■李志洪（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司福州分公司，福州350000）

?

鋪裝層厚度對空心板橋受力性能的影響分析

■李志洪
（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司福州分公司，福州350000）

以裝配式空心板橋為研究對象，利用通用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，分析了橋面鋪裝層厚度對空心板橋鉸縫構(gòu)造的開裂荷載、裂縫分布等破壞模式、空心板開裂荷載和跨中撓度與應(yīng)力的影響。研究表明：鋪裝層厚度從0cm變至10cm時對空心板跨中撓度和梁底應(yīng)力影響較大，而從10cm變至30cm時鋪裝層對跨中撓度和梁底應(yīng)力的影響變小。當鋪裝層厚度從0cm變化到30cm時，對鉸縫結(jié)合面開裂荷載影響較小，鉸縫形成通縫的荷載可提高59%，空心板開裂荷載可增大約2.5倍，結(jié)合面豎向通縫的分布長度減小42.9%；結(jié)合面底部的裂縫分布長度減小40%。

空心板鉸縫橋面整體化鋪裝層有限元分析

1引言

裝配式空心板橋在我國中小跨徑橋梁中得到廣泛應(yīng)用。裝配式空心板橋一般是通過現(xiàn)澆的企口構(gòu)造將各個獨立預(yù)制的空心板橫向連接起來，使得各片板能夠共同受力，防止單片空心板受力過大。在20世紀70年代，我國的公路裝配式空心板橋普遍采用小鉸縫構(gòu)造，有的甚至不設(shè)置鉸縫鋼筋［1］［2］。在實際使用中，這種類型的鉸縫構(gòu)造壽命短、破壞嚴重。從90年代起，我國逐步摒棄淺鉸縫構(gòu)造和焊接鋼板構(gòu)造，轉(zhuǎn)而使用深鉸縫構(gòu)造。通過對在役空心板梁橋現(xiàn)狀的調(diào)查研究表明，裝配式空心板橋在不斷增大的交通量和重載交通的作用下，鉸縫易產(chǎn)生脫落、滲水，甚至出現(xiàn)鉸縫縱向開裂，企口混凝土破碎，使得連接構(gòu)造無法實現(xiàn)傳遞荷載的能力，造成了形成“單板受力”現(xiàn)象［3］，對橋梁壽命和行車安全造成巨大威脅。因此，對單板受力橋梁進行加固改造是十分必要的。

目前，已有眾多學者對“單板受力”的現(xiàn)象的成因進行了大量的研究工作，提出了多種加固改造方法，應(yīng)用最廣泛的是橋面整體化鋪裝層加固改造。橋面整體化鋪裝層加固改造是通過增加橋面鋪裝混凝土厚度，加強鋪裝層內(nèi)橫向鋼筋，增加鉸縫鋼筋，提高鉸縫混凝土的施工質(zhì)量來提高梁體承載力。該方法加大了主梁的截面高度、提高了橋梁的整體抗彎剛度，降低了荷載作用下的撓度，改善行車條件，同時整體化鋪裝層在橫橋向上能提高傳遞荷載的能力，進而提高橋梁橫向分布荷載的能力，并具有技術(shù)成熟、施工難度小、經(jīng)濟有效等優(yōu)點［4-5］。

雖然國內(nèi)外眾多學者對采用整體化鋪裝層加固的裝配式空心板橋進行了研究［6-9］，但橋面整體化鋪裝層對空心板橋的空心板受力性能、鉸縫破壞模式、整體化鋪裝層自身的受力性能的影響，尚無明確的結(jié)論。因此，本文以整體化鋪裝層加固前后的裝配式空心板梁橋為研究對象，采用有限元方法分析不同厚度的整體化鋪裝層對不同跨徑空心板受力特性、鉸縫破壞模式的影響，以期為舊橋加固改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與借鑒。

2有限元模型

研究對象由3片中板組成，總寬3.74m。各空心板沿縱橋向為等截面，各中板寬1.24m，板高0.4m?？招陌鍢蚓唧w構(gòu)造尺寸如圖1所示。深鉸縫鋼筋分別為縱橋向間距15cm的剪刀鋼筋N2和縱向受力鋼筋N3。采用整體化鋪裝層加固前的空心板橋橋面鋪裝層厚8cm，配一層Φ8鋼筋，鋼筋間距為15×15cm。對于整體化鋪裝層加固后的空心板橋，橋面鋪裝采用直徑Φ16的鋼筋，并配置上下兩層鋼筋網(wǎng)，間距10cm×10cm?？招陌鍢蚣般q縫混凝土強度等級為C30，普通鋼筋采用HRB335。

