空心板桥梁预应力加固方法分析

空心板桥梁预应力加固方法分析

摘要：空心板桥有构造简单、施工方便、用材经济、施工速度快、建筑高度小、易于实现标准化和工厂化生产等优点，被广泛应用于现代公路桥梁中。运营过程中，部分空心板桥铰缝破坏明显，剪力传递效果差，造成行车荷载作用时的单板受力，影响行车安全及桥涵的使用寿命。如何改善空心板桥的整体受力性能、避免病害的发生及发展，是摆在桥梁加固研究工作者面前的重要问题。

关键词：空心板桥梁 桥预应力桥梁加固

一、空心板桥分类

1、按铰缝形式分

空心板从铰缝结构形式上分，一般包括有翼缘空心板、浅铰空心板、中铰空心板和深铰空心板四种。

①有翼缘空心板

在新建的桥梁中翼缘式空心板目前己很少使用，究其原因主要是空心板的翼缘部分板厚和尺寸大小有限，板的横向铰接稍显薄弱，分散集中荷载的效果不好，导致整桥横向联结较差，整体受力性能得不到体现，常常在铰缝处先发生破坏，出现了纵向开裂裂缝，进而形成空心板独自受力，当荷载过大时悬臂翼缘板根部将会发生开裂甚至损坏。

上述缺陷或不足在沈阳至四平、沈阳至大连高等级公路中普遍出现，严重影响了行车的驾驶乐趣和安全系数，潜在的结构安全隐患不容忽视。然而从理论技术上来说，为了提高铰缝的联结效果，可以或多或少地增加翼缘板悬臂段处的高度和钢筋配筋率，空心板之间的横向联结由干接缝改为现浇混凝土形成的湿接缝，达到可承受弯矩和拉力的刚性连结的目的;再者为了改善空心板桥横桥向刚度较弱、整体性较差的问题，可以采取增加设置横隔板等施工工艺措施。但经过上述改良后，工程量也明显增大许多，而且相应的结构自重增加也是在所难免的;从施工工艺方面来考虑，因为增设了横隔板和湿接铰缝混凝土的施工，复杂程度加剧。改善后的结构，其受力模式从理论上分析，己由横向铰接的板式结构演变为多箱单室的矮箱梁，即原来计算空心板横向分布系数采用的铰接理论适用条件己不复存在，其横向分布系数应按多箱单室截面下刚接理论的模式进行计算;由于改善后空心板在施工工艺上并没有发生改变，仍采用先张(或后张)法预制，然后运抵施工现场装配安装并加横向连接，对于空心板顶板，其受力模式己演化为

多跨连续板梁，支座为弹性支承，在尽量考虑施工阶段和成桥运营阶段的不同荷载组合下，空心板顶板区域受温度变化和混凝土龄期的影响显著，即是要计算超静定结构的空心板顶板的上下缘温度变化产生的温度应力，以及整跨桥的空心板在预制过程中的由于混凝土龄期不同对空心板结构产生的混凝土收缩徐变。综合以上问题可以发现对于翼缘式空心板结构，即使进行了理论设计上的的改良，这种结构型式也没有技术经济上的先进性，故该结构型式不建议广泛推广，目前国内很少采用此类板型，也恰恰说明了这个问题.

②浅铰空心板

目前一些省份大量存在浅铰空心板结构(如河北、湖北、辽宁等省)，同深铰空心板相比，其主要优点是在同样的板宽的条件下，由于铰缝的高度较小，其空心板的挖空率更大，结构自身重量得到大幅度下降，对节省资金更为有利。浅铰空心板也有一些缺点，如设计工程师为了加强空心板的横向整体性，在铰缝处往往采用具有较高抗拉与抗弯极限强度的钢纤维混凝土，但这样做桥面铺张层与铰缝间的混凝土就必须分开浇筑施工，相应地增加了施工的工序，而且也使得工程造价大幅度增加。

