季德鈞，易漢斌，江祥林

(1.青海省高等級公路建設管理局，青海 西寧 810000; 2.江西省橋梁結構重點實驗室，江西 南昌 330038)

0 引言

20世紀90年代中期，PC 寬幅空心板以其卓越的經濟性能(截面挖空率高、單板重量輕、鋼筋用量少)而在我國公路橋梁建設中得到了廣泛的應用。然而，通過20 多年的應用，發(fā)現該類橋梁存在結構性的先天不足(①結構安全儲備偏小;②空心板間的鉸縫構造不佳、橫向傳力不良而變形不協調;③空心板徐變反拱過大等等)而致結構存在安全隱患與耐久性達不到設計預期值。據統計，國內該類型橋梁存在最多的病害是鉸縫失效后形成的單板受力現象，此時只有橋面鋪裝層參與寬幅空心板間力的傳遞［1～4］。因此，研究鉸縫失效時該類橋梁空間受力的性能，具有重要的工程實用價值。

目前，吳迅［5］從力學理論計算和有限元分析入手，分析比較鋪裝層以及鉸縫對橫向分布的影響作用，并進一步分析厚度、配筋率等影響鋪裝層剛度的因素在橫向分布中的作用;于長久［6］探討了混凝土鋪裝層參與整體結構受力，以及鋪裝層參數對鉸縫受力的影響;種永峰［7］通過試驗得到了不同鉸縫形式下板梁的撓度橫向分布等。但上述研究僅通過對比橋面鋪裝層和鉸縫協同作用及單獨作用下的荷載橫向分布來評價板梁整體受力性能，并未分析實際車輛荷載作用下梁板的空間受力。本文以某寬幅薄壁空心板橋為背景，建立空間有限元模型進行數值分析，探討了該類橋梁的空間受力行為。

1 寬幅空心板橋的空間受力分析

1.1 工程背景及模型建立

某大橋上部構造均為20 m 后張法預應力混凝土寬幅空心板。每跨各設有16 片空心板，每塊空心板預制寬155 cm，高90 cm，頂、底板厚10 cm，腹板厚11 cm，其橫截面布置如圖1所示。每塊板各設有15 根 ASTM A416 －90a 270 級(直徑 1.524 cm)鋼鉸線(采用先張法張拉)。

采用MIDAS FEA 有限元軟件進行建模分析，板梁和鉸縫均采用實體單元進行劃分。本橋面鋪裝為下層10 cm 厚鋼筋混凝土和上層4 cm 厚瀝青混凝土的組合式鋪裝層。為真實反映橋面鋪裝層對結構受力性能的影響，本文采用實體單元對二者分別建模。兩種鋪裝層共同參與結構受力，因而在考慮鋪裝層作用的有限元模型中，鋼筋混凝土和瀝青混凝土鋪裝層單獨建模，采用各自彈性模量和泊松比，鋪裝層和橋面板共用節(jié)點?；谏鲜鏊悸方⒘藘煞N模型:模型1(考慮鉸縫和橋面鋪裝層共同作用)和模型2(僅考慮橋面鋪裝層作用)如圖2所示。

圖1 某大橋半幅橫斷面示意圖(單位:cm)

圖2 寬幅空心板梁橋有限元模型

1.2 汽車荷載作用下的空間受力分析

根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60 －2004)，公路橋涵設計時，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結構的整體計算采用車道荷載;橋梁結構的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻壓力等的計算采用車輛荷載［8］。并且，在集中力(如輪載)附近鉸縫剪力有局部峰值，因此，應采用車輛荷載計算鉸縫內力［9］。

進行加載分析時，只考慮汽車荷載以點方式傳遞集中力，不考慮輪胎的接觸問題。荷載布置按跨中受力最不利位置通過影響線求得，考慮跨中截面偏載(工況1)和中載(工況2)兩種工況，如圖3。

圖3 車輛加載工況(單位:cm)

1.3 計算結果分析

目前，我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中，橋梁結構內力分析仍采用線彈性小變形假設，截面配筋設計采用彈性或彈塑性方法。為此空心板橋內力仍按照彈性階段受力分析，有限元分析按照靜力計算。工況1(跨中偏載作用)和工況2(跨中中載作用)下，寬幅空心板有、無鉸縫作用的計算取值點如圖4所示。

