1 / 6 铰缝破坏机理及对空心板桥受力影响研究摘要：针对预制装配施工空心板出现单板受力的不利现象，通过分析空心板铰缝的破坏原因及发展情况，对铰缝的破坏机理进行了研究，再由实桥建模模拟分析了铰缝破坏对空心板桥受力性能的影响，进而提出了空心板铰缝破坏的一些防治措施 。关键词：铰缝，破坏机理，空心板桥，单板受力，防治措施1 引言空心板因其自重轻、结构性能好、施工方便、可大批量工厂化集中预制等诸多有利因素而被广泛使用。随着交通运输业的迅猛发展，由于公路交通量急剧增加，车辆的行驶速度和车辆轴重的增长，同时因自然环境的影响、某些局部设计不合理、施工工艺条件限制等原因，致使预制空心板桥梁的铰缝处有着不同程度的损坏，出现纵向裂缝,有的还较严重，形成了 “ 单板受力 ” 的状况。 “ 单板受力 ” 现象严重削弱了桥梁上部结构的整体作用,大大降低了桥涵的整体承载能力，使得上部主要承重构件处于非常不利的受力状态，极端情况下还发生过断板事件，降低了上部结构的耐久性，同时给行车安全留下了很多隐患。针对这种情况，结合西南某公路改建工程中空心板桥加固方案研究，本文将研究铰缝破坏机理及其破坏对空心板桥受力性能的影响，并提出防治铰缝破坏的一些措施。2 铰缝工作原理各板横向之间通过现浇的企口混凝土铰接和焊接钢板联结，借此将各板梁横向连成整体，使作用于行车道板上的局部荷载分配给各板梁来共同参与承受，这样就能显著的减小单根板梁受力，达到防止局部受力过大的目的。装配式简支板桥板梁间横向联结常用的方法有企口混凝土铰联结和钢板焊接联接二种方式。由于钢板焊接联接施工复杂，且焊接点在车辆动载作用下，质量难以保证，故很少采用。而常用的企口式混凝土铰其型式有圆形、棱形、漏斗形等三种，见图1。图 1 铰缝形式3 铰缝产生破坏的原因分析从目前发生的状况看，铰缝产生破坏的原因是多方面的，也不乏综合因素的影响。根据其破坏的特点及导致破坏的可能因素做以下概略分析。3.1 公路自身特点因素高等级公路特别是高速公路行车道的划分，使行驶车辆行驶轨迹具有规律性，因此行车道上的板梁承受重复荷载的几率大大增加，在车辆荷载反复作用下导致某些预制板铰缝疲劳破坏。3.2 运输方面因素正常使用下桥梁的承载能力是由其设计荷载标准确定的。随着时间的推移和社会的发展，车辆总重和轴重日趋增大，轴数也日渐增多，特别是近年来大型集装箱运输的发展，公路运输对桥梁的要求也越来越高。从现实的交通结构情况看，实际行驶的车辆中，一些重车、大型车辆的载重往往超过桥梁承载能力，虽然近年来加大了超限运输的治理力度，超重车辆上路仍时有发生，导致构造物破坏。3.3 设计方面因素精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页2 / 6 构造物上部的梁板设计中，采用的铰缝结构尺寸，断面变化较小，板间横向联结薄弱，较难使铰缝与预制板牢固结合，在横向不能形成较强的联结。桥面铺装因素。在设计中，有时存在由于设置桥面超高或预制板设置预拱度不合适等原因造成某些局部铺装厚度不够；另一方面，铺装钢筋直径较小、间距设置较大等情况，降低了铺装层的整体化作用、与梁体的协同作用减小、整体刚度降低。结构计算中，结构受力假设与实际不符，结构安全系数不够；结构设计阶段，对施工中出现的可能性考虑不周密。3.4 施工方面因素材料不符合要求。设计铰缝混凝土应不低于C30 。但从某些现场破坏情况看，铰缝混凝土呈粉碎状，经检测混凝土标号未达到设计要求，振捣不密实。另外，钢筋绑扎不合要求，施工时对板梁的横向联结没有引起足够重视。施工时对混凝土铺装层内的钢筋网位置控制不准、预制板铰缝及顶面凿毛不到位。施工完成后，部分钢筋网位于铺装层与板梁间，形成一道夹层，钢筋网未达到使用效果，混凝土铺装层及铰缝与预制行车道板粘结不牢固情况严重，导致铰缝损坏。3.5 自然灾害与突发事件的影响由于地震、爆炸、山体滑坡、车船撞击等致使下部基础产生不均匀沉降，使上部结构中产生附加应力，超出结构的承载能力，导致横向联接或板件破坏。4 铰缝破坏对结构受力性能的影响铰缝破坏后，对于桥梁的横向连接将产生直接的影响。横向联结一旦开始失效之后，活载对结构的影响将越来越大，最后将演变成为完全的单板受力。单板受力状况出现后，预制板的承载能力将大大降低。而其中最直观的变化就是挠度的变化。位于西南某省的一座桥，其上部结构为空心板，下部结构为双柱式墩台，设计荷载汽车-20级，挂 -100级，桥跨组合2-16.0M，桥梁全长38M ，桥面净宽10.5M 。