③中铰、深铰空心板

此类空心板在桥梁建设使用中得到了广泛应用，尤其是采用先张法的预应力混凝土结构，其空心板的宽度一般多以lm为主。此类结构型式能够克服翼缘式空心板的缺点，只要提高铰缝间混凝土的强度，并保证施工质量，就可以体现空心板桥横向整体性好、铰缝间联结充分的特点。铰缝的作用就是传递剪力，连接各块板成为整体，把使用荷载进行有效地横向分布，因此，针对铰缝的使用功能要求，过大的铰缝其实是不会得到太多的附加作用。深铰空心板结构的缺点就是铰缝间的混凝土用量较大，增加桥墩台基础的负担，而且铰缝口一般也比较窄小，不利于振捣设备的使用，在施工中铰缝混凝土的振捣质量很难得到有效保证.

2、按结构形式分

预应力混凝土空心板的立面布置有简支板和连续板两种结构形式。其中，简支板桥按其施工方法又可分为整体式简支板桥和装配式简支板桥，整体式简支板桥一般是在施工现场进行浇筑，一次成型;装配式简支板桥是空心板在工厂内预制完成以后，再在施工场地内吊装拼接而成的，对于一些小跨径的高速公路桥梁可采用装配式简支空心板桥。简支空心板桥结构简单，便于施工，但是在车辆高速行驶的同时，在空心板梁铰缝处产生的折点会不利于行车的安全，导致车辆行驶不稳定，这就要求在板的连接部位另外设置伸缩缝，桥面得不到良好的连续性，从而受损破坏。相比于简支板，连续板结构没有断点，行车舒适，刚度大变形小，伸缩缝设置较少，且由于在节点部分产生的负弯矩，可以有效地减少跨中弯距的极值，减小空心板跨中截面的断面尺寸，节省了材料;但它本身施工复杂繁琐、费工费时，尤其是大跨径的连续桥面施工时，这种情况表现的尤为明显。针对上述两类结构形式的现状，人们一直希望能够将简支板的批量预制生产

与连续板的优良胜能相结合，实现用板梁预制生产的方式来加快连续建设，这就是我们提出的另一种结构型式一先简支后连续。由于它克服了前两种的各自不足又发挥了两者的优势，所以它合理地存在着。

二、空心板桥整体加固方法研究

1、桥面补强层加固

桥面加厚补强的方法的基本原理是当原桥承载力或横向联系不足，而墩台及基础较好的情况下采用的。将原有桥面铺装层拆除，然后在桥面板上浇筑一层新的钢筋混凝土补强层，用以提高桥梁的抗弯刚度及桥梁整体性。为了使新旧混凝土有良好的结合，应把原桥面板表面凿毛洗净，每隔一定的距离都要设置齿形剪力槽或埋设桩状剪力键，或用环氧树脂作为胶结层。同时在桥面板上铺设钢筋网，以增强桥面板的整体性和抗压能力，防止新浇筑的混凝土补强层开裂。钢筋网的直径和间距根据板的受力要求来确定。通过桥面补强，增强了各板之间的横向联系，由于新的铺装参与结构受力，提高了空心板的刚度。

2、横向粘贴钢板加固

横向粘贴钢板加固法是在空心板横向联系较弱、铰缝破坏、单板受力的情况下，用黏结剂及锚栓将钢板横桥向垂直粘贴锚固在空心板铰缝处，使相邻空心板共同受力，以钢板作为横向联系，提高桥梁整体受力性能。

本加固方法在红梅桥加固工程中得到应用，即在空心板梁下部缝隙处粘贴宽20cmX 10mm厚钢板，如下图所示:

图1横向粘贴钢板加固平面图

图2横向粘贴钢板加固横断面图

该加固法优点:对交通影响小、不改变原结构尺寸、技术可靠、工艺成熟且短期加固效果好。同时也存在以下缺陷:

①在短期内本加固方法钢板粘结较为牢固，钢板通过粘钢胶与板梁共同受力。在汽车荷载的长期反复作用下，铰缝两侧板梁容易发生竖向变位，进而引起钢板的错动，造成钢板的剪切破坏、锚固失效及脱落。若铰缝存在渗漏水现象，钢板的剥离脱落速度将更快。