從表1中可知在荷載工況1 和工況2 作用下，鉸縫在一定程度上能夠改善A 和B 點處的受力，特別是在工況2 時，鉸縫的作用能夠明顯減小B 點處的橫向拉應力。

圖4 計算取值示意圖

表1 兩種工況下計算點值

此外，為了說明有、無鉸縫對荷載橫向分布的影響，由工況1 偏心布載計算出各板撓度值，見表2。并且根據撓度結果計算得到相應各板荷載橫向分布，見表3。根據傳統鉸縫板法理論［10］，荷載橫向分布計算過程如下(計算結果列入表3):

1)首先計算空心板的剛度系數γ:

求得:γ=0.016 3。

2)考慮寬幅空心板的抗扭，計算β:

按照面積及抗彎剛度等效原則，把寬幅空心板截面等效為T 型截面，計算得到d1=65.5 cm;h1=10.6 cm，代入式中求得β=0.029 5。

3)查鉸接板荷載橫向分布影響線計算用表，并按直線線性內插法求得各片板的影響線豎標值。

表2 工況1 各板撓度值 mm

表3 工況1 各板荷載橫向分布 %

從表2及表4中可知，在荷載工況1 和工況2下，有鉸縫作用能夠在一定程度上減小各板間的最大撓度值。

從表3和圖5可以看出，工況1 時各板荷載橫向分布曲線變化不明顯，且有、無鉸縫對應的計算值與理論計算值皆吻合較好。這是因為當車輛荷載作用于橋寬一側時，主要靠剪力把荷載從一側傳向另一側，彎矩顯得次要，此時鉸縫橫向抗彎剛度顯得次要。

從表5和圖6可以看出，在工況2 中心布載作用下，模型1 和模型2 計算值的荷載(撓度)橫向分布曲線形式基本一致，呈現中間大、兩側小的分布形式。

表4 工況2 各板撓度值 mm

表5 工況2 各板荷載橫向分布 %

并且從圖5和圖6中可看出，模型1 較模型2的曲線更為平坦，說明鉸縫在一定程度上改善了荷載的分布。

圖5 工況1 各板荷載橫向分布

圖6 工況2 各板荷載橫向分布

2 結論

針對寬幅空心(淺鉸)結構，建立了有、無鉸縫作用的兩種有限元數值計算模型(模型1 和模型2)。并且針對兩種模型，探討了工況1(一側布載)和工況2(中心布載)作用下整體結構的受力狀態(tài)，得出了以下幾點結論:

1)兩種工況下，在彈性階段(不考慮橋面鋪裝層開裂)有無鉸縫不影響空心板的整體受力狀態(tài)，且兩種模型下各板的荷載橫向分布相差很小。

2)兩種工況下，隨著鉸縫有效高度的減小，寬幅空心板梁的荷載橫向分布越趨近傳統鉸縫板法的計算值，各板之間的橫向聯系近似鉸接。

3)鉸縫能夠顯著地減小橋面鋪裝層下緣的橫向拉應力，工況1 作用下模型1 鉸縫底部橫向拉應力為模型2 橋面鋪裝層底部(鉸縫對應位置)橫向拉應力的73.3%，工況2 作用下模型1 鉸縫底部橫向拉應力為模型2 橋面鋪裝層底部(鉸縫對應位置)橫向拉應力的46.7%。

［1］喬學禮.空心板鉸縫破壞機理及防治措施研究［D］.西安:長安大學，2008.

［2］黃民水，朱宏平.空心板梁橋“單板受力”病害機理及其加固處治研究［J］.華中科技大學學報(自然科學版)，2008(2):118 －121.

［3］吳后選，李頡勁.藥湖大橋上部構造典型病害產生機理及其處治對策研究［J］.公路交通科技(應用技術版)，2008(11):93 －95.

［4］項貽強，邢騁，邵林海，等.鉸接預應力混凝土空心板梁橋的空間受力行為及加固分析［J］.東南大學學報(自然科學版)，2012(4):734 －735.

［5］吳 迅，李 薇.橋面鋪裝及鉸縫對空心板梁橫向分布的影響［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［6］于長久.空心板簡支梁橋橫向鉸接縫病害分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［7］種永峰.空心板梁鉸接縫模型實驗研究［D］.西安:長安大學，2008.

［8］JTG D60 －2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［9］俞 博，葉見曙，等.裝配式混凝土鉸接板橋鉸縫剪力計算［J］.深圳大學學報(理工版)，2011(1):60 －64.

［10］李國豪，石 洞.公路橋梁荷載橫向分布計算［M］.北京:人民交通出版社，1987.