空心板梁桥横向刚度对主梁受力性能影响分析

刘永超

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

空心板梁桥，因其具有结构形式简单、便于施工等优点，在中小跨径桥梁中得到了广泛的应用。但是，在实际管养过程中，会发现这种结构形式具有最明显的一个缺陷就是横向联系容易破坏，削弱了上部结构的整体性。空心板梁桥是通过横向连接构造组合在一起的，最常用的连接方式就是企口式混凝土铰连接。设计时假设预制板之间只传递剪力而不传递弯矩[1]。实际运营过程中，重载车较多，交通量增长较快，超出设计水平，导致铰缝破坏。当铰缝破坏后，横向联系削弱，导致某些板横向分布系数增大，抗弯或抗剪承载能力不足。以某简支空心板梁桥为例，结合外观病害情况，建立有限元模型对铰缝破损后主梁受力性能进行分析，试图为类似桥梁现场检测工作提供定性判断的参考，同时也为承载能力评定提供分析方法。

1 有限元模型的建立

某桥跨径布置为7×16.0m，桥梁全长为116.2m，交角为90°。桥面净宽为9.0m，双向两车道。左、右侧各设置1.0m宽的人行道，支座采用板式橡胶支座。上部结构为钢筋混凝土简支无翼缘空心板，每孔10片板。设计荷载：汽车-20级。该桥第2～5孔桥面存在纵向裂缝或纵向裂缝带，主要分布在第2、4、5、6、8号铰缝对应位置。

利用有限元软件建立上部结构分析模型。只分析汽车荷载的作用效应，车道加载位置分为偏载和对称布载两种情况，车道间距依据现行设计规范进行设置[2]。

图1 车道偏载示意图(单位：mm)

铰缝采用虚拟横梁来模拟，其截面特性按顶、底板厚度组成的二字型截面计算[3]。虚拟横梁在主梁之间即铰缝处释放梁端约束，使其只传递剪力而不传递弯矩，以此来模拟空心板受力状态。虚拟横梁的间距大致等于主梁间距。支座采用一般支撑来模拟，支座节点与主梁节点采用弹性连接里的刚性连接进行模拟。由于只对主梁进行分析，故未建立下部结构模型。建立的有限元模型如图3所示。

图3 上部结构有限元模型

2 铰缝破损对主梁受力性能影响分析

2.1 单一铰缝破坏程度对主梁受力性能影响分析

结合该桥病害情况及车道布置情况，选取4号铰缝进行分析。分别假设其完好、破坏1/3、破坏2/3及全部破坏，分析铰缝破坏不同程度对主梁受力性能的影响，其余铰缝完好。铰缝破坏部位的虚拟横梁，释放竖向剪力约束，即该部位铰缝完全失去联系。分析的结果数据如表1、表2所示。

表1 偏载各主梁跨中弯矩、挠度结果表

表2 对称布载各主梁跨中弯矩、挠度结果表

第4号铰缝破坏不同程度下各主梁跨中弯矩分布图如图4、图5所示。

图4 偏载各主梁跨中弯矩图

图5 对称布载各主梁跨中弯矩图

从图4可以看出，在偏载情况下，随着4号铰缝破坏长度的增加，右侧主梁跨中弯矩逐渐增大，5号梁增大最明显，而左侧主梁跨中弯矩逐渐减小，4号梁减小最明显。当铰缝由完好发展到破坏1/3过程中，弯矩变化幅度最大；当铰缝破坏1/3之后，弯矩变化不是很明显。所以可以看出，当铰缝仅破坏一部分时相邻主梁的内力就会有很大增加，这就需要现场检测过程中，对铰缝渗漏提高重视，早发现，早处置。跨中挠度有类似的变化规律，不再阐述。

从图5可以看出，在对称布载情况下，随着4号铰缝破坏长度的增加，右侧主梁跨中弯矩逐渐增大，5号梁增大最明显，而左侧主梁跨中弯矩逐渐减小，4号梁减小最明显。对比两种布载情况，对称布载时铰缝破坏对主梁的影响范围更大。偏载情况下，影响较大的是铰缝相邻主梁，而对称布载时，几乎所有板都会受到较大影响。实际运行情况下，双向两车道这两种布载形式均能发生。所以，要特别注意破坏铰缝相邻主梁，同时也应该兼顾其他主梁，不要遗漏。跨中挠度有类似的变化规律，不再阐述。

2.2 多铰缝破坏对主梁受力性能影响分析

根据平时养护经验可知，空心板铰缝破坏多发生在车轮轨迹附近。为此，有针对性地进行分析，不仅能够减少计算工作量，又能把握住重点，与实际情况相符。

由于结构对称，只分析第2、4、5号铰缝渗漏时，对主梁的受力性能影响。共分5个工况，具体含义如下：

工况1：所有铰缝完好。

工况2：2号铰缝渗漏。

工况3：4号铰缝渗漏。

工况4：5号铰缝渗漏。

工况5：2、4、5号铰缝均渗漏。

其中，工况1、工况3分析结果已经在表1、表2中给出，在此不再给出，仅给出工况2、工况4和工况5分析数据。具体分析的结果数据如表3、表4所示。

表3 偏载各工况主梁跨中弯矩、挠度结果表

表4 对称布载各工况主梁跨中弯矩、挠度结果表

各工况各主梁跨中弯矩分布图如图6、图7所示。

图6 偏载各工况主梁跨中弯矩图

图7 对称布载各工况主梁跨中弯矩图

从图6可以看出，在偏载情况下，2号铰缝渗漏、4号铰缝渗漏、5号铰缝渗漏、2、4、5号铰缝均渗漏，依次对主梁受力性能影响越来越大。即铰缝破坏位置越靠中间，主梁跨中弯矩变化幅度越大，影响的主梁范围也越大。而当多铰缝破坏时，对主梁的受力影响是显著的，比如5号梁，单一铰缝破坏时弯矩增长23.8%，而多铰缝破坏时，弯矩增长为105.5%，严重威胁结构安全。跨中挠度有类似的变化规律，不再阐述。

从图7可以看出，在对称布载情况下，5号铰缝渗漏对主梁受力性能影响最小，4号铰缝渗漏时，5号主梁受力最大，跨中弯矩增长31.7%，2号铰缝渗漏时，3号主梁受力最大，跨中弯矩增长40%。可见，铰缝破坏位置由中间向两边，主梁跨中弯矩变化幅度越来越大。而当多铰缝破坏时，对主梁的受力影响是显著的，比如5号梁跨中弯矩增长105.5%，严重威胁结构安全。跨中挠度有类似的变化规律，不再阐述。

3 结论

(1)当铰缝由完好发展到破坏1/3过程中，弯矩变化幅度最大；当铰缝破坏1/3之后，弯矩变化不是很明显。这就需要现场检测过程中，对铰缝渗漏提高重视，早发现，早处置。

(2)单一铰缝破坏，铰缝相邻主梁跨中弯矩最大增加40%。

(3)在偏载情况下，铰缝破坏位置越靠中间，主梁跨中弯矩变化幅度越大，影响的主梁范围也越大。在对称布载情况下，铰缝破坏位置由中间向两边，主梁跨中弯矩变化幅度越来越大。

(4)多铰缝破坏时，对主梁的受力影响最显著，主梁弯矩增长最大为105.5%，严重威胁结构安全。