空心板桥铰缝失效对荷载横向分布影响分析

2017-10-29王磊

山西交通科技 2017年5期

王磊

（山西省交通科学研究院桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室，山西太原 030006）

0 引言

作为装配式空心板梁桥上部结构的重要承重构件，混凝土铰缝将各预制空心板连接形成整体上部结构并承担着传递各预制空心板间活载内力的关键作用[1]。但由于结构自身缺陷、施工方法、使用阶段等多方面因素影响，铰缝混凝土出现了松动变位、破碎脱落、开裂渗水甚至“单板受力”现象[2-3]。严重影响了空心板梁桥上部结构的整体受力性能，大大降低了上部结构的承载能力，使上部结构处于非常不利的状态。

早期的装配式空心板桥由于设计所采用的铰缝尺寸较小，在强度与刚度方面，都无法满足荷载反复作用下的变形和受力要求而出现破损，且小跨径桥铰缝受损比例较大[4-6]。铰缝破损使后浇铰缝与预制空心板之间黏结力下降，由此导致铰缝传递水平剪力的能力大大降低[7]。陈娟娟[8]认为铰缝实际受力不仅要考虑剪力，正负弯矩的反复作用也可能是导致铰缝纵向开裂的主要原因。张波[9]的研究表明铰缝内应力随着铺装层厚度和弹性模量的增大而减小，超载能显著增加铰缝内应力，是造成空心板铰缝破坏的最主要原因。

以上研究从铰缝构造本身出发揭示铰缝受力的本质，对于认识混凝土空心板桥铰缝病害的产生具有重大工程意义。但对于铰缝失效后荷载的横向重新分配及空心板的结构安全却研究不多。通过2015年山西省长治、临汾两市国省道110余座空心板桥定期检查结果，发现“小跨径”、“小铰缝”空心板桥铰缝病害所占比例较大，对空心板桥车辆通行安全和使用寿命造成极大隐患。因此，针对不同位置及不同程度受损铰缝，对空心板桥上部结构荷载横向分布及效应变化进行深入分析十分重要。通过建立空心板桥铰缝失效的力学模型和使用ANSYS有限元对上部结构进行结构实体单元离散，研究铰缝失效后荷载横向分布及效应变化规律，进一步确定上部主要承重构件的内力状态，从而为实际工程中空心板桥损伤检测、维修加固等提供科学方法和依据。

1 铰缝失效的力学模型

1.1 整体受力模型

图1所示是标准跨径为13 m（计算跨径12.6 m）的装配式9片简支空心板桥的横断面布置，为简化计算，全桥空心板截面尺寸一致（如图2所示），铰缝为“小铰缝”，宽度1 cm，桥面两侧设置人行道及护栏。

图1 空心板桥横断面布置示意图（单位：cm）

图2 空心板截面尺寸（单位：cm）

图3 铰接板桥计算图示

式中：δik为铰接缝k内作用单位正弦铰接力，在铰接缝i处引起的竖向相对位移；δiP为外荷载P在铰接缝处引起的竖向位移。

图4 铰接板梁的典型受力图示

那么，任一空心板梁在任一铰缝内作用单位正弦铰接力的一般情况如图4所示，偏心正弦铰接力可用一个中心荷载和一个正弦分布的扭矩代替，作用在跨中位置处的相应峰值分别为gi=1和mi=b/2，ω为荷载作用下板跨中央的挠度，θ为扭矩引起的扭角。这样δik和δiP就能够用ω和θ全部表示。至此，依据图3a所示的基本体系，可写出1号空心板作用单位正弦铰接力时正则方程中的常系数为：

其余均为零。

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那么，式（6）可记作：

所以：

对于已知空心板横截面（图2），通过计算得刚度参数γ=0.0214，由matlab程序计算不难得到各铰接缝处铰接力峰值gi，在此基础上，由式（9）求得荷载作用下各空心板承担的竖向荷载峰值。

若单位正弦荷载是集中荷载，Pi1（ 1≤i≤8）就是分配到各空心板的竖向荷载值，每片空心板的荷载横向分布系数等于Pi1，计算结果如图5所示。

1.2 铰缝失效模型

成琛[6]运用遗传算法对T梁铰接处的损伤位置及程度进行识别后，指出T梁间有一个或多个铰受损后，必是以受损铰为分界线，荷载作用侧的T梁铰接力变大，无荷载侧减小。但空心板铰接力的计算图式与T梁有所差别，不同之处在于利用正则方程式（1）求解铰接力gi时，空心板不应计入悬臂端的弹性挠度f[10]。因此，这里以5号铰缝失效为例（见图3b），按文献[10]方法，认为铺装层不参与结构受力，通过分析具有4个未知铰接力的超静定问题，建立4个正则方程，求解空心板桥铰缝失效后的荷载横向重分布系数，计算结果如式（10）。

图5 荷载横向分布理论计算结果

由图5可知，空心板桥铰缝失效后，以失效铰缝为分界线，左侧空心板承担竖向荷载比例显著增大，由于竖向荷载不能有效传递，右侧空心板不承担荷载，受损铰缝相邻两侧空心板荷载横向分配系数差异较大，这与文献[6]的结论一致。下面通过ANSYS有限元进一步讨论不同损伤位置和损伤程度铰缝对空心板桥上部结构荷载横向分布及效应的影响。

