张剑峰

中国铁建大桥工程局集团西北工程有限公司 宁夏银川 750004

铰缝是空心板梁桥横向连接的重要组成部分，铰缝的质量直接会影响桥梁的耐久性和安全性。通过调查研究发现90%以上的空心板桥的铰缝存在着不同程度的损伤与破坏[1]。铰缝由于自身的构造和功能要求，其破坏机理比较复杂，现在对于铰缝破坏的研究理论不完善。虽然理论方面不尽完善但是我们对铰缝的实际使用和调查的研究中发现铰缝的破坏存在很多的规律和特征，这些为进一步揭示其破坏机理有深刻的意义值得工程师与科研工作者们去认真思考。

对于铰缝现在存在的各种病害我们需要有一个系统的认识和详细的了解，并且对铰缝中的病害要进行适当的处理，针对铰缝这一病害学者和工程师们提出了多种加固方法[2]，这些方法在预防和处理铰缝病害方面收到良好的效果。但是在应用这些加固方法处理这些各种病害的时候我们发现每一种方法也都存在一定的缺陷与局限性，在这里笔者列出了现在铰缝加固的几种常用的方法并列出了对各种加固方法应用中的一些思考。

1 铰缝的破坏形态以及破坏特征

1.1 在长期重载作用下铰缝受到的剪应力超过混凝土的抗拉强度设计值最开始会在铰缝的底部产生裂缝

随着荷载反复作用裂缝会不断向桥面铺装层发展使桥面铺装产生纵向的反射裂缝，严重的部位甚至会出现破碎带。由于桥面铺装的破损桥面上的水会下渗，导致大部分的铰缝出现渗水泛白的现象。打开铰缝会发现铰缝处的混凝土破损严重铺装钢筋网和铰缝钢筋出现锈蚀断裂。

1.2 在高等级公路中重车车道上发生纵向开裂的可能性远远大于超车道的可能性

重车车轮直接作用下的板梁两侧的铰缝一般会出现开裂渗水的现象。在铰缝渗水处由于荷载的长期作用横向联系会逐渐减弱甚至发生单板受力现象，同时铰缝里的水可能会渗入到梁体中使梁内的筋产生锈蚀，使得钢筋有限截面积减小梁体的承载力下降，。

1.3 部分空心板间的铰缝发生松动、脱落，铰缝失去了横向连接作用

当横向连接失去作用以后不可避免的部分板就会出现单板受力，在这种情况不利情况下部分空心板所承受的荷载超过了它的最大承受能力设计值，所以部分板底部沿着铰缝两侧出现了一些横向裂缝。

1.4 当部分桥梁出现了单板受力时，如果不及时修复

在初期这类空心板在荷载作用下会出现明显的弹性下挠，该板与两侧的空心板之间发生明显的错位，但是当荷载作用消失后弹性变形会立马恢复。在荷载长期作用下，单板的弹性变形就会逐渐的演变为塑性变形，变形不会完全回复此板就会与两边的板产生错位形成永久性的台阶。

1.5铰缝病害主要发生在小跨径空心板桥中

统计中会发现桥梁的跨径越小出现铰缝开裂的可能性越大。

2 铰缝病害产生的原因

2.1 在简支空心板桥的铰缝设计方法一般采用的是铰接板法来计算桥梁的横向分布系数

这种方法适用于纵向刚度较小横向刚度较大的情况但是在实际中铰缝连接处横向连接比较薄弱，这在一定程度上与实际不符；另外我们在实际计算中把铰缝处进行简化，认为铰缝处只能传递剪力而实际铰缝处不仅存在着剪力还有弯矩存在，这些设计计算中的不足往往会导致病害的产生。同时随着经济不断发展和运输能力的提高运输工具也不断改进，现如今车辆轴重不断增大载重不断提高，并且存在着大量的超载超限现象使得实际的使用荷载大于设计荷载这就加速了病害的进一步发展[1]。

