陳長(zhǎng)萬(wàn)，陳映貞

（1.廣東廣樂(lè)高速公路有限公司，廣東清遠(yuǎn)　511510；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州　510550）

裝配式空心板橋鉸縫局部受力性能研究

陳長(zhǎng)萬(wàn)1，陳映貞2

（1.廣東廣樂(lè)高速公路有限公司，廣東清遠(yuǎn)511510；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州510550）

對(duì)裝配式空心板橋鉸縫病害、實(shí)際工作狀況、局部受力性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：裝配式空心板橋鉸縫損壞是引起橋面鋪裝縱向開裂、板底橫裂、板間錯(cuò)臺(tái)及單板受力的主因；裝配式空心板橋鉸縫計(jì)算只傳遞剪力的假定，與實(shí)際受力狀態(tài)不相符，采用彈性支承連續(xù)梁法進(jìn)行計(jì)算分析更符合實(shí)際受力情況。

裝配式空心板橋；鉸縫；單板受力；彈性支承連續(xù)梁

裝配式空心板橋因其主梁高度小、預(yù)制施工可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)而在中小跨徑橋梁中得到廣泛應(yīng)用。然而，近年來(lái)，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，超載車輛迅速增長(zhǎng)，我國(guó)高速公路上某些預(yù)制空心板橋梁鉸縫產(chǎn)生了不同程度的損壞，橋面鋪裝產(chǎn)生縱向裂縫，進(jìn)而出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)使用的安全性和耐久性造成嚴(yán)重威脅［1-3］。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)此開展了較多的理論計(jì)算和試驗(yàn)研究分析［4-6］，但由于預(yù)制空心板鉸縫受力機(jī)理復(fù)雜，故對(duì)空心板梁因后期重載交通所引起的開裂失效破壞，目前還沒(méi)有一個(gè)有效的解決方法。為此，本文從裝配式混凝土空心板橋鉸縫的實(shí)際工作狀況出發(fā)，在對(duì)其單板受力病害特征進(jìn)行分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)鉸縫的局部受力進(jìn)行深入的計(jì)算分析，以揭示單板受力產(chǎn)生的機(jī)理，并提出改善其結(jié)構(gòu)受力性能的處治措施。

1　裝配式空心板橋鉸縫病害特征分析

由于鉸縫計(jì)算分析理論基本假定存在不足，致使鉸縫施工質(zhì)量控制難度大，在后期營(yíng)運(yùn)超載車輛的綜合作用下，目前許多中小跨徑裝配式空心板橋出現(xiàn)了鉸縫構(gòu)造局部損壞甚至單板受力現(xiàn)象。這些病害主要特征如下：

1）病害一般發(fā)生在行車道范圍內(nèi)，特別是重車行駛方向。由于重車車速較慢，且很少占用超車道，故行車道部分的開裂頻率遠(yuǎn)大于超車道部分。由于重車車輪直接作用在板梁上，導(dǎo)致鉸縫破壞病害更容易發(fā)生在行車道輪跡部位附近。對(duì)于發(fā)生病害的鋼筋混凝土板梁橋而言，其鉸縫混凝土被拉壞或剪壞，并逐步松散、脫落，致使橋梁橫向聯(lián)系效果明顯下降，從而導(dǎo)致橋梁整體受力性能降低。

2）鉸縫破壞總是與鉸縫開裂、水損害、鋪裝層開裂等其它病害一同發(fā)生。其主要原因如下：一方面，橋面上積水得不到及時(shí)排泄，雨水、雪水順著開裂后的防水混凝土層向下滲漏，鉸縫受水分侵蝕而堿化，并留下明顯的滲水痕跡；另一方面，鉸縫混凝土開裂后，雨水沿著鉸縫混凝土與板梁側(cè)壁間的縫隙滲出。

3）對(duì)于行車道鉸縫破壞處上方的瀝青面層而言，由于車輪的沖擊疲勞作用，其普遍存在車轍和具有規(guī)律性的縱向貫通裂縫，嚴(yán)重時(shí)形成一條破碎帶。但具有較厚橋面鋪裝層的板梁橋其鉸縫破壞較少，這得益于輪載傳力面積的擴(kuò)散效果。另外，水泥混凝土鋪裝比瀝青混凝土鋪裝出現(xiàn)貫通裂縫的情況相對(duì)少一些。

4）當(dāng)車輛通過(guò)鉸縫破壞的板梁橋時(shí)，板梁會(huì)產(chǎn)生彈性下?lián)?，致使受到車輪作用的板與其兩側(cè)的板上下錯(cuò)動(dòng)，形成臺(tái)階。

5）伴隨著空心板梁間鉸縫失效破壞，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象，加上在營(yíng)運(yùn)階段受到超載車輛的作用，空心板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于承載能力，致使空心板底部出現(xiàn)橫向開裂病害。裝配式空心板單板受力典型病害及板底橫裂狀況如圖1所示。

