張立東 孫全勝

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

·橋梁·隧道·

空心板梁橋鉸縫損壞對橫向分布的影響

張立東 孫全勝

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

通過對空心板梁上部結(jié)構(gòu)病害調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，鉸縫破壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重，由于鉸縫剛度發(fā)生變化造成了橋梁整體受力變化，甚至可能出現(xiàn)單板受力特征，借助Midas civil有限元分析軟件建立了有限元模型，分析了鉸縫損壞對橋梁橫向分布的影響，可為同類橋梁鉸縫維修與加固提供理論依據(jù)。

空心板梁，鉸縫，橫向分布，單板受力，有限元分析

0 引言

現(xiàn)如今中國的橋梁事業(yè)發(fā)展迅速，裝配式空心板梁由于構(gòu)造簡單、施工方便、造價(jià)比較低等諸多優(yōu)點(diǎn)從而得到了廣泛的應(yīng)用。對已建成的空心板梁橋調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，鉸縫出現(xiàn)了混凝土破碎脫落、松動(dòng)變位、開裂滲水等現(xiàn)象，有的更為嚴(yán)重，出現(xiàn)了單板受力現(xiàn)象[1]。單板受力是指橋梁結(jié)構(gòu)橫向連接構(gòu)造完全失效，造成了某一塊板獨(dú)自承受荷載，致使梁內(nèi)鋼筋以及混凝土提前進(jìn)入疲勞期。另一方面單板受力的空心板梁在荷載長期作用下產(chǎn)生了塑性變形，與相鄰的空心板梁形成了永久性錯(cuò)臺(tái)，很大程度上降低了橋梁的承載能力，使上部結(jié)構(gòu)處于非常不利的受力狀態(tài)，給行車留下了極大的安全隱患[2]。因此，研究鉸縫損壞對橋梁橫向分布的影響，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值[3]。

1 鉸縫的構(gòu)造形式及病害成因分析

1.1 構(gòu)造形式

鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土空心板多采用裝配式施工，為了使空心板梁形成整體結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)車輛荷載的作用，在板梁間必須設(shè)置橫向連接構(gòu)造，即鉸接縫。對已有的空心板梁橋來說，鉸縫一般分為三種形式，淺鉸縫、中鉸縫以及深鉸縫，如圖1所示。為了加強(qiáng)空心板梁的整體性，鉸縫內(nèi)增設(shè)鋼筋網(wǎng)，再用細(xì)骨料混凝土填充使之成為一個(gè)整體。經(jīng)過試驗(yàn)分析，相比淺鉸縫和中鉸縫，深鉸縫尺寸較大，鋼筋網(wǎng)埋置深度較深，從而構(gòu)造連接性更強(qiáng)，鉸縫的剛度也就更大，在橋梁的服役過程中深鉸縫的病害也最少。

1.2 病害成因分析

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，空心板鉸縫破損是多方面的，其中主要是由結(jié)構(gòu)自身缺陷、施工、使用階段等因素引起的[4]。

1)結(jié)構(gòu)自身缺陷。對于裝配式空心板梁鉸縫破損是非常普遍的現(xiàn)象?？招陌辶航ㄖ叨鹊偷膬?yōu)點(diǎn)同時(shí)也成為了自身的薄弱環(huán)節(jié)，相比其他形式的梁，其整體剛度和強(qiáng)度要小很多。為了增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體受力性能，采用后澆筑的混凝土鉸縫來實(shí)現(xiàn)橋梁的橫向聯(lián)系。由于結(jié)構(gòu)自身存在缺陷，在荷載長期的作用下很容易發(fā)生損壞，導(dǎo)致板間橫向聯(lián)系失效。

2)施工因素。在施工過程中由于外界因素的影響必然會(huì)導(dǎo)致工程質(zhì)量上的不足。鉸縫采用的是后澆筑混凝土，由于梁體側(cè)面混凝土鑿毛不徹底，濕潤程度不夠，造成新舊混凝土之間粘結(jié)力以及抗剪能力不足，致使鉸縫發(fā)生損壞。另外由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，鉸縫混凝土尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在車輛荷載長期反復(fù)的作用下內(nèi)部容易發(fā)生損傷。

3)使用階段。根據(jù)我國現(xiàn)如今的實(shí)際情況，車輛超載往往伴隨著鉸縫的損壞。近年來我國的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，交通系統(tǒng)不斷完善，重軸車不斷的出現(xiàn)，超載現(xiàn)象比較嚴(yán)重。由于空心板梁鉸縫的剛度小，是全橋整體受力的薄弱部位，在荷載長期反復(fù)作用下必然引起鉸縫的疲勞損壞。

2 鉸縫損壞對橫向分布影響的分析

借助Midas civil有限元分析軟件對空心板梁橋建立有限元模型，通過施加邊界條件及釋放梁端約束，模擬空心板梁的實(shí)際工作狀態(tài)[5]，通過觀察空心板的橫向分布系數(shù)以及撓度的變化，分析鉸縫的損壞對全橋整體受力的影響。

2.1 有限元模型的建立

采用梁格法對某16 m空心板梁橋建立有限元模型，本次模型共有343個(gè)節(jié)點(diǎn)，466個(gè)單元，如圖2所示。

2.2 鉸接板理論

對于用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫連接的裝配式板橋，塊件間橫向具有一定的連接構(gòu)造，但其連接剛性又很薄弱。當(dāng)板塊上有荷載作用時(shí)，除了本身引起縱向撓曲外，其他板塊也會(huì)受力而發(fā)生相應(yīng)的撓曲，顯然鉸接板是通過鉸縫在各個(gè)板間傳遞剪力而起到傳遞荷載的作用，從而達(dá)到整體受力的作用。鉸接板計(jì)算圖式如圖3所示。

