修加固方案
　　依据《公路桥涵养护技术规范》，采用此类结构的3座桥外观检测后主梁构件技术状况评定为三类桥梁，总体评定结果为二类桥梁。主梁需要进行维修加固。经分析检算，在考虑抗力折减系数0.9以后，原结构受力方面主要存在以下问题：（1）边板跨中抗弯承载力不足，中板抗弯承载力基本满足但富裕量极小；（2）边板及中板抗剪承载力富裕较小；（3）梁高偏低，截面尺寸偏小，截面抗力富余少。
　　针对原桥梁存在的病害，确定采用修补梁体裂缝、提升承载安全度的维修加固宗旨。主要维修加固方法如下：
　　（1）为了克服主梁抗弯、抗剪承载安全度不足的问题，确定采用去梁增肋加固方法进行体系加固，提高桥梁承载能力和改善横向分布关系。其加固思路是去掉一片空心板梁，梁体沿横桥向均匀分布，间距25厘米。梁体间隙整体现浇预应力混凝土梁肋，增强桥梁整体抗弯和抗剪承载力及改善正常使用阶段应力状态。最后现浇桥面整体化层，使新增肋与空心板梁协同受力。去梁增肋加固法横向布置示意如图11所示。

　　（2）加固实施前，对梁板逐个检查，病害严重的做报废处理。对梁体裂缝进行修补，对于裂缝宽度大于0.015mm的裂缝，可采用壁可法注射化学胶液进行封闭处理，对于0.015mm以下微细裂缝，可采用环氧砂浆进行表面涂抹封闭。
　　（3）为了提高桥梁横向联结性能，在采用去梁增肋加固法的同时，将桥面铺装总厚度由原来的8cm改为增后为18cm，并采用双层钢筋网结构，提高桥梁横向刚度和改善桥梁横向受力性能。
　　4 结论
　　本文研究总结了广东清远－连州一级公路改造项目中的三座30米空心板桥病害特征，并根据病害类型分别进行了病害成因分析，最后给出了病害处置方法与对策。研究表明，30米空心板桥由于截面尺寸过小、梁体刚度不足、承载力导致冲击效应明显，整体化层早期破坏，梁体裂缝发育，空心板多处于单板受力状态，抗弯、抗剪承载力不足。对于此类在役桥梁，可采用本文提出的体系加固方法，提高桥梁横向刚度和抗弯、抗剪承载能力，修补和封闭裂缝，满足桥梁正常使用功能的发挥。同时，对于新建桥梁，应限制此类桥梁的使用。

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