圖1　空心板單板受力病害及板底橫裂狀況

2　裝配式空心板橋?qū)嶋H工作狀況分析

通常，裝配式空心板橋設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，均假定企口縫的高度不大，剛性甚弱，近似地視為鉸接，鉸縫只傳遞豎向剪切力，不傳遞彎矩，具體受力如圖2所示。由此可知，鉸縫具有板梁間傳遞內(nèi)力并約束位移的關(guān)鍵作用，即整個(gè)橋梁要想形成共同受力的整體，取決于鉸縫施工質(zhì)量的好壞，也就是說(shuō)，一旦鉸縫破壞，鉸縫的連接作用將被削弱，從而將導(dǎo)致板梁的實(shí)際受力與原來(lái)假設(shè)的板梁整體受力體系脫離，致使板梁間受力分配不均勻，并進(jìn)一步加大鉸縫內(nèi)力，加速鉸縫進(jìn)一步破壞。如果鉸縫完全失效，則板梁相互之間將不再協(xié)同受力。因此，鉸縫失效將導(dǎo)致單片板梁受力，并使板梁承受的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)預(yù)想值，從而導(dǎo)致板梁因承受不了多增加的荷載而產(chǎn)生裂縫。

圖2　裝配式空心板鉸縫原設(shè)計(jì)受力分析

然而，從裝配式空心板鉸縫的實(shí)際工作狀況看，板梁通常承受偏離其縱軸線的偏心荷載，故其變形既有撓曲又有轉(zhuǎn)動(dòng)，而板梁撓曲、轉(zhuǎn)動(dòng)引起的豎向位移分量又使其相鄰板也產(chǎn)生撓曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還將剪力和扭矩也傳遞給相鄰板，且板梁轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)向水平位移分量將通過(guò)鉸縫及橋面鋪裝層向相鄰板施加水平拉（或壓）力。車輛荷載作用下空心板的變形及車輛駛離后的變形恢復(fù)也將在鉸縫中產(chǎn)生反向的拉、壓作用，而鉸接板計(jì)算理論及舊式鉸構(gòu)造設(shè)計(jì)對(duì)此都沒(méi)有予以足夠重視。

另外，裝配式空心板設(shè)計(jì)中認(rèn)為鉸縫結(jié)構(gòu)繞板梁縱向轉(zhuǎn)動(dòng)是自由的，但從鉸縫的構(gòu)造可以看出，為了確保鉸縫能夠傳遞和抵抗剪力作用，鉸縫結(jié)構(gòu)采用多邊形幾何形狀以達(dá)到互相鑲嵌的目的，從而約束了板的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。即鉸縫結(jié)構(gòu)破壞前，其不僅承受和傳遞剪力，而且還承受和傳遞扭矩。所以，鉸縫在彈性階段的實(shí)際受力狀態(tài)應(yīng)為剛接或介于剛接與鉸接之間，特別是對(duì)于內(nèi)部配置了鋼筋的鉸縫，其橫向聯(lián)系得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，其實(shí)際受力更接近于剛接。裝配式空心板鉸縫實(shí)際受力分析如圖3所示。

圖3　裝配式空心板鉸縫實(shí)際受力分析

3　裝配式空心板鉸縫局部效應(yīng)分析

在鉸縫局部受力分析方面，目前工程上普遍采用簡(jiǎn)化計(jì)算模式，即在縱橋向取1 m寬的空心板，將其簡(jiǎn)化為彈性支承于豎向和扭轉(zhuǎn)彈簧上，豎向彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度分別由主梁的橫向抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算得到，且將空心板間的橫向連接視為鉸接，鉸縫僅僅在橫向起傳遞剪力的作用。下面對(duì)某16 m跨裝配式空心板橋的鉸縫進(jìn)行局部分析和計(jì)算，就其局部受力狀況進(jìn)行闡述。該橋橫截面布置及主梁截面尺寸如圖4所示，鉸縫抗剪局部分析計(jì)算如圖5所示。

對(duì)各鉸縫的剪力影響線進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)其影響線與橫坐標(biāo)圍成面積較大的鉸為5號(hào)和6號(hào)鉸，如圖6所示。對(duì)5號(hào)和6號(hào)鉸縫的剪力影響線，按照文獻(xiàn)［7］規(guī)定的橋梁設(shè)計(jì)荷載公路-I級(jí)進(jìn)行最不利剪力加載。加載時(shí)，將橋面上各集中荷載展開成半波正弦荷載，得到跨中荷載峰值后，將其乘以相應(yīng)鉸的剪切力分配系數(shù)，即可得到最大剪力效應(yīng)值，具體見表1。

圖4　某裝配式空心板橋橫截面布置和主梁截面尺寸示意

圖5　空心板橋鉸縫抗剪局部分析計(jì)算

圖6　鉸縫剪力影響線

表1　鉸縫最大剪力效應(yīng)　kN

依據(jù)JTG D61—2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.0.13條規(guī)定，混凝土構(gòu)件直接受剪時(shí)，抗剪承載力的計(jì)算可按下式進(jìn)行驗(yàn)算［8］：

