梁瑞卿， 姜燕玲， 王振宇， 史文華， 耿正君， 譚志勇

(1. 漯河市公路事業(yè)發(fā)展中心， 河南 漯河 462000； 2. 武漢正華建筑設(shè)計(jì)有限公司， 湖北 武漢 430014；3. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

截止2020年末，我國僅公路橋梁數(shù)量就高達(dá)91.28萬座[1]，其中中小橋78.6421萬座(占86.15%)，加上市政、鐵路和水利等各類橋梁，數(shù)量龐大。在眾多中小跨度橋梁中，由于空心板橋結(jié)構(gòu)體系簡單，施工方便，被廣泛應(yīng)用。大量的工程實(shí)踐反饋，鉸縫失效和支座脫空及由此加劇的橋面鋪裝開裂、破損成為這類橋梁的通病[2,3]。橋面鋪裝的開裂和破損不僅影響行車舒適性，甚至引發(fā)交通和橋梁安全事故。

鑒于空心板橋設(shè)計(jì)、施工相對(duì)簡單，橋梁各參與方大多聚焦于空心板自身質(zhì)量的控制，而實(shí)際施工中對(duì)空心板鉸縫和橋面鋪裝的把控相對(duì)偏弱。然而，鉸縫和橋面鋪裝的病害除了影響行車狀況，威脅結(jié)構(gòu)安全外，甚至使空心板荷載橫向分布計(jì)算理論的前提條件發(fā)生改變，導(dǎo)致鉸接板梁法所假定的前提條件與實(shí)際不相符[4,5]，其荷載(內(nèi)力)橫向分布并不符合預(yù)期，致使空心板實(shí)際承載可能大于理論值，造成結(jié)構(gòu)不安全。

為克服這類橋梁的常見病害，實(shí)際工程中往往采取加厚橋面混凝土鋪裝層和配置雙層鋼筋網(wǎng)等措施來提高空心板的橫向剛度與整體性，盡可能分散橋面荷載分布。但目前存在以下傾向[6]：一方面對(duì)鉸縫和橋面鋪裝重視程度相對(duì)不足，一旦出現(xiàn)病害，大多憑借經(jīng)驗(yàn)大幅增加橋面混凝土鋪裝層的厚度和層內(nèi)鋼筋，不僅增加了二期恒載，而且層內(nèi)鋼筋增多，影響混凝土澆筑質(zhì)量甚至導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層或鋼筋層間距過??；另一方面，橋面混凝土鋪裝的剛度相比空心板自身剛度小很多，通常忽略其參與主梁受力和荷載橫向分配[7]，僅視之為載荷而不計(jì)入其左右荷載橫向分布。

為弄清橋面混凝土鋪裝層如何影響空心板橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，也為上述兩種傾向提供合理依據(jù)，李志洪[8]基于數(shù)值分析，研究認(rèn)為橋面混凝土鋪裝層厚度對(duì)空心板鉸縫的開裂荷載、破壞模態(tài)以及空心板自身的效應(yīng)和承載力均有較大影響。其中混凝土鋪裝層厚度對(duì)提高鉸縫開裂載荷和空心板抗力的影響呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢。當(dāng)橋面混凝土層厚度從0增大到10 cm時(shí)，明顯改善了空心板自身和鉸縫受力，很大程度上抑制了鉸縫與空心板裂縫，抗裂載荷平均增幅高達(dá)45.5%。而鋪裝層厚度大于10 cm之后，上述影響顯著降低。但趙偉光[9]基于一座實(shí)橋的研究結(jié)論與上述規(guī)律卻不盡相同，其針對(duì)一座3孔13 m空心板橋橋面混凝土鋪裝層由8 cm增加到20 cm，并在其中設(shè)置雙層Φ16(HRB400)鋼筋網(wǎng)。研究認(rèn)為，混凝土鋪裝層厚度的增加可以提升空心板承載力和橋梁整體性，二者呈線性遞增關(guān)系；并且認(rèn)為層內(nèi)配置的雙層鋼筋網(wǎng)有效提高了橋梁整體性，加強(qiáng)了橫向聯(lián)系及改善了荷載橫向分布均勻性。文獻(xiàn)[7]與[9]研究得出混凝土鋪裝的影響規(guī)律基本一致，但層內(nèi)鋼筋的作用效果二者卻不盡相同。