该桥存在比较严重的铰缝脱落现象，部分空心板受损，现通过对该桥建模进行模拟分析：板的形式及全桥理论模型如图2、图 3 所示：图 2 中板及边板形式图 3 理论模型图由于绞缝破坏的位置不同对各块板的影响效果也不相同，通过建模分析在不同位置的铰缝破坏后，对其它板的影响，选取跨中截面挠度、弯矩数值见表1、表 2 及图 4 和图5：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页3 / 6 表 1 铰缝破坏位置及各板最大挠度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页4 / 6 图 4 铰缝完好与完全破坏时挠度跨中横向挠度对比图 5 铰缝完好与完全破坏时挠度跨中横向弯矩对比从以上的图表数据可以看出：当铰缝完全破坏后挠度将显著增大，而这对于桥梁的安全性会产生巨大的影响。另外，铰缝的破坏过程是一种渐变过程，往往先是某两块板之间的铰缝先遭到破坏，然后由于活载的作用而影响到其他板，直到最后演变为完全的单板受力。我们也可以通过建模分析其中的挠度变化值而观察其中的变化过程。见图6：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页5 / 6 图 6 铰缝破坏发展挠度最大值变化同样，我们也可以从弯矩变化图中很明显的观察其中的变化，见图7：图 7：铰缝破坏发展弯矩最大值变化从图中可以看出，铰缝从完好直至完全破坏的过程中，各板所承受的最大弯矩发生了显著的变化，而且，很明显的可以看出，当铰缝完全破坏之后，单板所需承受的最大弯矩将大大增加。通过计算分析，结合该桥铰缝破坏的实际情况，对铰缝破坏严重继而导致空心板受损部分，采用拆除重建方案处理。5 铰缝破坏的防治措施为保证结构物的质量和延长其使用寿命，从设计到施工、运营及养护管理等方面均应采取必要措施，预防铰缝损坏的发生。可采取以下措施。为适应急剧增加的交通量的需求和行驶车速的提高及车轴重的增大，公路桥梁的设计规范在不断地进行修订，设计采用的汽车荷载计算模式也在相应调整，从而使桥梁在承载能力方面更能满足交通量的需求。在进行桥梁设计计算时，考虑到超载等各种现实情况，适当提高安全储备。结构受力假设应尽可能与实际受力情况相符。在设计计算桥梁行车道板时，考虑部分混凝土铺装参与行车道板的共同受力，从理论上是合理的，但从施工后的情况来看，混凝土铺装层与行车道板的粘结很难达到理想的程度，实际上混凝土铺装层有时无法与行车道板联结成整体共同受力，因此，在设计计算桥梁行车道板时，可不考虑混凝土铺装参与行车道板的受力或在预制空心板时预埋足够数量的钢筋伸入混凝土铺装层，与铺装层钢筋网连成一体共同受力。采取措施增加铰缝的抗剪能力。加大铰缝深度，尽量将铰缝外形设计圆顺以避免应力集中现象的出现。铰缝混凝土可采用微膨胀混凝土，以补偿其收缩，铰缝内混凝土等级要达到设计要求，且铰缝混凝土须达到设计强度时方能通车使用。同时行车道板的侧面应为毛面，行车道板内的钢筋伸入铰缝内，另可适当增加铰缝钢筋。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页6 / 6 保证桥面混凝土铺装层有足够的厚度。考虑行车道板的挠度及其它因素的影响，在施工完成后桥面防水混凝土的最小厚度必须保证不小于8cm ，保证其有足够的刚度和强度，提高抗变形能力。铺装钢筋。铺装层内设满幅钢筋网，钢筋网直径不宜小于12mm，间距宜设为810cm ，梁体顶面预埋伸出的抗剪锚筋并与钢筋网绑扎或焊接，以增加钢筋网的抗拉性能和桥面铺装的抗剪能力。在混凝土铺装层中掺加适量钢纤维。钢纤维在混凝土中形成乱向分布的三维网状结构，能抑制混凝土的干缩，且其抗折疲劳能力大幅提高，防止疲劳裂缝产生，从而为主体结构的稳定提供了保障。采取有效措施，如板顶拉毛、清除顶面浮浆，来加强混凝土铺装层与行车道板的粘结，使其成为整体共同受力。6 结论从铰缝处受力状态分析得出，铰缝破坏以桥面部位铰缝混凝土压碎、底部混凝土拉裂为主，剪切、拉、压复合作用破坏为辅的破坏状态，空心板铰缝横向弯曲性明显；空心板小铰缝结构在荷载的横向传递方面效果较差，相对来讲大铰缝结构荷载横向传递优于小铰缝结构；铰缝内布置钢筋可弥补铰缝与板间混凝土粘结能力差的不足，铰缝混凝土可采用微膨胀混凝土，铰缝顶面布置门筋，桥面布置钢筋网也会起到一定的横向联系作用，加强铰缝及桥面铺装的施工控制；铰缝内布置交叉或斜门筋，均能够对铰缝起到提高荷载横向分布的作用。其中交叉筋布置近似的满足沿着主拉应力方向布置，可大大加强结构的横向联系，另外交叉筋还可对缝内混凝土起到一种近似的环箍作用，提高铰缝的抗剪及抗裂性能。参考文献1 刘来君 .桥梁加固设计与施工要求M. 人民交通出版社.2004 ，第 1 版2 胡兆同，陈万春桥梁通用构造及简支梁桥M 北京：人民交通出版社，2000 3 刘效尧，蔡建，刘晖编著.桥梁损伤诊断 .北京：人民交通出版社，2002 4 JTGH11-2004.公路桥涵养护规范S. 北京 :人民 交通 出版社， 2004 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页