式中：Vd為鉸縫剪力設(shè)計(jì)值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取γ0=1.0；A為鉸縫受剪切的面積，A=600 mm×為混凝土抗剪強(qiáng)度，取uf為摩擦系數(shù)，取uf=0.7；Nk為與受剪切截面垂直的壓力標(biāo)準(zhǔn)值，取0。

將各參數(shù)值代入抗剪承載力計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果如下：

從上述計(jì)算結(jié)果看，鉸縫抗剪強(qiáng)度仍然有很大富裕量，即使在活載存在一定超限時(shí)，其結(jié)構(gòu)也不會(huì)過(guò)早破壞，但這一結(jié)論與空心板結(jié)構(gòu)鉸縫普遍存在開裂滲水結(jié)晶的現(xiàn)象相矛盾。由此可見，簡(jiǎn)單地將裝配式空心板橋鉸縫局部受力按照剪切模式計(jì)算是不合理的。

實(shí)際上，目前大部分裝配式空心板橋鉸縫內(nèi)部都配置了橫向連接鋼筋和交叉鋼筋，如圖7所示。同時(shí)考慮橋面鋪裝橫向聯(lián)系作用，鉸縫橫向的聯(lián)系更接近于剛接，即鉸縫不僅僅在橫向起傳遞橫向剪力的作用，更重要的是一定程度上承受了結(jié)構(gòu)的橫向彎矩作用。然而，鉸縫與空心板連接處截面存在突變，鉸縫在荷載作用下局部應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。為此，本文在考慮橫向剛接裝配式空心板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，取本文提及的某空心板跨中1 m范圍內(nèi)的板段并將其簡(jiǎn)化為彈性支承連續(xù)梁進(jìn)行模擬分析，其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖8所示，相應(yīng)鉸縫處的彎矩影響線如圖9所示。另外，對(duì)彎矩影響線效應(yīng)較大的第6號(hào)鉸縫進(jìn)行公路-I級(jí)荷載模式的加載計(jì)算分析，其結(jié)果見表2。由表2可知，在鉸縫配筋和混凝土施工質(zhì)量良好的情況下，鉸縫處鋼筋混凝土截面抗彎強(qiáng)度系數(shù)為1.22，短期荷載組合下鉸縫局部裂縫寬度為0.156 mm，鉸縫截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。但在鉸縫局部施工質(zhì)量控制不到位和后期營(yíng)運(yùn)超載車輛作用下，鉸縫局部極易產(chǎn)生過(guò)大的開裂破壞，采用該簡(jiǎn)化計(jì)算方法得到的結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況更相符。

4　結(jié)論

本文基于裝配式混凝土空心板橋鉸縫病害特征的分析，對(duì)該類橋梁橫向鉸接和剛接狀況下其鉸縫的局部受力狀況進(jìn)行了比較和分析，并得到如下結(jié)論：

圖7　空心板鉸縫局部構(gòu)造示意

圖8　鉸縫抗彎局部計(jì)算分析

表2　6號(hào)鉸接局部計(jì)算結(jié)果

圖9　鉸縫處彎矩影響線

1）裝配式空心板橋單板受力往往伴隨著鉸縫的損壞而產(chǎn)生。該病害通常發(fā)生在行車道范圍內(nèi)，一般會(huì)伴隨產(chǎn)生鉸縫處滲水結(jié)晶、橋面鋪裝縱向開裂、板底橫裂、板間錯(cuò)臺(tái)等次生病害。

2）裝配式空心板橋鉸縫橫向只傳遞剪力的假定，在全橋橫向分布計(jì)算中具有一定近似性，但其與實(shí)際受力狀態(tài)不相符，特別是與鉸縫局部受力分析計(jì)算結(jié)果相比存在較大的計(jì)算誤差。

3）裝配式空心板橋的單板受力主要由鉸縫彎拉破壞后其橫向剪切傳力性能失效所致。

4）空心板橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，須加強(qiáng)對(duì)鉸縫的計(jì)算及設(shè)計(jì)，可考慮采用鉸縫下緣配筋、橋面鋪裝鉸縫位置加設(shè)鋼筋、主梁設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力等以增強(qiáng)鉸縫的剛度和抗剪能力。

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Study on Local Mechanical Properties of Hinge Joints on Assembled Hollow Slab

CHEN Changwan1，CHEN Yingzhen2

This paper studies disease，actual work status，local mechanical properties of hinge joints on assembly type hollow slab.Results show that the hinge joint damage on assembled hollow slab is the major cause for longitudinal crack of bridge deck pavement，transverse crack of slab，misalignment of slabs or force on single slab.Calculation of hinge joints on assembled hollow slab is based on the assumption that only shear stress transfers，which is not in accordance with actual case.Using elastic supported continuous beam method for calculation，however，will better fit the situation of practical force.

assemblytypehollowslab；hingejoints；forceonsingleslab；Elasticsupported continuous beam

1009-6477（2016）04-0096-05

U448.21

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.022

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2014-03-005）

2016-02-29

陳長(zhǎng)萬(wàn)（1983-），男，廣東省梅州市人，碩士，工程師。