2.2 铰缝形式不合理

在调查中发现早期做的小铰缝在出现纵向开裂的可能性远远大于现在做的深铰缝。主要是由于小铰缝截面尺寸较小且为素混凝土，结构抗剪能力较差在施工过程中由于浇筑空间狭小浇筑质量不好保证，在重载交通的反复作用下混凝土极易破碎失去作用造成桥面破损。另外早期的小铰缝配筋不足导致的铰缝混凝土承载力不足也是引起铰缝开裂的一个重要的原因。

2.3 铰缝施工质量较差，主要存在以下几个方面

（1）混凝土施工时振捣不足且混凝土施工后养护工作不到位使得混凝土质量存在严重缺陷。

（2）凿毛质量较差，凿毛后表面混凝土清理不彻底，浇筑新混凝土时没有在新旧结合面处进行润湿这些导致了新旧混凝土粘结能力不足，在后期使用中就会出现混凝土松动剪坏的现象。

（3）桥梁支座垫石施工精度较差，尺寸不合理，支座在安装时精度也不足，在使用过程中支座会出现”三条腿”现象，部分支座出现悬空。这导致桥梁实际的受力情况与计算不符，在上部车辆荷载的冲击作用下，加速了铰缝裂缝的发展，当裂缝发展到一定程度还会出现铰缝脱落现象。

3 常用的加固方法

3.1 粘贴钢板加固法

粘贴钢板法是通过增强横向联系来增强桥梁的整体受力性能的一种加固方法，此种方法主要是适用于空心板的横向联系较弱，梁底无明显错台、整体较平整的情况。采用此种方法可以不中断交通不改变原结构的截面尺寸，施工工艺简单，可靠性也较高是现在最常用的加固方法之一。从现场的加固情况和后期的使用中发现此种方法是一种较为理想的加固方法，但是同时也发现此种方法也存在较多的缺陷亟待解决：

（1）在进行螺栓锚固的时候必须在主梁上打眼这就会对梁体造成破坏使梁体产生损伤。如果打眼过程中伤到主筋则破坏性可想而知。

（2）采用此种方法确实可以有效的提高桥梁的横向刚度，但是也会导致在受到相同的荷载时，加固后的铰缝产生的横向弯矩变大，这会使得原裂缝的宽度变大。另一方面还可能会导致梁底板较薄弱的部位会出现纵向开裂。

（3）在后期的使用过程中我们发现在刚开始加固初期，钢板与梁底粘接牢固，剪力可以通过板与梁连接处有效的传递到加固的钢板上。但是随着时间推移，在荷载的反复作用下，铰缝两侧的梁进一步会出现竖向变位这就导致连接部位出现过大应力，结果就是连接部位发生松动进一步引起钢板错动，使钢板因为所受剪力较大而发生破坏。

（4）在使用时我们还会发现部分铰缝仍然伴随着渗水，这些水很多是污水会对钢板和连接构件有严重的腐蚀作用，会减小钢板和连接螺栓的有效截面积降低其抗拉压强度。同时污水还会腐蚀粘接胶，降低其粘接强度影响加固效果。所以笔者建议加固时使用的钢板应选用耐候钢此种刚才虽然材料价格较贵但是使用价格较便宜从长期的使用效果看经济性更好。

（5）粘贴钢板的方法是属于被动加固方法这就表明该种方法只能是抑制原来裂缝的扩展，钢板只能在荷载作用下抵抗剪应力。在该种情况下裂缝仍然可能发生并且裂缝的发展与否与钢板施做的质量有密切关系。我们还要注意我们在在进行桥梁加固的时候是在不卸载的情况下进行的，这引发的后果是钢板在受力过程中存在着应力滞后的现象，这也是在采用此种方法需要注意的问题。

