鄒蘭林，蔡 睿，周興林，吳耀輝

(武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢，430065)

裝配式板橋是我國(guó)較為常見的橋型之一，具有施工質(zhì)量有保障、現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間短、造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)。其中，裝配式斜交空心板橋有較大的抗扭剛度，且結(jié)構(gòu)輕巧、施工簡(jiǎn)便，能改善道路線形及適應(yīng)復(fù)雜的街道條件，縮短路線和橋長(zhǎng)，已廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路和市政工程中[1]。但研究發(fā)現(xiàn)，由于斜交空心板橋較正交板橋受力復(fù)雜，因而其鉸縫病害問題更為嚴(yán)重[2-3]。為此，人們進(jìn)行了大量理論研究和試驗(yàn)分析，找到一些解決方法，例如改變鉸縫形式[4]、化學(xué)灌漿[5]、鋼板加固、預(yù)應(yīng)力加固[6]等。

現(xiàn)在所采用的斜交空心板橋加固改進(jìn)措施大部分都是被動(dòng)式加固，不能徹底解決鉸縫病害問題。相比較而言，在空心板體外施加橫向預(yù)應(yīng)力是目前最有效的一種加固方法。橫向預(yù)應(yīng)力加固可使空心板在鉸縫接頭處產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，有效消除拉應(yīng)力，改善鉸縫應(yīng)力和荷載的橫向分布，避免鉸縫產(chǎn)生裂縫以及單板受力，提高橋梁剛度，從而減少病害的發(fā)生和進(jìn)一步發(fā)展。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)裝配式梁橋的橫向預(yù)應(yīng)力加固方法一般是在其底板施加預(yù)應(yīng)力，加固區(qū)域通常只位于跨中直線部位，而忽略了斜端部的作用。這種加固方法會(huì)使斜端部達(dá)不到預(yù)壓效果，還可能讓鉸縫上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，使得鉸縫截面上部橫向受拉，從而導(dǎo)致鉸縫處于更加不利的受力狀態(tài)，不僅起不到加固作用，還可能會(huì)加快鉸縫病害的出現(xiàn)[7]。針對(duì)此問題，本文提出一種在空心板板底、板頂?shù)闹本€部位及斜邊三分之一處分別施加橫向預(yù)應(yīng)力的炭纖維板加固方案，并采用ABAQUS軟件建立裝配式斜交空心板橋模型，通過仿真分析來驗(yàn)證該方案的可行性和有效性。

1 有限元建模

1.1 橋梁概況與有限元模型

某裝配式斜交空心板橋，橫向由7塊空心板組成，每板寬約 1.25 m，橋梁寬度為8.74 m，跨徑L=16 m，計(jì)算跨徑為 15.4 m，斜交角為30°，梁高0.80 m，混凝土采用 C40，各板間由深鉸縫混凝土進(jìn)行連接。全橋橫截面如圖1所示。

圖1 全橋橫截面

由于研究重點(diǎn)是鉸縫，所以橋面板采用整體式模型[8]，用均化的鋼筋混凝土折算彈性模量ER，計(jì)算公式為：

(1)

式中：EC為混凝土彈性模量；ES為鋼筋彈性模量；μ為配筋率。

利用ABAQUS軟件建立該橋的有限元模型，其中主梁、橋面和鉸縫均采用C3D8單元模擬，單元?jiǎng)澐址椒ú捎米杂删W(wǎng)格劃分；鉸縫內(nèi)鋼筋采用梁?jiǎn)卧摻詈突炷恋年P(guān)系用嵌入單元進(jìn)行模擬，鉸縫鋼筋和鉸縫之間的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)調(diào)；空心板與橋面鋪裝層、鉸縫與橋面鋪裝層、鉸縫和空心板等這些接觸面均用Tie約束。

1.2 有限元模型的驗(yàn)證

本文對(duì)所建模的實(shí)際橋梁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，在相同的工況下將實(shí)橋試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)同模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證有限元模型。