盡管在空心板橋載荷分布計(jì)算中不計(jì)入橋面混凝土鋪裝層的影響，既有研究大多肯定了橋面混凝土現(xiàn)澆層在荷載分布中的積極作用[10～12]，但得出的影響規(guī)律并不盡相同，多數(shù)研究成果主要依托數(shù)值手段，物理模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)難免存在差異。此外，基于實(shí)橋靜載試驗(yàn)所測得的空心板撓度[13]，直接反映了荷載效應(yīng)的橫向分布特性，但僅限于材料彈性工作階段，無法深入探討混凝土開裂的后期階段結(jié)構(gòu)特性。而對(duì)于裝配式空心板橋而言，混凝土鋪裝層的損壞將較大程度削弱橋梁橫向剛度而加速出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，進(jìn)而威脅橋梁安全。因此，在橋面混凝土鋪裝層對(duì)空心板橋的影響尚未達(dá)成一致性認(rèn)識(shí)的前提下，本文依托試驗(yàn)研究，深入開展不同層厚、混凝土強(qiáng)度和層內(nèi)配筋對(duì)空心板受力橫向分布特性的影響，將有利于數(shù)值模型的修正和真實(shí)反映結(jié)構(gòu)不同受力階段的橫向載荷分布效應(yīng)，以及深入了解橋面混凝土現(xiàn)澆層對(duì)裝配式空心板橋的荷載及其效應(yīng)的橫向分布規(guī)律，為合理確定混凝土鋪裝層厚、混凝土強(qiáng)度等級(jí)及層內(nèi)鋼筋設(shè)置提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

變化空心板橋面混凝土鋪裝層厚度、混凝土強(qiáng)度和層內(nèi)配筋率三個(gè)參數(shù)，基于靜力試驗(yàn)探討空心板橋橫向剛度變化規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)方案

參照部頒空心板標(biāo)準(zhǔn)圖[14]和相關(guān)研究[15]，為方便試件制作，將空心截面簡化為實(shí)心截面，且保證兩者剛度相同，試件尺寸和配筋如圖1，共制作了36塊鋼筋混凝土板。

圖1 單片板尺寸及配筋/cm

以三塊板為一小組橫向拼在一起模擬空心板實(shí)橋狀態(tài)(圖2)，為聚焦橋面混凝土鋪裝層對(duì)空心板橋橫向剛度的貢獻(xiàn)，試驗(yàn)研究規(guī)避鉸縫傳力影響，假定鉸縫完全損壞，橋梁橫向剛度的分布完全由橋面混凝土鋪裝層提供。

圖2 試驗(yàn)組斷面/cm

根據(jù)研究目標(biāo)，試驗(yàn)共設(shè)置混凝土鋪裝層厚度、混凝土強(qiáng)度和配筋率三個(gè)參數(shù)組，分別開展了5個(gè)、3個(gè)、4個(gè)三塊板拼在一起的小組試驗(yàn)，共計(jì)12組36塊板，詳細(xì)信息如表1。

表1 各組試驗(yàn)信息

1.2 材料性能

參照相關(guān)規(guī)范[16,17]，試驗(yàn)用混凝土配合比如表2，實(shí)測混凝土強(qiáng)度如表3(試件制作在冬季室外作業(yè)，受天氣、養(yǎng)護(hù)條件等因素的影響，試件實(shí)際抗壓強(qiáng)度整體偏低)。

表2 鋪裝層混凝土配合比

表3 試驗(yàn)用混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)試件頂、底面均布置2φ12的HPB300鋼筋，箍筋采用φ6@100 mm的HPB300鋼筋。鋪裝層內(nèi)采用成品鋼筋網(wǎng)，由低碳鋼絲Q195制成，鋼絲直徑3 mm。

