铺装层对装配式空心板桥结构横向受力的影响

许 军，陈劲超，孙晓红

（1.山西省公路局，山西 太原 030006；2.北京交通大学，北京 100088；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

装配式空心板桥是一种广泛应用于中小跨径桥梁的桥型，各片板梁一般采用预制安装，然后通过铰缝现浇混凝土加以横向连接，再借助混凝土桥面铺装的整体化作用，形成整体受力的桥跨结构。板间铰缝混凝土破损是装配式空心板桥典型病害之一，严重时会出现单板受力、断板等，桥面铺装改造是增强桥梁整体性的一个有效方法，刚性铺装层对整体结构有改善作用，同时铺装层厚度增加也会带来自重增大问题，这就势必存在一个合理的铺装层厚度取值问题。本文以试验测试结果修正有限元模型，进而对修正后的有限元模型进行计算，分析不同铺装层厚度时各主梁横向挠度变化，探讨空心板桥经济合理的铺装层厚度取值。

1 工程概况

某桥上部结构为（4×20）m预应力钢筋混凝土空心板，空心板尺寸为124 cm×90 cm，横向7片板，桥宽8.50 m。铰缝高43 cm，内布设交叉钢筋，桥面铺装为10 cm钢筋混凝土＋6.5 cm沥青混凝土，采用先简支后连续。下部结构为桩柱式墩台。设计荷载为汽-20级，挂车-100。

运营多年后，桥面铺装对应铰缝位置出现严重的纵向开裂，空心板间的铰缝勾缝混凝土脱落，局部铰缝失效，出现了单板受力现象。为保证桥梁安全和正常使用功能，2013年对该桥上部结构进行了维修加固，主要加固措施为凿除原桥面铺装、铰缝后，重新布设铰缝钢筋浇筑混凝土，重新现浇16 cm厚桥面铺装，铺装层内布置15 mm×15 mm的φ12双层钢筋网。

2 试验测试

试验测试了桥梁维修改造后各个板梁1/8截面和1/2截面的应力和挠度。数据整理后得到板梁各截面的实际挠度值，用以修正模型计算。

试验采用混凝土块加载，混凝土块尺寸为2.00 m×0.85 m×1.70 m，重76 kN，加载时在混凝土加载块下垫0.85 m×0.4 m×0.2 m的枕木分散荷载，用以模拟车轮集中荷载。由于桥面两侧为护栏，实际加载时，仅测试中间5片梁的加载数据。加载示意如图1所示。

图1 2号板跨中加载横断面示意图（单位：cm）

3 模型模拟

3.1 模型介绍

数值分析采用Abaqus有限元软件，模型中空心板、铰缝、铺装均采用8节点6面体C3D8实体单元，混凝土标号为C40，弹性模量为32.5 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3。

钢垫块的使用可避免将约束或荷载直接施加在空心板上导致模型局部应力不合理的现象[1]，故支座支撑及荷载施加均借助钢垫块模拟，模型中支座边界条件及外荷载通过钢垫块间接作用于空心板，钢垫块弹性模量为2 100 GPa，密度为1 000 kg/m3。

空心板与铰缝、桥面板与空心板界面黏结接触采用Surface-based cohesive behavior模拟，接触刚度K取值参考了文献[2]的试验数据并综合文献[3]和文献[4]中的建议值，取为10 MPa/mm。钢垫块与空心板的接触方式采用Tie进行约束。

模型皆模拟简支梁桥的约束，即将板梁前端参考点的x、y、z 3个方向的平动都进行约束，后端参考点则仅约束了x、y两个方向的平动。

3.2 模拟计算内容

计算建立了无铺装、不同铺装层厚度及模拟铰缝破损3种模型，进行计算分析。

3.2.1 无铺装模型

无铺装模型的上部钢垫块尺寸与木垫块尺寸相同，在钢垫块正上方的参考点上作用76 kN荷载，即采用与试验荷载相同的荷载。模型对1/2截面加载试验进行模拟计算，即模拟了2号、3号、4号、5号、6号板梁的加载试验，共5种工况。

3.2.2 不同铺装层厚度模型

有铺装模型的上部钢垫块尺寸为0.6 m×0.2 m×0.1 m，在钢垫块上部作用有6.3 MPa的压强荷载，相当于对桥梁结构施加了76 kN的荷载。模型对1/2截面加载进行模拟计算，即进行了对1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号板梁跨中加载的模拟计算，共7种工况。

3.2.3 铰缝失效模型

上述铺装模型中的4号铰缝中间65%长度范围失效，即在距桥梁两端各为1.75 m铰缝完好中间6.5 m范围铰缝失效，以此模拟铰缝受损[5]。在4号板梁跨中上部加载进行数值计算，分析铰缝失效后桥面铺装对横向传力的作用，模型计算如图2所示。

