基于单处铰缝破坏的装配式空心板桥横向分布系数研究

秦小杰 华光平 孙汝旺

摘 要：空心板梁的铰缝损伤现象十分普遍。为得到车辆荷载作用下铰缝损伤的分布长度及铰缝损伤分布位置对荷载横向分布系数的影响趋势，对一座预应力装配式空心板桥建立梁格法模型模拟车辆荷载工况下的空心板最不利受力情况进行研究。结果表明：铰缝损伤的分布长度和分布位置对空心板桥荷载横向分布的影响存在显著不同，铰缝损伤造成的桥梁局部刚度和约束降低，极大地影响着桥梁结构的荷载横向分布系数。

关键词：铰缝破坏；横向分布系数；空心板桥；Midascivil

中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）03-0115-05

Abstract： The phenomenon of joint crack is very common. In order to get the influence of the distribution length of the joint damage and the damage location of the hinge on the transverse distribution coefficient of the load， In this paper， through the establishment of grillage method model of a prestressed prefabricated hollow slab bridge， the most unfavorable stress situation of the hollow slab was simulated under the condition of vehicle load. The results showed that the distribution length and location of the hinge joint damage had different effects on the lateral load distribution of the hollow slab bridge， the joint stiffness and the lower bound caused by the bridge damage， greatly affects the transverse load distribution coefficient of bridge structure.

Keywords： hinge seam failure；transverse distribution coefficient；hollow slab bridge；Midascivil

空心板經济性优异、构造简单、施工方便，已被广泛应用于各类中小跨径桥梁。空心板梁铰缝连接处受力复杂，破坏机理研究尚不完善。在实际运营中，受车辆的冲击荷载和桥面渗水、冻融循环、温度荷载等复杂气候与环境因素的影响，空心板桥铰缝处均出现不同损伤程度的、不同分布位置的局部铰缝破坏，极大地影响着桥梁的承载能力和公路交通的运营安全。

文献调研发现，多数基于铰缝破坏的研究，主要集中于有限元软件仿真分析的方法实现，其研究多集中于铺装层厚度[1，2]及配筋率[3]、铰缝混凝土弹性模量折减[4]等方面，受限于软件使用环境与实际工况的差异，其往往无法反映出桥梁铰缝损伤处混凝土完全开裂、钢筋完全锈蚀断开的状态下空心板桥实际运营状态。针对铰缝局部失效，尤其是铰缝完全失效的研究工作仍然较少，本文主要研究空心板单梁铰缝部分失效及完全失效状态下空心板梁的横向分布系数。

1 工程概况

本文以河南省驻马店市境内某桥为例进行计算分析，该桥为一座装配式先张法预应力混凝土简支空心板桥。桥跨布置为两跨，总长度为20m+20m=40m。该桥纵向单梁跨径20m，计算跨径19.96m。中板及边板尺寸见图1、2。根据道路标准横断面图，该桥横向按三幅设计，左幅12.5m（含人行道）+5m（隔离带）+中幅25m（机动车道）+右幅12.5m（含人行道）。本文以中幅桥进行分析计算。全桥跨共布置24块预应力空心板，其1/2桥宽横断面图（含空心板梁编号、铰缝编号及车道荷载布置）见图3，共双向六车道。

2 计算模型

采用Midas Civil软件建立全桥的梁格法模型[5]，整桥的计算模型见图4。模型中单元结构均为梁单元，共1 059个节点，1 446个梁单元。空心板梁底部采用弹性连接模拟板式橡胶支座；空心板间横向联系的虚拟横梁容重设置为“0”，并释放虚拟横梁间的梁端约束以模拟空心板梁铰缝的铰接状态[6]。

3 铰缝破坏模拟

空心板梁铰缝在损伤状态下，受力机理极为复杂，为简化分析过程，本文通过断开横向虚拟横梁之间的连接节点的方法，即断开实际桥梁结构铰缝横向联系的方式以模拟实际桥梁单处铰缝部分失效及铰缝完全断开失效的状态下空心板梁的横向分布系数。在保持车道荷载与车辆荷载加载位置及其他桥面二期荷载等荷载处于最不利受力因素不变的前提下，主要通过：①单处铰缝沿纵桥向的损伤分布长度x与空心板梁计算跨度l的比值来确定空心板梁沿纵向铰缝损伤破坏的百分比；②单处铰缝损伤沿桥梁纵向不同的损伤分布位置来模拟铰缝实际损伤状态，即工况①：单处铰缝损伤自至两端至跨中破坏，见图4；工况②：单处铰缝损伤自梁一端至另一端破坏，见图5。

4 计算结果与分析

为得到车辆荷载作用下的铰缝损伤程度对空心板横向传递的影响趋势和每块板的最不利受力情况，车辆加载时主要考虑的影响因素如下：①考虑不同铰缝沿纵桥向的分布长度；②考虑不同铰缝损伤沿横桥向的分布位置；③计算结果考虑车道荷载及车辆荷载作用的影响；④车辆荷载沿桥梁纵向按最不利荷载进行加载。

4.1 计算结果

因整桥桥面对称分布，为简化计算过程，本文主要研究1/2桥宽范围内编号为奇数号单处铰缝损伤状态下的空心板横向分布系数。具体计算结果如下：工况②，见图6、8、10、12、14和16；工况①，见图7、9、11、13、15和17。