1.3 加載及測試

除了一組試件采用對(duì)稱加載作為對(duì)照外，其余加載工況均為偏心受力。為避免集中荷載下鋪裝層局部提前破壞，加載點(diǎn)下方設(shè)置100 mm×100 mm的鋼墊塊。

測試內(nèi)容：各板跨中截面撓度、板底鋼筋應(yīng)變。

具體加載和測試方案見圖3。

圖3 試驗(yàn)梁加載及測試方案/cm

2 數(shù)值分析

與上述試驗(yàn)方案及條件相同，基于Willam-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則模型(混凝土單軸抗拉強(qiáng)度ft，單軸抗壓強(qiáng)度fc，雙軸抗壓強(qiáng)度fcb，圍壓下雙軸抗壓強(qiáng)度f1和圍壓下單軸抗壓強(qiáng)度f2)，采用可分析混凝土裂縫發(fā)展和壓碎的solid65單元模擬混凝土板與橋面鋪裝層，混凝土材料本構(gòu)基于MISO(Multi-linear Isotropic Hardening)模型，如式(1)：

(1)

式中：fc為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度；ε0為對(duì)應(yīng)于fc的混凝土峰值應(yīng)變；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變；根據(jù)文獻(xiàn)[18]，n=2,ε0=0.002,εcu=0.0033。

鋼筋采用LINK8單元模擬，其應(yīng)力應(yīng)變基于雙線性等向強(qiáng)化BISO(Bilinear Isotropic Hardening)模型，如式(2)：

(2)

式中：σs，εs，εu分別為鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變、極限應(yīng)變；Es為鋼筋彈性模量；fy為鋼筋屈服強(qiáng)度；εy為鋼筋屈服應(yīng)變；具體取值為：楊氏彈性模量Es=2.1×105MPa，泊松比0.3，鋼筋屈服強(qiáng)度fy=270 MPa。鋪裝層鋼筋網(wǎng)片采用低碳鋼絲Q195，彈性模量Es=2.1×105MPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度fy=195 MPa。

橋面混凝土鋪裝層與板頂面之間采用面面接觸，單元邊長約50 mm，有限元模型如圖4，其中混凝土采用solid65單元，鋼筋采用link8單元。對(duì)應(yīng)模型試驗(yàn)的加載方式，將集中荷載施加于100 mm×100 mm的方形區(qū)域上，邊界條件等如同試驗(yàn)條件設(shè)置。

圖4 不同橋面混凝土鋪裝參數(shù)下的空心板有限元模型

在材料、邊界條件和加載與試驗(yàn)完全一致的基礎(chǔ)上，基于數(shù)值模型對(duì)不同鋪裝層厚度、混凝土強(qiáng)度以及配筋率下的空心板橋橫向剛度分布進(jìn)行分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究。

3 結(jié)果及討論

3.1 變化混凝土鋪裝層厚度

3.1.1 空心板力學(xué)特性

試驗(yàn)測試和數(shù)值分析表明，隨著混凝土鋪裝層厚度增加，空心板自身的承載力和剛度均得到提高。當(dāng)鋪裝層厚度由20 mm提高至50 mm時(shí)，實(shí)測開裂荷載由15 kN升至18 kN，極限承載力由24 kN升至46 kN(數(shù)值分析結(jié)果由38 kN升至52 kN)，分別提高了20%和91.7%。同時(shí)，空心板剛度也得到大幅度提高，從圖5，6可見，由于混凝土鋪裝層增厚，空心板延性得到改善，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的撓度由最初的2.9 mm提高至8.8 mm(提高了203.4%)。另一方面，試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，隨著鋪裝層厚度增加，其作為一個(gè)整體板的自身剛度得到相應(yīng)提高，若板頂面與鋪裝層接觸面結(jié)合不佳，當(dāng)偏心荷載增加到一定程度后，鋪裝層與板頂結(jié)合面之間的破壞可能早于梁體或鉸縫對(duì)應(yīng)處橋面的破壞(圖7)，鋪裝層不再參與結(jié)構(gòu)受力，荷載 - 撓度曲線進(jìn)入平緩階段，此后板體撓度快速增加。