對于具有(n-1)個(gè)未知的鉸接力的超靜定問題，總有(n-1)條鉸接縫，將每一鉸縫切開形成基本體系，利用兩相鄰板塊在鉸接縫處的豎向相對位移為零的變形協(xié)調(diào)條件下，可列出四個(gè)正則方程如下[6]：

2.3 橫向分布分析

鉸縫是否完好對上部結(jié)構(gòu)整體受力至關(guān)重要，一旦鉸縫發(fā)生破壞，空心板梁的橫向分布系數(shù)將重新分配[7]，那么如果鉸縫發(fā)生不同程度的破損，每片空心板梁的橫向分布系數(shù)以及撓度又會(huì)有怎樣的影響。建立Midas civil有限元模型，對空心板梁進(jìn)行對稱加載，如圖4所示。通過釋放梁端約束來模擬鉸縫6種不同的破損狀態(tài)，即完好、破損20%、破損40%、破損60%、破損80%以及完全破損狀態(tài)，分析1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)板梁的撓度以及橫向分布系數(shù)的變化。

1)模擬全橋鉸縫完好、破損20%、破損40%、破損60%、破損80%以及完全破損至單板受力狀態(tài)。撓度、橫向分布系數(shù)值如表1，表2所示，破損率—橫向分布系數(shù)曲線圖如圖5所示，完全破損致使板受力狀態(tài)模型圖如圖6所示。

表1 破損率—撓度關(guān)系表(一)

表2 破損率—橫向分布系數(shù)關(guān)系表(一)

由圖5，圖6和表1，表2可以看出，鉸縫在不同的破損狀態(tài)下橫向分布系數(shù)的變化。在完全破損之前4號(hào)板和5號(hào)板的橫向分布系數(shù)不斷增大，其余板變化趨勢與其相反。在完全破損狀態(tài)下5號(hào)板的橫向分布系數(shù)達(dá)到最大值1，形成單板受力，其余板的橫向分布系數(shù)為0。造成這種現(xiàn)象的原因是由于鉸縫發(fā)生破損，剪力在各板間傳遞效果將減弱，這就使直接承受車輛荷載的板和其相鄰的板內(nèi)力不斷增大，其余的板的內(nèi)力由于剪力傳遞效果減弱而減小。

2)模擬任意兩片板(如邊板)鉸縫完好、破損20%、破損40%、破損60%、破損80%以及完全破損至單板受力狀態(tài)。撓度、橫向分布系數(shù)值如表3，表4所示，破損率—橫向分布系數(shù)曲線圖如圖7所示，邊板鉸縫完全破損狀態(tài)模型圖如圖8所示。

表3 破損率—撓度關(guān)系表(二)

表4 破損率—橫向分布系數(shù)關(guān)系表(二)

由圖7，圖8和表3，表4可以看出，邊板鉸縫隨著破損率不斷增大直至完全破損退出工作，其橫向分布系數(shù)不斷減小并且最終達(dá)到最小值0，其他板橫向分布系數(shù)不斷增大。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是鉸縫破損致使剪力傳遞效果減弱，破損鉸縫兩側(cè)的板梁，車輛荷載作用的一側(cè)承擔(dān)了大部分的荷載，無荷載直接作用的一側(cè)將承擔(dān)少部分的荷載，當(dāng)完全破損時(shí)，將不再承擔(dān)車輛荷載。

3 結(jié)語

本次通過對空心板梁橋的有限元模擬分析可得出以下結(jié)論：

1)鉸縫破損使橫向分布系數(shù)重新分配，嚴(yán)重影響了橋梁的整體受力。通過模型的分析，確定鉸縫不同的破損狀態(tài)時(shí)各片板的橫向分布系數(shù)，從而確定各片梁的內(nèi)力，為行車提供安全保證。

2)當(dāng)鉸縫完全損壞時(shí)造成了單板受力特征，使某一片板單獨(dú)承受荷載?？招陌辶簶蛴捎趩伟迨芰艽蟪潭壬辖档土藰蛄旱某休d能力，使上部結(jié)構(gòu)處于非常不利的受力狀態(tài)，給行車留下了極大的安全隱患。

3)通過圖表可以看出橫向分布系數(shù)的變化趨勢，為研究建立健全的安全評估系統(tǒng)提供理論依據(jù)，從而提出有關(guān)防護(hù)措施來解決鉸縫破損的問題。

[1] 趙素潔.行車道板單板受力狀態(tài)分析[J].中外公路，2003(3)：5-6.

[2] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 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)碩士學(xué)位論文，2008.

[4] 王成明，劉其偉.在役空心板梁橋鉸縫破壞成因分析及維修處治[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2011(5)：21-22.

[5] 葛俊穎.橋梁工程軟件Midas civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[6] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7] 成 琛，沈成武，許 亮.用鉸接板(梁)法計(jì)算有損傷橋梁的橫向分布系數(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2004(2)：91.

Hollow plate girder bridge damaged hinge joints on the transverse distribution

Zhang Lidong Sun Quansheng

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Through the hollow beam superstructure disease research found that very serious damage to the hinge joints. Due to changes in the stiffness of the hinge joints caused a bridge overall force changes that may even force the board features. With the help of Midas civil finite element analysis software to establish the finite element model to analyze the impact of the bridge damaged hinge joints transverse distribution can provide a theoretical basis for the kind of bridge maintenance and reinforcement of hinge joints.

hollow plate girder, hinge joint, transverse distribution, single plank bearing, finite element analysis

2015-06-09

張立東(1990- )，男，在讀碩士； 孫全勝(1968- )，男，博士后，博士生導(dǎo)師，教授

1009-6825(2015)23-0144-03

U445.7

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