4.2 结果分析

4.2.1 铰缝损伤程度对空心板桥横向分布系数影响线趋势分析。分析铰缝损伤程度对空心板在最不利车辆荷载作用状态下的横向分布系数影响线得出如下结果。

①单处铰缝出现小范围损伤（损伤程度不超过50%），以横桥向铰缝损伤处为界线，受车辆荷载作用的影响，荷载作用一侧的空心板承担的荷载随着铰缝损伤程度的增大而逐渐增大，而无车辆荷载作用一侧空心板荷载横向分布系数基本不变。与铰缝未损伤时的横向分布系数影响线相比，铰缝损伤后的空心板横向分布系数影响线变化趋势一致但增幅平缓。空心板桥横向分布系数影响线对小范围的铰缝损伤不敏感，这在一定程度上加大了桥梁结构的安全检测与损伤评识别难度。因此，桥梁结构的管养单位应加强对管辖范围内的桥梁结构的日常检查与监管。

②单处铰缝损伤程度大于50%但不超过90%，以横桥向铰缝损伤处为界线，车辆荷载作用一侧的空心板承担的荷载显著增大，空心板的荷载横向分布系数影响线增幅明显，铰缝损伤两侧空心板错位明显，而无车辆荷载作用一侧荷载横向分布系数显著减小，表明空心板桥荷载横向传递受到影响，各板块横桥向间荷载重新分布，空心板横向不均匀受力现象显著。空心板横向分布影响线在铰缝损伤部位对车辆荷载极为敏感，具有一定的铰缝损伤识别特征。因此，及时对已出较大范围铰缝损伤的空心板桥进行维修和管养，尽量避免空心板出现较大的横向不均匀受力影响桥梁结构的行车安全。

③铰缝完全破坏失效，空心板桥荷载横向传递中断，以横桥向铰缝损伤处为界线，车辆荷载完全由荷载作用一侧的空心板承担，致使不受车辆荷载作用一侧的空心板完全不受力，其横向分布系数分布为0，荷载作用一侧的空心板发生严重的挠度变形。此时，空心板桥横桥向仅少数板块受力承担全桥车辆荷载，其极大地折损桥梁结构的使用寿命。

4.2.2 铰缝损伤分布位置对空心板桥横向分布系数影响线趋势分析。分析空心板跨中铰缝损伤与桥端铰缝损伤的荷载横向分布系数影响线可知，不同的铰缝损伤部位，其对空心板桥的荷载横向分布影响线的敏感程度不同，具体表现如下。

①空心板铰缝损伤程度较小时，空心板端部铰缝损伤处出现小范围局部性的刚度及约束降低，铰缝损伤两侧空心板错位明显，桥端铰缝损伤对空心板荷载横向传递影响较大，但对空心板桥其余部位荷载横向传递无影响。因此，小范围桥端铰缝损伤对荷载横向分布系数影响线较跨中铰缝损伤荷载横向分布系数影响线更敏感。

②随着空心板铰缝损伤程度的不断增大，大范围的铰缝损伤造成空心板桥跨中铰缝损伤处刚度及约束大幅度降低，此时空心板的荷载横向传递主要依靠少数未损伤的桥端铰缝传递，跨中损伤铰缝两侧空心板错位明显，其对空心板跨中部位荷载横向传递影响较大。因此，空心板跨中部位铰缝损伤对空心板荷载横向分布影响线较桥端铰缝损伤更敏感。

5 结论

铰缝破坏极大地影响着桥梁结构的整体性和车辆荷载的横向传递及横向分布。研究铰缝损伤的分布长度和铰缝损伤的分布位置可在一定程度上有益于桥梁结构的安全评估。研究结果表明：①小范围铰缝损伤对空心板桥荷载横向传递影响较小，铰缝损伤超过一定程度，损伤铰缝中断了空心板桥横桥向出现局部范围的荷载横向传递，车辆荷载所在一侧的空心板承担着全桥的车辆荷载，损害了桥梁结构的整桥结构安全使用寿命，易形成威胁交通安全的隐患；②铰缝破坏的分布位置不同，造成空心板局部范围刚度及约束分布不均匀，其对空心板桥的荷载横向传递影响不同，损伤铰缝两侧空心板在荷载传递过程中表现出差异性错位变化，不同的铰缝损伤部位对空心板桥的荷载横向分布影响线的敏感程度不同；③单处铰缝损伤在断开其铰缝连接后，其铰缝损伤分布位置与铰缝损伤程度均在一定程度上表现为非线性的敏感性，这一点与铰缝损伤未断开其连接存在显著性不同。

参考文献：

[1]魏保立，邓苗毅.损伤桥梁的荷载横向分布计算方法研究[J].河南理工大学学报（自然科学报），2015（1）：102-108.

[2]張波.简支空心板桥铰缝受力性能分析[J].公路工程，2015（4）：111-115.

[3]吴迅，李薇.桥面铺装及铰缝对空心板梁横向分布的影响[J].结构工程师，2013（1）：22-26.

[4]宋尧，李国平.铰缝破坏对装配式空心板桥荷载横向分布的分析[J].结构工程师，2012（3）：40-45.

[5]E·C·汗勃利.桥梁上部构造性能[M].郭文辉，译.北京：人民交通出版社，1982.

[6]刘美兰.Midas civil在桥梁结构分析中的应用（一）[M].北京：人民交通出版社，2012.