圖5 實(shí)測鋪裝厚度變化空心板橋荷載 - 撓度曲線

圖6 1#板跨中截面荷載 - 位移對(duì)比

圖7 1#板試驗(yàn)破壞模態(tài)及裂縫形態(tài)

此外，鋪裝層厚度增加對(duì)結(jié)構(gòu)性能的提升，雖然總體表現(xiàn)為持續(xù)改善，但試驗(yàn)和數(shù)值分析顯現(xiàn)，當(dāng)鋪裝層厚度由20 mm提高至30 mm(根據(jù)試驗(yàn)縮尺比例，對(duì)應(yīng)實(shí)際橋面鋪裝厚度約為10 cm至15 cm)，空心板力學(xué)特性改善較為顯著。若繼續(xù)增大鋪裝層厚度，不僅二期恒載加重板體負(fù)荷，其對(duì)空心板自身力學(xué)性能的改善程度逐漸減緩甚至不利，原因在于此時(shí)主梁的開裂和破壞全部由板底受拉鋼筋控制。

3.1.2 荷載橫向分布

混凝土鋪裝層厚度的增加明顯提升了空心板橋橫向連接的緊密程度，提高了空心板橫向連接剛度，直接改善了荷載橫向分布特性。破壞前，不同鋪裝層厚度下實(shí)測及數(shù)值分析得到的各板跨中截面撓度橫向分布影響線(實(shí)測和數(shù)值分析撓度，經(jīng)歸一化處理)見圖8。

圖8 不同鋪裝層厚度下的荷載橫向分布影響線

由圖8可見，混凝土鋪裝層有利于荷載橫向分布，隨著鋪裝厚度增加，各板荷載橫向分布逐漸趨于均勻，實(shí)測和有限元結(jié)果也反映，當(dāng)鋪裝層厚度由20 mm增至30 mm時(shí)，橫向分布的改善幅度明顯，此后變化不大。尤其鋪裝層厚度大于40 mm后(對(duì)應(yīng)于實(shí)際工程中鋪裝層厚度約20 cm)，荷載橫向分布影響線變化趨弱，表明持續(xù)增大鋪裝層厚度對(duì)改善空心板橫向剛度并不顯著。此外，相比偏心加載，中載作用下的空心板荷載橫向均勻度較好，表明即便鉸縫不參與橫向傳力，橋面混凝土層對(duì)荷載橫向分布也起著非常重要作用。

為了進(jìn)一步明晰不同混凝土鋪裝層厚度下的荷載橫向分布均勻性，以荷載橫向分布影響線的均值與最大值比(荷載橫向分布均勻性系數(shù)κ)來評(píng)價(jià)橫向分布的均勻性，并以鋪裝層厚度變化前后的均勻性系數(shù)差Δκ(%)評(píng)估不同混凝土鋪裝層厚度對(duì)空心板橋橫向剛度的影響效果，二者計(jì)算如式(3)，(4)：

(3)

Δκ=κj-κi

(4)

式中：μ為橫向分布影響線的均值；ηmax為橫向分布影響線最大值；κi為混凝土鋪裝層變化前橫向分布影響線均勻性系數(shù)；κj為混凝土鋪裝層變化后橫向分布影響線均勻性系數(shù)。

根據(jù)式(3)，(4)，不同混凝土鋪裝層厚度下試驗(yàn)所測的荷載橫向分布均勻性系數(shù)κ和對(duì)應(yīng)的均勻性系數(shù)差Δκ，如表4，5和圖9所示。