②采用本加固方法增加了板梁局部横向刚度，故增加了加固后的铰缝传递横向弯矩的能力。但是在荷载反复作用下容易导致板梁出现新的底板纵向裂缝或加剧原有纵向裂缝病害。

③为了加强钢板与板梁的连接，一般需要在空心板表面钻孔，因而会造成板梁的损伤，滞后现象。

由于桥梁加固通常是在不卸载的加固前原结构己存在一定应力，情况进行，故钢板在受力过程中存在着应力而所粘贴的钢板仅在加荷载后才产生应力。

④另外，粘贴钢板锚固结点的处理比较困难，钢板防腐的成本高，施工工艺亦较为复杂。

3、横向预应力加固

铰接空心板桥的横向连接能力薄弱，铰缝的抗剪强度不够。新旧混凝土间的粘结力和摩阻力是铰缝抗剪强度的决定因素，另外还受设计、材料、施工等因素的影响。其中铰缝摩阻力为垂直力与摩阻系数之积，设置横向预应力可以显著增强铰缝的摩阻力，进而提高抗剪强度。

在空心板底增设螺纹钢筋，采用螺母锚固于空心板底板的锚固垫板上，锚固垫板采用钢结构形式，与梁体采用高强锚栓锚固。预应力钢筋采用小型千斤顶张拉。横向预应力加固如下图所示：

图3空心板横向预应力加固平面图

图4锚固支撑垫块构造图

体外预应力加固法作为一种主动加固方法，不存在应力滞后现象，保证了空心板间整体协同工作。采用该法对空心板桥进行整体性加固，同样存在一定缺陷。这些缺点在一定程度上限制了体外预应力的应用。

①横向预应力法加固改变了装配式空心板梁桥结构的受力体系(铰接变刚接)，增大了横向弯矩，导致板梁原有底板纵向裂缝的加剧和新纵向裂缝的出现。

②需要通过增加配筋或特殊措施来克服张拉体外预应力时锚固区产生的局部应力。

③本加固方法有的需在板梁上打孔，穿预应力束，会破坏原有结构。

④加固时需要可靠的锚固条件，预应力筋的防腐成本高，且技术难度大，施工工艺较为繁琐。

⑤预应力张拉和使用过程中的预应力损失、预应力筋变形量的确定较为复杂。

采用增设横向体外预应力加固的原理是:

①施加横向预应力可从根本上防止空心板间铰缝下缘混凝土的开裂、脱落，以及由此而引起的铰缝混凝土损坏等相关病害，使空心板的横向下缘混凝土处于受压状态。

②施加横向预加力可变铰接板结构形式为刚接板结构形式，平衡了横向弯矩。使空心板间可以同时传递竖向剪力和弯矩，增强了装配式板桥的横向连接能力，有利于各空心板共同分担行车荷载。

结语：

本文分析了空心板桥分类、结构形式、整体加固常用的方法，如:桥面补强加固、横向粘贴钢板加固、横向预应力加固。从以往经验可以看出，以上几种方法都有各自的弊端，工程应用中要根据空心板桥病害特点及行驶车辆荷载大小进行方案的对比选择，确定经济合理的加固方法来提高空心板桥整体性。

参考文献：

[1]郭铭德.空心板梁底板纵向裂缝问题的分析[J]广东科技.2006. 5(153):112-113

[2]卫军，徐岳等.空心板铰缝协同工作性能影响因素分析[J].中国公路学报，2011

[3]袁汉君.空心板梁桥预应力体系设计问题探析[J]中国高新技术企业.2009. (9):78

[4]黄顺泉.预应力混凝土空心板桥的设计与探讨[J].科技资讯，2009.(20):78

[5]刘来君，赵小星，贺拴海.桥梁加固设计与施工技术[M].北京，人民交通出版社，2004.