鋪裝層厚度對(duì)空心板橋受力性能的影響分析

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

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鋪裝層厚度對(duì)空心板橋受力性能的影響分析

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

以裝配式空心板橋?yàn)檠芯繉?duì)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(duì)空心板橋鉸縫構(gòu)造的開(kāi)裂荷載、裂縫分布等破壞模式、空心板開(kāi)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(shí)對(duì)空心板跨中撓度和梁底應(yīng)力影響較大，而從10cm變至30cm時(shí)鋪裝層對(duì)跨中撓度和梁底應(yīng)力的影響變小。當(dāng)鋪裝層厚度從0cm變化到30cm時(shí)，對(duì)鉸縫結(jié)合面開(kāi)裂荷載影響較小，鉸縫形成通縫的荷載可提高59%，空心板開(kāi)裂荷載可增大約2.5倍，結(jié)合面豎向通縫的分布長(zhǎng)度減小42.9%；結(jié)合面底部的裂縫分布長(zhǎng)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(guó)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(guò)現(xiàn)澆的企口構(gòu)造將各個(gè)獨(dú)立預(yù)制的空心板橫向連接起來(lái)，使得各片板能夠共同受力，防止單片空心板受力過(guò)大。在20世紀(jì)70年代，我國(guó)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(shí)際使用中，這種類型的鉸縫構(gòu)造壽命短、破壞嚴(yán)重。從90年代起，我國(guó)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(guò)對(duì)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(kāi)裂，企口混凝土破碎，使得連接構(gòu)造無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳遞荷載的能力，造成了形成“單板受力”現(xiàn)象［3］，對(duì)橋梁壽命和行車安全造成巨大威脅。因此，對(duì)單板受力橋梁進(jìn)行加固改造是十分必要的。

目前，已有眾多學(xué)者對(duì)“單板受力”的現(xiàn)象的成因進(jìn)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(guò)增加橋面鋪裝混凝土厚度，加強(qiáng)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(lái)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(shí)整體化鋪裝層在橫橋向上能提高傳遞荷載的能力，進(jìn)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(jì)有效等優(yōu)點(diǎn)［4-5］。

雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)采用整體化鋪裝層加固的裝配式空心板橋進(jìn)行了研究［6-9］，但橋面整體化鋪裝層對(duì)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(wú)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?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有限元方法分析不同厚度的整體化鋪裝層對(duì)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(duì)象由3片中板組成，總寬3.74m。各空心板沿縱橋向?yàn)榈冉孛?，各中板?.24m，板高0.4m。空心板橋具體構(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(duì)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(qiáng)度等級(jí)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(diǎn)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(duì)接觸進(jìn)行模擬，故在空心板靠近鉸縫處的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)化。其中，空心板單元邊長(zhǎng)在1cm～3cm之間，鉸縫單元邊長(zhǎng)在0.5cm～3cm之間，鋪裝層單元邊長(zhǎng)在3cm～12cm之間。采用T3D2單元（三維三節(jié)點(diǎn)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(mén)式鋼筋。采用Interaction中的Embedded功能將鋼筋嵌入到混凝土實(shí)體單元中。

采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàn)［11］設(shè)置。根據(jù)橋梁跨徑及最不利原則，與文獻(xiàn)［1-3］相同，選取《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）［12］中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛的兩后軸進(jìn)行加載，即四點(diǎn)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(diǎn)在跨中，橫橋向合力加載點(diǎn)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(duì)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)度可以分為法向軸拉粘結(jié)強(qiáng)度f(wàn)t和兩個(gè)沿著結(jié)合面切向方向的粘結(jié)剪切強(qiáng)度τx、τy。法向軸拉粘結(jié)強(qiáng)度采用文獻(xiàn)［13-14］的計(jì)算方法，即：選取軸拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值較小的空心板側(cè)混凝土（C30）的軸拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的70%。關(guān)于粘結(jié)剪切強(qiáng)度，采用葉見(jiàn)曙等［15］提出的普通混凝土鉸縫抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式；新老混凝土結(jié)合面的粘結(jié)滑移關(guān)系是進(jìn)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(gè)方向的剪切強(qiáng)度τx和τy、結(jié)合面法向軸拉強(qiáng)度f(wàn)t、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(duì)應(yīng)滑移值Su/So。根據(jù)文獻(xiàn)［20］可以采用雙折線模型來(lái)模擬空心板與鉸縫結(jié)合面的粘結(jié)滑移關(guān)系，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(jì)算模型中取10MPa/mm；最終滑移值和峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移值之比可取1.5～3.0，計(jì)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(jì)算模型

圖3　結(jié)合面黏結(jié)強(qiáng)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(duì)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(jìn)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(kāi)裂。當(dāng)在結(jié)合面上的某個(gè)點(diǎn)的三個(gè)方向的位移（法向張開(kāi)量、豎向滑移值和縱向滑移值）中有一個(gè)達(dá)到這個(gè)方向的限值，即認(rèn)為該處發(fā)生粘結(jié)破壞并發(fā)生開(kāi)裂的標(biāo)志。且已有相關(guān)研究表明，結(jié)合面豎向相對(duì)滑移量最易先超過(guò)限值，可以以豎向相對(duì)滑移量作為結(jié)合面粘結(jié)破壞失效的指標(biāo)。

由于對(duì)稱性，以1#結(jié)合面為例分析不同整體化鋪裝層厚度對(duì)結(jié)合面破壞模式的影響，并列于表1?？梢钥闯?，當(dāng)鋪裝層厚度從0cm變化到30cm：鋪裝層厚度對(duì)鉸縫結(jié)合面開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)度由跨中7.0m范圍減小到4.2m，減小40%。

3.2鋪裝層厚度對(duì)空心板的影響

考慮鋪裝層施工過(guò)程中空心板橋受力變化的三個(gè)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(dān)承擔(dān)外荷載作用，分析鋪裝層厚度分別為0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm時(shí)，對(duì)空心板跨中撓度、跨中主梁應(yīng)力和空心板開(kāi)始開(kāi)裂時(shí)的荷載（開(kāi)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(duì)空心板橋跨中撓度、跨中主梁應(yīng)力以及開(kāi)裂荷載的影響示于圖5?？梢钥闯?，鋪裝層厚度從0cm變至10cm時(shí)對(duì)空心板跨中撓度和應(yīng)力影響較大，而從10cm變至30cm時(shí)鋪裝層對(duì)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(kāi)裂荷載增加，鋪裝層從0cm變化到30cm，1#空心板的開(kāi)裂荷載從100kN增大到252kN，增加2.52倍；2#空心板的開(kāi)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(shí)對(duì)空心板跨中撓度和梁底應(yīng)力影響較大，而從10cm變至30cm時(shí)鋪裝層對(duì)跨中撓度和梁底應(yīng)力的影響變小。空心板開(kāi)裂荷載與鋪裝層厚度基本成線性關(guān)系，當(dāng)鋪裝層厚度從0cm變化到30cm時(shí)，1#空心板的開(kāi)裂荷載從100kN增大到252kN，增加2.52倍；2#空心板的開(kāi)裂荷載從86kN增大到230kN，增加2.67倍。

（2）當(dāng)鋪裝層厚度從0cm變化到30cm時(shí)，鋪裝層厚度對(duì)鉸縫結(jié)合面開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)度由跨中7.0m范圍減小到4.2m，減小40%。

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