2 ANSYS有限元分析

2.1 考虑铰缝的计算方法

空心板桥有限元计算方法主要包括铰接板法和实体有限元法。铰接板法在ANSYS中通过建立空间梁格模型来实现，一般使用刚度巨大的横向链杆通过耦合节点或释放横向链杆j节点的转动自由度来模拟铰缝，不考虑纵桥向剪力、法向力和横桥向弯矩[11]，空间梁格法的关键问题在于刚性横梁的刚度取值不易确定。离散实体有限单元能够准确模拟桥梁结构实际受力状态，能充分考虑翘曲、剪力滞、畸变等效应[12]。

2.2 有限元模型

以图1、图2所示，对空心板桥上部结构进行离散，上部结构从面划分到体划分分别选取MESH200和SOLID45，桥面铺装、两侧人行道及栏杆荷载均分到9块空心板。空心板及铰缝混凝土分别采用C40及C30混凝土，具体参数见表1。固定0 m处节点，约束12.6 m处节点x、y方向平动自由度。铰缝和空心板之间的黏结滑移由COMBIN39弹簧单元表示。不考虑普通钢筋及预应力作用。全桥上部结构离散有限元单元32319个，节点48571个。

图6 空心板桥有限元模型

表1 模型参数取值

2.3 计算方案

由于“小跨径”、“小铰缝”空心板桥修建较早，设计荷载等级较低。这里计算荷载采用设计荷载汽-20级，按《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015），以两车道偏载最不利位置形式布载。为简化计算，将车轮荷载以点荷载形式进行施加[13]，计算车辆荷载布置如图7所示。

通过铰缝混凝土模量折减来反映铰缝的受损程度[14]，分别对2～6号铰缝混凝土模量进行折减，折减后的模量分别为初始模量的百分之一、千分之一、万分之一、十万分之一和失效，在此基础上分析不同损伤位置和损伤程度铰缝对空心板桥上部结构跨中荷载横向分布及效应的影响。

图7 车辆荷载布置示意图（单位：m）

3 荷载横向分布及效应分析

3.1 荷载横向分布分析

不同程度、不同位置铰缝损伤对空心板桥上部结构荷载横向分布影响见图8。由图8a可知，2号铰缝损伤对上部结构荷载横向分布影响较小，但2号空心板荷载横向分布系数显著增大（1.12倍），单板效应明显。3号铰缝损伤使4号～9号空心板分担的荷载明显变大（图8b），其中4号空心板增幅最大（1.26倍），1～3号空心板荷载横向分布系数相应变小，水平面内呈明显组合板受力特征。5号铰缝损伤与3号铰缝情况正好相反，由于5号铰缝左侧荷载不能有效传递至右侧空心板，1～5号空心板承担荷载比例增大，6～9号板减小，由图8d还可以看出，5号、6号空心板荷载横向分布系数变化幅度最大（分别为1.44和0.6倍），使5号板超出设计荷载而处于不利的受力状态，危及结构安全。4号、6号铰缝损伤与5号情况基本类似，但是不及5号铰缝对上部结构荷载横向分布影响显著，以损伤铰缝为分界线，左侧空心板承担荷载比例增大，右侧减小，左侧空心板荷载横向分布系数最大增幅分别为1.14和1.17倍。由以上分析可见：

a）铰缝损伤改变了空心板桥上部结构的整体受力性能，转变为水平面内组合板甚至单板受力。

b）损伤不大（模量折减到千分之一）时，跨中位置荷载横向分布系数变化较小，继续折减时，荷载横向分布变化显著，可见铰缝损伤程度越大，组合板或单板效应越明显。

图8 铰缝损伤对荷载横向分布影响

c）铰缝损伤后，由于空心板桥上部结构荷载横向重新分配，以损伤铰缝为分界线，一侧空心板承担荷载比例增大，另一侧减小，损伤铰缝相邻空心板荷载横向分布系数相对变化最大。

以上结论与2.2理论计算结果一致，对于在役装配式空心板梁桥，上述结论可为实际工程中桥梁损伤识别、维修加固等提供科学方法和依据。

3.2 挠度分析

空心板桥上部结构荷载横向重分布改变了每片空心板分配的竖向荷载比例，使跨中挠度发生变化，铰缝失效对挠度影响如图9所示。由图9可以看出，铰缝失效后，荷载横向重分布系数越大，空心板跨中弹性挠度越大，这与3.1中的结论一致，也说明对于弹性板梁，荷载与挠度的正比关系[15]；由于挠度变化较大，使失效铰缝相邻空心板错位明显，尤其是5号铰缝失效后，5号、6号空心板挠度差值达到5.06 mm，使空心板桥上部结构水平面内呈明显组合板效应。若不及时采取有效维修加固措施，在车辆荷载长期效应及重车作用下，空心板错位将进一步增大，弹性下挠逐渐发展成塑性变形，形成永久性高差[3]。对空心板桥耐久性及使用寿命产生不可逆转的影响。