论文总字数：25652字

摘 要

装配式空心板桥在我国的高速公路和城市道路桥梁中应用非常广泛，空心板之间通过铰缝连接，在近些年的运营过程中，浅铰铰缝的损坏成为绝大多数空心板桥的病害，因此，研究混凝土浅铰的修复就显得十分必要。

本文通过修复后混凝土浅铰的室内抗剪性能试验、有限元的模拟计算以及理论分析，研究了加厚混凝土层以及在加厚混凝土层中增设横向钢筋对修复混凝土浅铰的效果。研究表明，加铺混凝土层以及在混凝土中增设横向钢筋，均可以有效地提高混凝土浅铰的抗剪承载力，且随着混凝土加厚层的厚度增加，浅铰的抗剪性能也随之增加。增加混凝土层并在混凝土层中增设横向钢筋与只增加混凝土层相比 ，对修复后混凝土浅铰的抗剪承载力提高更大。经过试验验证，本文的设计抗剪承载力计算公式是偏于安全的。

关键词：混凝土浅铰；修复；抗剪性能；抗剪承载力；抗剪强度

ABSTRACT

In our country,precast hollow slab bridge is widely used in highway and city road.Hollow slabs connect each other through the hinge joints .Precast hollow slab bridge built in our country mostly use shallow hinge.However, during the operation in recent years, the damage of shallow hinge hinge joints become diseases of most hollow slab bridges.Therefore, studying repairment of shallow hinged concrete is very necessary.

This article studies the effect of concrete layer and additional transverse reinforcement on the repairment of concrete shallow hinge through concrete shallow hinge indoor shear performance test and finite element numerical simulation and theoretical analysis. Study has shown that overlay on concrete layer and additional transverse reinforcement in the concrete can effectively improve the shear capacity of concrete shallow hinge.In addition, with the increase of the thickness of the concrete thickening layer, the shear performance of shallow hinge also will increase.With add additional transverse reinforcement in concrete and the concrete layer, compared with only concrete layer ,shear bearing capacity of repaired concrete shallow hinge improves more. Through the test, in this paper, the design of the formula to calculate the shearing resistance are to be safe.

Keywords: Concrete shallow hinge; Repairment; Shear performance; Shear capacity; Shear strength

目录

第一章 绪论 1

1.1概述 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容 9

第二章 修复后浅铰铰缝抗剪性能室内试验 10

2.1修复后浅铰铰缝抗剪试验的目的与总体设计 10

2.2 试件的混凝土材料 12

2.3铰缝钢筋 12

2.4各组试件构造示意图 14

2.5试验所需仪器 17

2.6室内试验概况 18

2.7分析试验结果 22

2.8本章小结 27

第三章 有限元模拟分析 29

3.1有限元概述 29

3.2 有限元素法分析步骤 30

3.3 计算机模型仿真分析 31

3.4本章小结 41

第四章 修复后混凝土浅铰铰缝抗剪承载力分析 42

4.1铰缝抗剪承载力公式 42

4.2各组试件抗剪承载力的计算 42

4.3计算结果与试验数据对比 46

4.4本章小结 46

第五章 结论与展望 48

5.1主要结论 48

5.2展望 48

致谢 49

参考文献 50

第一章 绪论

1.1概述

装配式混凝土空心板桥具有以下优点：（1）高跨比合适；（2）建筑高度小；（3）抗扭刚度大；（4）可工厂化预制以及施工方便等，因此在我国公路与城市道路中广泛应用。

在工程上，当桥梁跨径小于13m，一般会采用简支钢筋混凝土空心板。当桥梁跨径大于16m但小于20m时，一般会考虑采用先张法预应力混凝土空心板，某些工程建设上甚至采用后张法预应力混凝土的空心板，其最大跨径能达到30m。通常，各跨空心板之间采用简支连续桥面形成平整的桥面系。空心板间通过企口缝混凝土铰连接，从而使各预制板组成一个整体，使桥跨空心板上部结构实现整体受力。

虽然这种桥型广泛应用，但是近年来，这种桥型出现了较为普遍的病害，病害一般发生在空心板的铰缝处，主要表现为桥面铺装沿空心板铰缝纵向开裂，部分病害程度较为严重的，在桥面的大多数铰缝的上方均有纵向裂缝，行车道汽车轮迹线尤为严重，严重的甚至会形成局部的网裂，造成桥面铺装裂缝，松散，坑洞以及塌陷等现象，使桥面铺装受到严重损坏。