利用ABAQUS通用程序建立有限元模型，采用C3D8單元（八節(jié)點三維線性六面體單元）模擬空心板、鉸縫和橋面鋪裝層，如圖2所示。由于在空心板和鉸縫處需要針對接觸進行模擬，故在空心板靠近鉸縫處的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細化。其中，空心板單元邊長在1cm～3cm之間，鉸縫單元邊長在0.5cm～3cm之間，鋪裝層單元邊長在3cm～12cm之間。采用T3D2單元（三維三節(jié)點桁架單元）建立空心板底部受力主筋和空心板與鉸縫結(jié)合面門式鋼筋。采用Interaction中的Embedded功能將鋼筋嵌入到混凝土實體單元中。

采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB5002-2002）［10］中塑性損傷模型模擬混凝土的塑性行為。鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，彈性模量Es=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服應(yīng)力為335MPa。

限制模型兩側(cè)布設(shè)板式橡膠支座處空心板的豎向、橫橋向和縱橋向位移，其中豎向抗壓剛度、橫橋向和縱橋向抗剪剛度根據(jù)文獻［11］設(shè)置。根據(jù)橋梁跨徑及最不利原則，與文獻［1-3］相同，選取《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）［12］中規(guī)定的標準車輛的兩后軸進行加載，即四點加載，兩后軸縱橋向間距1.4m，橫橋向輪距1.8m，縱橋向合力加載點在跨中，橫橋向合力加載點在板中心線。

不考慮空心板頂面和鉸縫頂面與橋面鋪裝層底面間的相對滑移，模型中采用區(qū)域綁定約束Tie連接，使上述各接觸面的平動和轉(zhuǎn)動相互耦合?？招陌迮c鉸縫的結(jié)合面屬于新、老混凝土結(jié)合面，如圖3所示，新老混凝土粘結(jié)強度可以分為法向軸拉粘結(jié)強度ft和兩個沿著結(jié)合面切向方向的粘結(jié)剪切強度τx、τy。法向軸拉粘結(jié)強度采用文獻［13-14］的計算方法，即：選取軸拉強度標準值較小的空心板側(cè)混凝土（C30）的軸拉強度標準值的70%。關(guān)于粘結(jié)剪切強度，采用葉見曙等［15］提出的普通混凝土鉸縫抗剪強度計算公式；新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)滑移關(guān)系是進行有限元模擬的重要依據(jù)，主要包括粘結(jié)滑移曲線的類型、結(jié)合面上兩個方向的剪切強度τx和τy、結(jié)合面法向軸拉強度ft、結(jié)合面粘結(jié)滑移剛度K和最終的滑移值與峰值應(yīng)力對應(yīng)滑移值Su/So。根據(jù)文獻［20］可以采用雙折線模型來模擬空心板與鉸縫結(jié)合面的粘結(jié)滑移關(guān)系，并通過統(tǒng)計得到關(guān)于空心板與鉸縫結(jié)合面粘結(jié)滑移曲線相關(guān)參數(shù)的取值范圍：結(jié)合面法向軸拉粘結(jié)滑移曲線類型與沿著結(jié)合面表面方向的抗剪粘結(jié)滑移曲線類型相同；空心板與鉸縫結(jié)合面的粘結(jié)滑移剛度K可取5MPa/ mm～15MPa/mm之間，計算模型中取10MPa/mm；最終滑移值和峰值應(yīng)力對應(yīng)的滑移值之比可取1.5～3.0，計算模型取2.0。將法向和切向的粘結(jié)滑移曲線示于圖4。

圖1　空心板截面（單位：cm）

圖2　有限元計算模型

圖3　結(jié)合面黏結(jié)強度方向

圖4　結(jié)合面粘結(jié)滑移曲線

3結(jié)果與分析

3.1鋪裝層厚度對結(jié)合面的影響

在ABAQUS有限元軟件中，采用Surface-basedcohesivebehavior模擬結(jié)合面的粘結(jié)滑移性行為。根據(jù)已進行的研究結(jié)果［1-3］，空心板與鉸縫的結(jié)合面是空心板橋最薄弱部位，且最易發(fā)生開裂。當在結(jié)合面上的某個點的三個方向的位移（法向張開量、豎向滑移值和縱向滑移值）中有一個達到這個方向的限值，即認為該處發(fā)生粘結(jié)破壞并發(fā)生開裂的標志。且已有相關(guān)研究表明，結(jié)合面豎向相對滑移量最易先超過限值，可以以豎向相對滑移量作為結(jié)合面粘結(jié)破壞失效的指標。

由于對稱性，以1#結(jié)合面為例分析不同整體化鋪裝層厚度對結(jié)合面破壞模式的影響，并列于表1?？梢钥闯觯斾佈b層厚度從0cm變化到30cm：鋪裝層厚度對鉸縫結(jié)合面開裂荷載影響較小，從60kN提高到70kN，提高17%；鉸縫形成通縫的荷載由110kN提高到175kN，提高59.1%；200kN荷載作用下，結(jié)合面豎向通縫的分布長度由跨中3.5m范圍減小到跨中2.0m范圍，減小42.9%；結(jié)合面底部的裂縫分布長度由跨中7.0m范圍減小到4.2m，減小40%。