（6）钢板锚固的节点处理比较困难我们发现很多节点处都有锈水出现，这会降低锚固螺栓的使用寿命影响加固的耐久性。

3.2 横向预应力加固法

横向预应力加固方法是一种主动的加固方法通过施加的侧向预应力增大桥梁铰缝之间的摩阻力从而显著的增大铰缝的抗剪强度。此种加固方法不存在被动加固法中预应力滞后的现象，可以较好的改善桥梁横向的整体性但是该种方法仍然存在很多不足，需要工程人员与科研人员共同努力去解决。此种加固方法主要存在以下缺陷：

（1）锚固区会出现局部预应力集中，此时需要采取一些有效的措施降低由于张拉引起的局部高应力。

（2）使用过程中的预应力损失和张拉过程中预应力筋的伸长量不能进行精确的定量计算

（3）该加固方法在一定程度上会改变原来桥梁结构的受力体系，将原来的铰接体系会变成刚接体系这就导致桥梁横向的弯矩变大，部分梁体底板较薄抗拉强度较低，在弯矩作用下会出现开裂或导致原开裂加剧。

（4）本加固方法在施工过程中需要对原梁体进行打孔以进行后期的锚固这就会破坏原结构，降低原结构的承载能力。

（5）采用此种加固方法施工的预应力筋和锚垫板是暴露在空气中如果不采取防腐处理后期使用的过程中就会付出高昂的代价，但是如果要进行前期处理的话成本较高。

3.3 桥面铺装层加固法

此种方法通过后做桥面板浇筑层与主梁形成一个整体改善桥梁荷载的横向分布的一种加固方法，此种方法施工工艺简单，施工质量容易控制。但是此种加方法主要适用于一些小跨径桥梁的加固。对于大跨径桥梁的铰缝开裂只采取此种方法加固效果不佳，必须配合其他加固方法共同使用。对于此种加固方法虽然被大面积应用但是仍然有些缺陷值得我们思考：

（1）在施做新的桥面铺装层时需要对原铺装层进行凿除在凿除过程中梁体多多少少会受到损伤。

（2）首先新施做的铺装层会增加原结构的自重；另外整个铺装层位于结构受力的受压区这表明新的铺装层只能增加结构的抗压能力而结构的强度主要是由混凝土的抗拉强度决定这就导致此种方法在增加承载力方面，受到较大的限制。

（3）新浇筑的铺装层与原结构会构成一个叠合结构这就会对新旧混凝土的结合与收缩提出较高的要求，在使用过程中发现由于新旧混凝土粘结强度低新旧混凝土变形不一致导致的收缩裂缝仍然存在。

（4）此种方法有一个最致命的缺陷就是必须在中断交通的情况下施工并且施工周期也较长这导致总体的加固成本较高。

定理三 若①λ,u≥v≥0，w≥0；②(λ-1)(λ-w)≥0，(u-1)(u-w)≥0(或λ,v≥u≥0，w≥0，(λ-1)(λ-w)≥0，(v-1)(v-w)≥0；或u,v≥λ≥0，w≥0，(u-1)(u-w)≥0，(v-1)(v-w)≥0)；③(λ-1)(λ-w)+(u-1)(u-w)+(v-1)(v-w)≥0；④λ+u+v≥1+2w.则对于n∈N，n≥2，有

3.4 P型钢板加固法

这种加固方法是这近几年新提出的一种加固方法使用时间不长，但是从一些加固的实例可以看出此种方法加固效果比较理想，该方法是在通过在梁体底部用螺栓和粘接胶连接增加P型钢板的方法来增加原结构的抗弯刚度，所加钢结构位于结构的受拉区可以充分可以发挥材料性能，有效的控制梁体的下挠，降低了梁底受拉区混凝土的主拉应力。长安大学胡庆安等通过研究发现此种加固方法在受力性能和加固效果上明显的优于粘钢加固法[2]。但是从使用和分析的过程中发现此种方法仍然存在一些问题：

（1）在设计过程中为了提高加固效果充分发挥材料的力学效能通常把高厚比设计的很大，这就导致结构的弯矩、扭矩在整个内力中所占的比重过大，结构极容易达到临界区区状态发生失稳破坏，丧失稳定性。

