季德鈞，易漢斌，江祥林

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

0 引言

20世紀(jì)90年代中期，PC 寬幅空心板以其卓越的經(jīng)濟(jì)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(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，通過20 多年的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該類橋梁存在結(jié)構(gòu)性的先天不足(①結(jié)構(gòu)安全儲備偏小;②空心板間的鉸縫構(gòu)造不佳、橫向傳力不良而變形不協(xié)調(diào);③空心板徐變反拱過大等等)而致結(jié)構(gòu)存在安全隱患與耐久性達(dá)不到設(shè)計預(yù)期值。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)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(xiàn)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(xué)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(jìn)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(jié)構(gòu)受力，以及鋪裝層參數(shù)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(xié)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(jìn)行數(shù)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(gòu)造均為20 m 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土寬幅空心板。每跨各設(shè)有16 片空心板，每塊空心板預(yù)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(shè)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(jìn)行建模分析，板梁和鉸縫均采用實體單元進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60 －2004)，公路橋涵設(shè)計時，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算采用車道荷載;橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)采用車輛荷載計算鉸縫內(nèi)力［9］。

進(jìn)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(jié)果分析

目前，我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析仍采用線彈性小變形假設(shè)，截面配筋設(shè)計采用彈性或彈塑性方法。為此空心板橋內(nèi)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(yīng)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(jù)撓度結(jié)果計算得到相應(yīng)各板荷載橫向分布，見表3。根據(jù)傳統(tǒng)鉸縫板法理論［10］，荷載橫向分布計算過程如下(計算結(jié)果列入表3):

1)首先計算空心板的剛度系數(shù)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(nèi)插法求得各片板的影響線豎標(biāo)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(yīng)的計算值與理論計算值皆吻合較好。這是因為當(dāng)車輛荷載作用于橋?qū)捯粋?cè)時，主要靠剪力把荷載從一側(cè)傳向另一側(cè)，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(xiàn)中間大、兩側(cè)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(jié)論

針對寬幅空心(淺鉸)結(jié)構(gòu)，建立了有、無鉸縫作用的兩種有限元數(shù)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(cè)布載)和工況2(中心布載)作用下整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，得出了以下幾點結(jié)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(tǒng)鉸縫板法的計算值，各板之間的橫向聯(lián)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(yīng)力，工況1 作用下模型1 鉸縫底部橫向拉應(yīng)力為模型2 橋面鋪裝層底部(鉸縫對應(yīng)位置)橫向拉應(yīng)力的73.3%，工況2 作用下模型1 鉸縫底部橫向拉應(yīng)力為模型2 橋面鋪裝層底部(鉸縫對應(yīng)位置)橫向拉應(yīng)力的46.7%。

［1］喬學(xué)禮.空心板鉸縫破壞機(jī)理及防治措施研究［D］.西安:長安大學(xué)，2008.

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

［3］吳后選，李頡勁.藥湖大橋上部構(gòu)造典型病害產(chǎn)生機(jī)理及其處治對策研究［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2008(11):93 －95.

［4］項貽強(qiáng)，邢騁，邵林海，等.鉸接預(yù)應(yīng)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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(xué)，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(xué)，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(xué)，2008.

［8］JTG D60 －2004，公路橋涵設(shè)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(xué)學(xué)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.