3.2鋪裝層厚度對空心板的影響

考慮鋪裝層施工過程中空心板橋受力變化的三個階段，即預(yù)制空心板橋承受自身重量、空心板橋承受自身重量和鋪裝層的濕重、空心板橋與鋪裝層形成疊合結(jié)構(gòu)，共同承擔承擔外荷載作用，分析鋪裝層厚度分別為0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm時，對空心板跨中撓度、跨中主梁應(yīng)力和空心板開始開裂時的荷載（開裂荷載）的影響。

表1　不同鋪裝層厚度下結(jié)合面破壞模式匯總表

相同外荷載作用下，鋪裝層厚度對空心板橋跨中撓度、跨中主梁應(yīng)力以及開裂荷載的影響示于圖5?？梢钥闯?，鋪裝層厚度從0cm變至10cm時對空心板跨中撓度和應(yīng)力影響較大，而從10cm變至30cm時鋪裝層對跨中撓度和應(yīng)力的影響變小。隨著鋪裝層厚度的增加，各空心板的開裂荷載增加，鋪裝層從0cm變化到30cm，1#空心板的開裂荷載從100kN增大到252kN，增加2.52倍；2#空心板的開裂荷載從86kN增大到230kN，增加2.67倍。

圖5　不同鋪裝層厚度空心板橋受力影響

4結(jié)論

（1）鋪裝層厚度從0cm變至10cm時對空心板跨中撓度和梁底應(yīng)力影響較大，而從10cm變至30cm時鋪裝層對跨中撓度和梁底應(yīng)力的影響變小?？招陌彘_裂荷載與鋪裝層厚度基本成線性關(guān)系，當鋪裝層厚度從0cm變化到30cm時，1#空心板的開裂荷載從100kN增大到252kN，增加2.52倍；2#空心板的開裂荷載從86kN增大到230kN，增加2.67倍。

（2）當鋪裝層厚度從0cm變化到30cm時，鋪裝層厚度對鉸縫結(jié)合面開裂荷載影響較小，僅從60kN提高到70kN，提高17%；鉸縫形成通縫的荷載由110kN提高到175kN，提高59.1%。

（3）200kN荷載作用下，結(jié)合面豎向通縫的分布長度由跨中3.5m范圍減小到跨中2.0m范圍，減小42.9%；結(jié)合面底部的裂縫分布長度由跨中7.0m范圍減小到4.2m，減小40%。

［1］陳悅馳，吳慶雄，陳寶春.裝配式空心板橋鉸縫破壞模式有限元分析［J］.工程力學，2014，31（增刊）：51-58.

［2］王渠，吳慶雄，陳寶春.裝配式空心板橋鉸縫破壞模式試驗研究［J］.工程力學，2014，31（增刊）：115-120.

［3］吳慶雄，陳悅馳，陳康明.結(jié)合面底部帶門式鋼筋的鉸接空心板破壞模式分析［J］.交通運輸工程學報，2015，15（5）：15-25.

［4］吳穎恒，張俊平.橋面鋪裝對簡支空心板橋受力行為的影響研究［J］.廣州大學學報（自然科學版），2011，10（1）：60-64.

［5］詹華熙，王國亮，魏洪昌.橋面補強層加固法系統(tǒng)研究［J］.公路交通科技，2006，23（4）：87-90，103.

［6］曹文生，孫愛群，郝國強，郭慶林.鋪裝層對空心板橋橫向分布系數(shù)的影響研究［J］.工程與實驗，2009，49（3），19-21.

［7］李永志，王仁健.空心板梁橋面補強加固方法研究［J］.公路工程與運輸，2008（9）：77-79.

［8］鄒蘭林，彭冬.裝配式板橋橋面鋪裝層受力特性分析［J］.公路與汽運，2010（5）：147-150.

［9］季廣軍.橋面鋪裝層植筋加固空心板梁試驗與研究［J］.橋梁與隧道工程，2012（6）：100-103.

［10］GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［11］秦德生.板式橡膠支座力學性能試驗研究及數(shù)值模擬［D］.大連：大連理工大學，2008.

［12］JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［13］劉健.新老混凝土粘結(jié)的力學性能研究［D］.大連：大連理工大學，2000.

［14］劉沛林.裝配式鋼筋混凝土簡支板梁橋鉸縫受力性能研究［D］.北京：清華大學，2010.

［15］葉見曙，劉九生，俞博，等.空心板混凝土鉸縫抗剪性能試驗研究［J］.公路交通科技，2013，30（6）：33-39.