（2）P型钢加固方法从受力和加固效果看既能起到横向加固作用同时又能提高结构的承载能力。但是在横向上荷载分布是不均匀的，存在一个横向分布的比例关系即所谓的横向分布系数，而在加固设计时没有过多考虑这一因素所以在加固时对于不同的开裂部位钢板型号是一样的这样难免会造成一定的浪费。同时通过此种方法加固对于承载能力提高和自重增加方面未有定量的分析。

（3）在施工过程中要对梁体打孔锚固膨胀螺栓粘接钢板这就会对梁体造成损伤对于损伤效果很难进行定量的分析与评估。

（4）从后期的使用效果看会发现粘接钢板的锚固螺栓在荷载反复作用下出现了不同程度的松动这就会导致钢板的松动，钢板松动必然会引起加固效果的降低，但是降低多少我们也不能进行一个定量的分析。

（5）此种方法对于防腐处理要求较高成本也较高并且对于后期的维修比较困难。

3.5 灌浆加固法

该方法通过在铰缝处用高压灌浆设备将化学灌浆料压入铰缝中的密闭的空腔，胶结材料通过凝结硬化与周边混凝土形成一个整体起到有效的封堵加固作用。现在主要用的的灌浆材料有聚合物灌浆料和环氧树脂。从加固效果看两种灌浆料都有很好的加固效果但是也都有各自的特点和适用。聚合物灌浆料主要适用于铰缝四周截面比较潮湿且裂缝宽度较大、破坏较严重的桥梁。而环氧树脂则比较适用于周边截面比较干燥裂缝的宽度较小的桥梁。

灌浆加固法不仅其不需要中断交通，施工周期较短，施工较方便，经济性、安全性较好而且对原结构破坏损伤较小鉴于以上原因灌浆加固法被广泛用于铰缝开裂的加固中，但是从现场加固工程和加固效果分析此种方法仍然存在着一些不如人意的地方

（1）加固的过程中需要对原来破坏的铰缝进行清理以保证灌浆料与结构体的良好粘接，但是由于铰缝设计尺寸小裂隙宽度小裂隙形状不规则等原因导致裂缝清理过程费时费力且往往还是清理不彻底影响加固效果。

（2）灌浆过程中对于浆体在裂隙中的扩散效果不好控制通过对加固的案例的检测发现存在着很多裂隙浆体不饱满部分裂隙浆体扩散不密实等现象。

（3）现在对于浆体与周边界面的粘结效果以及粘结的耐久性等方面研究不足，并且此种加固方法可以说只能是起到治标不治本的效果不能抑制裂缝的继续开裂。

（4）笔者认为不同的跨径下灌浆的加固效果是不一样的但是对于这方面的研究仍然较少所以灌浆加固法的理论体系尚不完善。

（5）从很多的加固实例看只采用灌浆加固方法不能起到很好的加固效果往往是采用灌浆加固法与粘贴钢板法或者张拉横向预应力等加固方法配合进行才可以在一定程度上克服灌浆加固法的一些不足。

4 结论

（1）铰缝病害的破坏形式与破坏特征在具有通性，有一定的规律性可寻，这为我们对于铰缝的研究提供了一定的线索与价值，但是我们同时也要注意每一座桥梁上的铰缝的病害又同时具有一定的独特性，这就需要研究人员与工程人员对于现场病害进行实际分析，找到针对铰缝破坏的具体原因，从而选择适当的加固方法进行处理。

（2）鉴于每一种加固方法即有自己的优势又有自己的局限性与不足，我们在选用加固方法时在考虑到每种加固方法的适用性的前提下可以对不同的加固方法进行合理的组合，这样可以在一定程度上增强加固效果。

（3）对于桥梁铰缝病害的研究在理论方面存在着严重的不足，理论研究进展较慢制约着铰缝病害研究的进程。