該橋的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅱ級(jí)，雙向二車道，計(jì)算橋梁設(shè)計(jì)荷載和試驗(yàn)荷載作用下的內(nèi)力時(shí)采用有限元分析軟件Midas/Civil。測(cè)試截面選擇在設(shè)計(jì)荷載(標(biāo)準(zhǔn)組合)作用下單梁內(nèi)力最不利截面，即在跨中最大正彎矩工況下測(cè)量L/4和L/2(即跨中)截面的撓度。

為檢測(cè)試驗(yàn)荷載作用下單梁的變位情況，在各撓度測(cè)試截面布置位移測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。在選定的測(cè)試截面和測(cè)點(diǎn)位置粘貼電阻應(yīng)變片，采用DH-3816靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。將試驗(yàn)結(jié)果處理后得到中梁各測(cè)點(diǎn)的撓度如表1所示、應(yīng)變?nèi)绫?所示。

由表1、表2可知：實(shí)橋試驗(yàn)和有限元模擬所得的中梁撓度及應(yīng)變值十分接近，均在誤差允許的范圍內(nèi)，表明所建有限元模型能準(zhǔn)確地反映出實(shí)橋的真實(shí)受力情況。

圖2 中梁L/4及L/2截面上的測(cè)點(diǎn)布置

Fig.2 Layout of measuring points atL/4 andL/2 sections of the middle beam

表1 中梁撓度

表2 中梁應(yīng)變

2 鉸縫最不利荷載分析

導(dǎo)致裝配式斜交空心板橋發(fā)生鉸縫破壞的常見原因有鉸縫設(shè)計(jì)和施工安排不合理、梯度溫度場(chǎng)作用、車輛荷載作用以及不合理運(yùn)營(yíng)等，本文主要考慮梯度溫度場(chǎng)和車輛荷載的影響。建立有限元模型并施加這兩種作用，得到鉸縫截面荷載最不利位置的橫向應(yīng)力σx的分布如圖3所示，其中l(wèi)代表鉸縫沿橋梁縱向坐標(biāo)。

圖3 鉸縫荷載最不利位置的橫向應(yīng)力分布

Fig.3 Transverse stress distribution at the most unfavorable loading position of hinge joints

從圖3可以看出：①車輛荷載作用下，鉸縫截面底部出現(xiàn)最大值為0.3 MPa的拉應(yīng)力，其對(duì)鉸縫影響不明顯；②在正梯度溫度場(chǎng)作用下，中間鉸縫交接界面出現(xiàn)最大為1 MPa 的拉應(yīng)力，由于新老混凝土黏結(jié)力較弱以及施工過程不規(guī)范等問題，此拉力可能導(dǎo)致鉸縫開裂；③負(fù)梯度溫度場(chǎng)作用下，橋面板頂部出現(xiàn)最大值為2.8 MPa的拉應(yīng)力，大于C40混凝土抗拉強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致橋面板開裂。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)的要求，考慮荷載的最不利組合，可以得出：①與單一因素相比，負(fù)梯度溫度場(chǎng)和車輛荷載的共同作用更加不利，會(huì)在鉸縫截面頂部的橋面板處產(chǎn)生3.7 MPa的拉應(yīng)力；②正梯度溫度場(chǎng)和車輛荷載共同作用時(shí)，在鉸縫交接面會(huì)出現(xiàn)1.2 MPa的拉應(yīng)力。因此，有必要對(duì)該裝配式斜交空心板橋施加橫向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固。

3 橫向預(yù)應(yīng)力加固方案設(shè)計(jì)

常見的預(yù)應(yīng)力加固材料有兩種，分別是鋼絞線和炭纖維板。采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線時(shí)，施工難度較大，需要在板上開孔，還要進(jìn)行防腐處理，所以其應(yīng)用受限。炭纖維板具有輕質(zhì)、耐腐蝕、高抗拉強(qiáng)度、高抗疲勞性以及低氯腐蝕敏感性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，并在橋梁加固工程中開始應(yīng)用[9-10]，故本文采用炭纖維板加固方案。