图2 铰缝损坏有铺装时4号板跨中加载模型图

4 数值计算与分析

为了分析桥梁整体受力性能，通过分析桥梁结构各主梁与单梁的挠度比来检验[6]。

4.1 理论计算与实测结果的对比分析

原桥铰缝及桥面铺装修复后，测得桥梁完好状态下各主梁受荷时的实测挠度值，与单梁挠度相比，可得到实测受荷板梁的挠度比。同一工况下，应用Abaqus软件进行数值模拟分析，可得到数值模拟计算挠度比，两条曲线的对比如图3所示。

图3 各个主梁分别在荷载作用时挠度比值

由图3可知，桥梁改造后的各主梁挠度实测值与模拟计算值大致相同，最大差值出现在2号板处，相差幅度为1.74%，考虑到实验误差等因素的存在，该幅值在允许范围内。由此，认为模型中铰缝与空心板的接触面刚度等参数设置是合理的，能够真实反映实桥受力状况。

基于以上模型，取8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm 5种铺装层厚度，分铰缝完好和局部铰缝损坏情况，对4号主梁进行加载模拟计算，提取计入铺装层自重影响和不计铺装层自重影响两种作用下的各主梁挠度，与单梁挠度对比，得出了不同的铺装层厚度下各主梁的挠度比，以此分析铺装层厚度对装配式结构横向整体性的影响。

4.2 铰缝完好不同铺装层厚度计算结果

铰缝完好状态下，计入铺装层自重对4号板梁进行加载计算，各主梁换算挠度比如图4所示，不计铺装自重对4号板梁加载计算，各主梁换算挠度比如图5所示。各种情况下挠度比如表1所示。

图4 计入铺装自重不同铺装层厚度下主梁挠度比曲线

图5 不计铺装自重不同铺装层厚度下主梁挠度比曲线

表1 不同铺装层厚度各主梁挠度比

由图4和表1可知，当计入铺装层自重时，随铺装层厚度增加，板梁挠度增大明显，铺装层厚度每增加2 cm，板梁挠度值增大约10%，1号与4号主梁挠度差也趋于减小，曲线趋于平缓，表明考虑铺装层自重时，随铺装层厚度增加各主梁荷载分配更均匀。

由图5和表1可知，不计铺装自重时8 cm桥面铺装的板梁承担荷载水平与无铺装时的基本相同，也就是说8 cm铺装层厚度对板梁横向分配能力无显著作用，而当铺装层厚度超过8 cm时，厚度每提高2 cm板梁挠度值减小约5%，据此在装配式空心板桥桥面改造增强结构横向整体性时，宜设置8 cm以上的铺装层厚度。

4.3 铰缝损坏铺装层厚度计算结果

计算时假设4号板梁一侧铰缝破损，在4号板梁跨中截面加载，考虑铺装层自重对4号板梁加载计算，各主梁换算挠度比如图6所示、不计铺装层自重对4号板梁跨中断面加载计算，各主梁换算挠度比如图7所示。各种情况下挠度比如表2所示。

图6 考虑铺装层自重对4号板梁进行加载时不同铺装层厚度下主梁挠度比

图7 不考虑铺装层自重4号板梁加载时不同铺装层厚度下主梁挠度比

表2 不同铺装层厚度时各主梁挠度比

图4和图6对比可知，铰缝受损后，4号板横向分配明显加大，而由图6，铺装层厚度为8 cm时4号板横向分配仍有较大突变，当铺装层厚度增大到10 cm后，结构横向分配突变现象趋于缓和，表明10 cm铺装层厚度可较好地将荷载传递给各主梁。

图5和图7对比可知，铰缝受损后，荷载的横向传递能力明显降低，不计铺装层自重时，受损铰缝左右两侧板梁挠度相差65%，8 cm铺装时两侧板梁挠度相差25.6%。铺装层厚度增加到10 cm后，每提高2 cm受损铰缝左右两侧板梁挠度差值约减小5%。

经以上分析，钢筋混凝土桥面铺装可以一定程度上起到提高装配式空心板桥横向整体性的作用。10 cm及以上厚度的桥面铺装在铰缝完好和铰缝受损时，能较好地实现分配荷载作用，但对比自重和外荷载作用的相互作用，认为合理的铺装层厚度应取为10 cm。

5 结语

通过对20 m跨装配式空心板桥钢筋混凝土桥面铺装对结构整体性能影响的计算分析，得到如下认识。

a）用Abaqus进行数值分析时，铰缝与空心板间采用Surface-based cohesive behavior接触方式，接触刚度取10 MPa/mm，能够反映桥梁受力的实际情况。

b）当结构中个别铰缝失效时，铺装层可起到改善结构整体性能的作用，但不能完全取代铰缝，铺装层的存在可减小因铰缝损坏使结构整体性减弱的不良后果，实际应用中可一定程度上缓解了单板受力、断板等突发事件的发生。

c）铺装层厚度越大对于结构的整体受力性能并非越有利，随着铺装层厚度的增加结构整体性提高不明显，而由铺装层自重所带来的挠度增大更明显。根据计算，铺装层厚度取到10 cm后，即使铰缝受损桥面铺装也可一定程度上起到荷载分配的作用。综合对比分析后，认为经济合理的铺装层厚度建议取为10 cm。