造成这种病害的原因在于，施工的时候，空心板混凝土先于装配式混凝土空心板桥的铰缝混凝土浇筑，铰缝混凝土与空心板混凝土的粘结面，也就是新老混凝土粘结面与整体浇筑混凝土相比起来，强度要低一些，致使粘结面成为了铰缝的一个薄弱环节。因此，这种空心板桥的病害主要是铰缝混凝土沿粘结面开裂。

铰缝新老混凝土的接触面开裂后，如果裂缝向上扩展，那么裂缝会导致铺装层混凝土随之开裂，通常而言，在汽车轮迹线位置，桥面铺装层的裂缝的开展最为严重，甚至形成局部的网裂，从而造成铰缝上方桥面铺装层损坏，产生坑洞，松散等病害，最后在桥面铺装层上，产生纵向沟槽。如果裂缝进一步发展，那么很可能造成铰缝接触面完全脱落，各个空心板之间将不再联系在一起，也就是说空心板桥出现了单板受力的情况。这就意味着每块空心板只能独自承担作用在其上的荷载，而不能与相邻板梁共同承担荷载。单板受力现象对于桥梁受力来说是非常不利的，这种情况会严重削弱桥梁的整体性，使上部结构的处于非常不利的受力状态，使桥梁的整体承载能力大为降低，同时也降低了结构的耐久性，给行车的安全造成不利的影响，留下了很多的隐患。

当然铰缝病害的发生不仅有内因，同时也有外因，外因就是外荷载作用下引起的铰缝内力。对于空心板桥铰缝，从内力来看，内力包括横向弯矩，纵向剪力，竖向剪力以及法向力。浅铰铰缝的高度较小，刚度小，在计算中通常近似为铰接，所以横向弯矩的影响很小，桥上的荷载主要为车辆荷载，作用方向为竖直向下，在这种情况下，纵向剪力和法向力对铰缝的影响很小，可忽略不计^【1】。因此造成铰缝混凝土沿粘结面开裂的主要原因是是铰缝的竖向剪力。

铰缝的抗剪性能好坏是装配式混凝土空心板桥的关键所在，近年来，铰缝病害现象越来越普遍，且危害较大，因此，对于改善空心板铰缝抗剪性能的措施的研究有着十分迫切的现实需要和非常重要的经济社会意义。

1.2国内外研究现状

目前，装配式预应力混凝土空心板在国内外的公路上广泛使用，混凝土空心板结构形式相对而言相差不大，不同的是横向联系（企口铰缝）的构造及相应技术措施。

1）国内

我国常见的装配式混凝土空心板桥一般由以下几个部分组成，预制混凝土空心板、现浇铰缝、6~10cm混凝土现浇调平层和厚度4~10cm沥青铺装层组成，如图1.1。以下将从几个方面来阐述一些铰缝性能的影响因素。

（1）铰缝构造对铰缝性能的影响

图1.1 我国装配式混凝土空心板桥组成部分

铰缝按直线段的高度可分为三种主要形式：浅铰、中铰和深铰，如图1.2。

（a）浅铰

（b）中铰

（c）深铰

图1.2 我国装配式空心板桥常见的铰缝形式

按铰缝内的配筋情况又可分为配筋与不配筋两种。我国早期修建的装配式混凝土空心板梁桥主要采用浅铰缝，但是由于浅铰铰缝尺寸小，空间狭窄，所以一般不配置钢筋或者只配置少量钢筋，造成浅铰的横向传力性能薄弱，因此在车辆荷载的作用下，铰缝容易破坏。近年来，浅铰的病害已经逐渐表现出来，并且较为普遍和严重。室内试验对比表明：在铰缝材料相同的情况下，深铰的抗剪强度最大，中铰次之，而浅铰最小。 中铰和浅铰相比横向传力性能要强，但是具有和浅铰同样的问题，铰缝尺寸偏小，无法配置足够的钢筋，铰缝同样易于破坏。因此，在工程实践过程中，浅铰已经采用的较少，更多的是采用深铰缝，深铰缝的缝内空间较大，混凝土可以振捣，质量也就易于保证，同时又足够的空间布置所需的钢筋，使得铰缝的抗剪性能得到很大的提高。因此，目前发展的趋势是深宽铰缝，并增加铰缝内配筋。