國(guó)內(nèi)對(duì)空心板梁橋的加固通常是僅在其底板施加橫向預(yù)應(yīng)力，如前所述，這種方法存在缺陷。為此，本文采用一種改進(jìn)的橫向預(yù)應(yīng)力加固方案，即在底板和頂板同時(shí)施加橫向預(yù)應(yīng)力。該方案能使裝配式斜交空心板梁橋上部結(jié)構(gòu)整體受力。

按照偏壓構(gòu)件估算所需橫向預(yù)應(yīng)力的大?。?/p>

(1)計(jì)算最不利荷載產(chǎn)生的最大橫向拉應(yīng)力；

(2)沿橋梁縱向按橫向預(yù)應(yīng)力布置間距進(jìn)行等分；

(3)通過式(2)計(jì)算所需要的橫向預(yù)應(yīng)力大小。

(2)

式中：σx,max為最大橫向拉應(yīng)力；N為橫向預(yù)應(yīng)力；yo為橫向預(yù)應(yīng)力距等效偏壓構(gòu)件截面形心的距離；y為等效偏壓構(gòu)件截面形心距底緣的距離；A為等效偏壓構(gòu)件的面積；I為等效偏壓構(gòu)件的抗彎慣矩。

將各參數(shù)值代入式(2)，解得N=215 kN，取預(yù)應(yīng)力大小為200 kN。

預(yù)應(yīng)力布置如圖4所示，采用寬50 mm×厚2 mm的炭纖維板在底板和頂板同時(shí)加固。從中間空心板的中點(diǎn)垂直于橋梁軸線方向開始，向左右兩端布置，參照文獻(xiàn)[8]，直線部位橫向預(yù)應(yīng)力施加間距取2000 mm。為使橋梁斜端部鉸縫也達(dá)到預(yù)壓效果，在斜邊三分之一位置各增加一道預(yù)應(yīng)力，即空心板底部和頂部分別設(shè)置5個(gè)橫向預(yù)應(yīng)力加固區(qū)域。

圖4 預(yù)應(yīng)力的布置

4 加固效果分析

為了檢驗(yàn)本文方法的加固效果，利用前面所建有限元模型得出各空心板的荷載橫向分布影響線，如圖5所示，以1～4號(hào)空心板為例。

分析圖5可知，裝配式斜交空心板橋采用橫向預(yù)應(yīng)力炭纖維板加固后，荷載橫向分布曲線變得更加平緩，各板之間的橫向傳力作用增強(qiáng)，減小了橋面板單板受力情況的發(fā)生。這表明采用橫向預(yù)應(yīng)力炭纖維板加固方法可以提高裝配式斜交空心板橋橫向整體性，該加固方案是有效的。

(a)1號(hào)空心板 (b)2號(hào)空心板

(c)3號(hào)空心板 (d)4號(hào)空心板

圖5 加固前后各空心板的荷載橫向分布影響線

Fig.5 Influence lines of transverse load distribution of hollow slabs before and after reinforcement

5 結(jié)論

(1)通過實(shí)橋荷載試驗(yàn)和相同工況下的有限元仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文建立的裝配式斜交空心板橋有限元模型的準(zhǔn)確性。

(2)在負(fù)梯度溫度場(chǎng)和車輛荷載共同作用下，裝配式斜交板橋的鉸縫交接面會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，極可能導(dǎo)致鉸縫開裂，有必要對(duì)橋梁進(jìn)行加固。

(3)所提出的在裝配式斜交空心板橋板底、板頂?shù)闹本€部位以及斜端部三分之一處同時(shí)施加橫向預(yù)應(yīng)力的炭纖維板加固方法，能使各空心板之間的橫向傳力作用增強(qiáng)，避免了單板受力情況的發(fā)生，提高了裝配式空心板橋的整體承載性能，具有較好的加固效果。