由表4，5和圖9可知，隨著混凝土鋪裝層厚度增大，各板的荷載橫向分布均勻性系數(shù)也逐漸遞增，相應(yīng)的荷載橫向分布均勻性系數(shù)差Δκ在鋪裝層厚度介于20～30 mm(對(duì)應(yīng)實(shí)際橋面鋪裝約為10～15 cm)之間快速降低，之后趨于平緩。表明各板荷載橫向分布隨混凝土鋪裝層厚度增加越趨均勻。另外，混凝土鋪裝層厚度存在一合理區(qū)間，荷載橫向分布的均勻程度并不隨混凝土鋪裝層厚度呈線性增加。

表4 荷載橫向分布均勻性系數(shù)κ

表5 荷載橫向分布均勻性系數(shù)變化差Δκ %

圖9 鋪裝層厚度變化下的Δκ曲線

由破壞前各板板底跨中截面縱向鋼筋實(shí)測應(yīng)變(圖10)可知，隨著鋪裝層厚度增加，偏心載荷作用下，各組橫向3塊板的鋼筋應(yīng)變也在逐漸提高，表明橋面混凝土鋪裝層厚度增加有利于各板參與受荷。但從不同厚度組的各板底鋼筋應(yīng)變變化速率(圖中曲線斜率)可知，當(dāng)鋪裝層厚度介于20～30 mm(對(duì)應(yīng)實(shí)際橋面鋪裝厚度約為10～15 cm)之間時(shí)，各板鋼筋應(yīng)變變化速率相對(duì)較為平緩，表明各板參與受荷的程度更為均勻，荷載橫向分布效果較佳。

圖10 不同鋪裝厚度下的板底鋼筋應(yīng)變

3.2 變化鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)

改變混凝土強(qiáng)度等級(jí)，并歸一化處理各板測試和數(shù)值分析得到的撓度后，獲得不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的跨中截面荷載橫向分布影響線如圖11。從圖11可見，試驗(yàn)測試和數(shù)值分析結(jié)果表明，隨著鋪裝層混凝土強(qiáng)度提高，荷載橫向分布略趨于均勻，但并未顯著提高荷載橫向分布剛度。

圖11 鋪裝層不同混凝土強(qiáng)度下的荷載橫向分布影響線

從圖12荷載橫向分布均勻性系數(shù)變化差Δκ曲線(圖中Δκ1，Δκ2，Δκ3分別為鋪裝層混凝土采用C20，C30，C35，C40時(shí)，求得的荷載橫向分布均勻性系數(shù)依次兩兩差)可見，當(dāng)鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C20增至C30時(shí)，Δκ取值最小，強(qiáng)度等級(jí)高于C30(主梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30)后，荷載橫向分布均勻性系數(shù)差增幅顯著放緩(L/2截面)，甚至降低(L/4和3L/4截面)。說明橋面混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜過低，不宜低于主梁混凝土強(qiáng)度。但從提高荷載橫向分布能力而言，過高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)實(shí)際作用有限。

圖12 鋪裝層混凝土強(qiáng)度變化下的Δκ曲線

圖13為實(shí)測不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的板底鋼筋應(yīng)變，從圖13可知，提高鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)，各板底部縱向鋼筋的拉應(yīng)變也逐漸提高，說明鋪裝層混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高有利于改善荷載橫向分布。但從荷載分布的均攤程度考慮，曲線斜率越小，則橫向分布效果越顯著。就本試驗(yàn)而言，混凝土強(qiáng)度等級(jí)介于C20～C40之間效果較佳。