（2）铰缝的修复技术

对于公路桥梁预应力混凝土空心板铰缝的修复技术，我国公路管理部门和科研院所进行了一些工程研究，提出了以下几种方法:

a.桥面加厚补强法

是将原有桥面铺装层拆除，然后在桥面板上浇筑新的钢筋混凝土补强层（沿高度方向上设置二层钢筋网）。通过混凝土桥面加厚并增加钢筋网补强，以帮助铰缝受力和增强各板之间的横向联系，同时，可以提高空心板梁的抗弯刚度及桥梁上部结构的整体性。

但混凝土桥面加厚补强后，自重作用增加。

b.横向粘贴钢板加固法

是将钢板横桥向通过空心板铰缝垂直粘贴锚固在混凝土空心板底表面上，帮助铰缝受力并通过新增钢板和铰缝共同传力到相邻空心板，钢板作为横向联系，提高桥梁上部结构整体受力性能。

但在车辆荷载的作用下，铰缝两侧板梁会发生竖向相对变位，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。同时，因空心板底面不平整和铰缝两侧空心板底面可能不在同一水平面，钢板粘贴施工质量难以保证。

c.横向预应力加固法

在混凝土空心板下方设置沿横桥向的体外预应力钢筋，张拉预应力钢筋并锚固在设在边板外侧的钢锚板上，横向预应力可以提供铰缝新老混凝土结合面压应力，显著提高铰缝与空心板侧面之间抗剪强度，加强装配式空心板之间的横向连接能力。

d.铰缝植筋加固法

在受损铰缝相邻的空心板腹板上部垂直向下钻孔，通过化学胶黏剂锚固胶，把带肋钢筋胶结锚固于铰缝相邻的空心板腹板钻孔中，形成U形的铰上钢筋，通过后浇的混凝土形成整体。

对于桥梁混凝土空心板铰缝的问题，国内外相关研究机构、高校等进行了较多的结构有限元分析和试验研究，主要的结论归纳如下：

a.在车辆荷载作用下，混凝土铰缝处于同时承受横向剪力和横向弯矩的受力状态，以受剪为主。

b.铰缝抗剪试验研究结果表明，在剪力作用下铰缝开裂和破坏均发生在铰缝混凝土与空心板侧面的交界面上，是新旧混凝土粘结破坏形态，不是铰缝混凝土本身破坏。铰缝空间一般都比较狭窄，浇筑铰缝混凝土不好振捣，无法保证其密实，也影响其与预制空心板间的粘结。

c.设置垂直于混凝土铰缝的横向钢筋可以改善铰缝的抗剪强度，提高混凝土铰缝的抗剪承载力。

尽管国内工程上采用横向预应力加固法和铰缝植筋加固法都是在浅铰缝空心板梁桥进行的，但工程总结及加固后跟踪观测不够，因此，必须在国内外已有研究和工程实践的基础上，针对混凝土空心板浅铰缝病害，深入研究铰缝修复技术中的关键问题，进而提出科学合理，施工可行性强和合理经济指标的技术方案。

1. 铰缝新老混凝土接触面的处理对铰缝性能的影响

Dinis S. Santos等^【12】通过试验从三个方面研究了接触面的处理对铰缝性能的影响，分别为新老混凝土表面粗糙程度、界面剂以及和老混凝土表面的水分含量。试验结果表明：老混凝土表面粗糙度的增加可以使新老混凝土粘结面的抗剪强度得到提高；使用界面剂可以提高新老混凝土粘结面的抗剪强度；如果老混凝土表面过度潮湿或者过度干燥，和老混凝土表面水分含量适度相比，其表面的粗糙处理对新老混凝土粘结面的抗剪强度影响要小。

Eduardo等^【13】对25个试件进行了新老混凝土粘结面的抗剪性能试验，通过该试验研究了对老混凝土表面采用5种不同粗糙处理方式对试件的抗剪强度的影响。5种老混凝土表面处理方式分别为：

a.老混凝土表面为光滑面；

b.老混凝土表面用钢丝刷进行刷毛处理；

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