圖13 不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的板底鋼筋應(yīng)變

3.3 變化鋪裝層內(nèi)配筋率

改變鋪裝層內(nèi)的配筋情況，由圖14的實(shí)測和數(shù)值分析結(jié)果可知，隨著鋪裝層配筋率逐漸提高，沿跨徑方向各截面的荷載橫向分布影響線略趨于平緩，表明增加鋪裝層內(nèi)鋼筋數(shù)量，小幅度提高了橋梁結(jié)構(gòu)橫向剛度，對(duì)改善結(jié)構(gòu)荷載橫向分布略有幫助。然而，對(duì)于鋪裝層內(nèi)設(shè)置單層鋼筋網(wǎng)(鋼筋網(wǎng)間距分別為4 cm和2 cm)時(shí)，空心板橋各截面的荷載橫向分布影響線基本保持重合(圖14)，說明鋪裝層內(nèi)配筋率增至一定量后，繼續(xù)增加鋼筋數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)橫向剛度作用甚微。而相比較于單層鋼筋網(wǎng)，鋪裝層內(nèi)采用雙層鋼筋網(wǎng)片，則可以更大程度上提高結(jié)構(gòu)荷載橫向分布，促進(jìn)荷載橫向分布趨向均勻。

圖14 不同層內(nèi)配筋率下的空心板撓度影響線

圖15為鋪裝層內(nèi)配筋率變化下的Δκ曲線。由圖15可知，當(dāng)鋪裝層內(nèi)鋼筋網(wǎng)間距由6 cm變?yōu)? cm且為單層鋼筋網(wǎng)片時(shí)，其Δκ值Δκ′6-4達(dá)到最大，表明結(jié)構(gòu)橫向剛度增強(qiáng)顯著。隨著鋪裝層內(nèi)配筋率繼續(xù)提高，荷載橫向分布均勻性系數(shù)變化差Δκ迅速減小至Δκ′4-2，意味著層內(nèi)鋼筋網(wǎng)間距從4 cm降至2 cm時(shí)，配筋率雖然提高，但空心板橋橫向剛度增強(qiáng)并不明顯。當(dāng)層內(nèi)配置雙層鋼筋網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)間距為4 cm下求得其荷載橫向分布均勻性系數(shù)差Δκ*達(dá)到峰值，表明橋面鋪裝層布置雙層鋼筋網(wǎng)對(duì)提高空心板橋橫向連接剛度的效果較佳。

圖15 鋪裝層內(nèi)配筋率變化下的Δκ曲線

圖16為實(shí)測鋪裝層不同配筋率下各板板底鋼筋拉應(yīng)變，由圖可見，增大鋪裝層內(nèi)鋼筋配筋率有利于空心板橋荷載橫向分布，但鋼筋網(wǎng)格間距提高至2 cm×2 cm和4 cm×4 cm時(shí)，二者所對(duì)應(yīng)的板底鋼筋拉應(yīng)變基本一致，說明層內(nèi)配筋不是越多越好，但是雙層鋼筋網(wǎng)對(duì)荷載橫向分布的效果顯著好于單層鋼筋網(wǎng)。

圖16 鋪裝層內(nèi)不同配筋率下的板底鋼筋應(yīng)變

4 結(jié) 論

(1)橋面混凝土鋪裝層可以有效改善空心板橋的荷載橫向分布，提高空心板橋的橫向連接剛度，與鉸縫共同承擔(dān)該類橋梁的內(nèi)力橫向分布。

(2)對(duì)應(yīng)裝配式空心板結(jié)構(gòu)，增加混凝土鋪裝層厚度可顯著提高荷載橫向分布均勻性，提高其橫向剛度。但混凝土鋪裝層厚不宜增加過大，否則反而加重結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，降低結(jié)構(gòu)承受活載的能力，且橋梁橫向剛度的增幅不再明顯。實(shí)際工程中，建議橋面混凝土鋪裝層厚度宜介于10～15 cm。

(3)橋面鋪裝層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)建議取大于等于主梁自身混凝土強(qiáng)度，繼續(xù)提高混凝土強(qiáng)度，對(duì)改善載荷橫向分布并不顯著。

(4)橋面混凝土鋪裝層內(nèi)配筋率不宜過高，太大的配筋率對(duì)其改善空心板橋的橫向剛度并不明顯。但相比單層網(wǎng)，適當(dāng)加大鋼筋網(wǎng)間距而設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，更有利于改善荷載橫向分布。