支座脫空病害對(duì)空心板主梁及鉸縫的受力影響分析

詹 磊，麥 劍

(廣州快速交通建設(shè)有限公司 廣州市 510475)

0 引言

鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、可大批量工廠化集中預(yù)制、裝配式施工等諸多有利因素而被廣泛使用，成為小跨徑橋梁(10～20m)的首選橋型之一[1-3]。

裝配式空心板梁橋多數(shù)以簡(jiǎn)支梁為主，其橫橋向由多片預(yù)制的空心板組成，板間設(shè)置現(xiàn)澆的鉸縫，在主梁架設(shè)完畢后，橋面澆筑9～15cm厚的混凝土整體化層。通過(guò)橋面現(xiàn)澆層和鉸縫，空心板梁橋各片空心板在橫向?qū)崿F(xiàn)剪力的傳遞，達(dá)到共同承擔(dān)汽車(chē)荷載的目的[4]。

然而，現(xiàn)有空心板梁橋經(jīng)常出現(xiàn)支座脫空的病害，主要原因有：

(1)單塊空心板均由4個(gè)橡膠支座支承，每跨橋梁由多塊空心板組成，形成了每跨空心板梁端存在十幾個(gè)甚至幾十個(gè)橡膠支座同時(shí)支承豎向荷載的受力體系。例如12m寬橋梁斷面由9塊空心板組成，每個(gè)梁端橡膠支座達(dá)18個(gè)。多支座會(huì)形成受力不明確的超靜定體系，常常出現(xiàn)受力不均的情況。

(2)預(yù)應(yīng)力或混凝土收縮徐變作用對(duì)4個(gè)邊角有向上翹曲的趨勢(shì)，使得邊梁易發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。

(3)施工難以保證幾十個(gè)橡膠支座同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，往往在施工完成時(shí)就已出現(xiàn)支座受力不勻，甚至脫空[5-7]。

支座脫空將使空心板間鉸縫應(yīng)力急劇增大，導(dǎo)致鉸縫破壞。破壞程度輕的，企口縫混凝土與空心板側(cè)壁相分離，雨水大量滲透并輕微侵蝕混凝土；破壞程度嚴(yán)重的，鉸縫處混凝土已經(jīng)完全脫落，受水嚴(yán)重侵蝕，空心板失去橫向連接能力和傳力能力，出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象[1-2]。進(jìn)而引起空心板“單板受力”和進(jìn)一步病害的發(fā)生，造成橋梁的使用壽命降低甚至損壞。另外，傳統(tǒng)鉸縫的寬度較小，鉸縫下緣最窄處僅1cm寬，企口處僅11cm寬，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鉸縫的混凝土無(wú)法有效振搗，鉸縫底部一般僅能填充水泥砂漿；傳統(tǒng)鉸縫內(nèi)無(wú)法布置合適的受力鋼筋，使得鉸縫在縱橋向不具備抗彎和抗裂能力，在二期恒載、收縮徐變、溫度梯度及汽車(chē)荷載的作用下，縱橋向?qū)a(chǎn)生超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致鉸縫的開(kāi)裂破壞，嚴(yán)重的鉸縫局部脫落，空心板間的橫向聯(lián)系減弱，在上述荷載進(jìn)一步作用下，鉸縫破壞更趨嚴(yán)重，進(jìn)而產(chǎn)生鉸縫破壞帶來(lái)的“單板受力”。目前，對(duì)于支座脫空尚無(wú)根本解決辦法，發(fā)生支座脫空時(shí)，大部分的解決辦法是采用更換支座、加墊鋼板等方法臨時(shí)解決[8-10]。

綜合上述研究成果可以得出，傳統(tǒng)的支座及鉸縫結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上存在著先天的缺陷，在投入運(yùn)營(yíng)后，必然出現(xiàn)支座脫空，進(jìn)而導(dǎo)致鉸縫失效，產(chǎn)生“單板受力”現(xiàn)象。以交通部2008版標(biāo)準(zhǔn)圖的13m空心板橋作為研究對(duì)象，建立Midasfea三維有限元分析模型，分析支座脫空對(duì)橋梁受力的影響。

1 三維有限元分析模型的建立

選取交通部2008版標(biāo)準(zhǔn)圖的13m簡(jiǎn)支裝配式先張法預(yù)應(yīng)力空心板橋(見(jiàn)圖1)作為研究對(duì)象：?jiǎn)畏鶚驅(qū)?.5m，荷載等級(jí)為公路—I級(jí)。該橋由6片1296cm×124cm×70cm的預(yù)制空心板組成，邊板挑臂為50.5cm，空心板間鉸縫底部寬1cm，企口位置寬11cm，橋面現(xiàn)澆層厚10cm?？招陌?、鉸縫及橋面現(xiàn)澆層均采用C50混凝土。

圖1 傳統(tǒng)13m空心板橋橫斷面(單位：cm)

采用Midasfea六面體8節(jié)點(diǎn)單元建立空間分析模型?？招陌鍢蚬矂澐至斯?jié)點(diǎn)139284個(gè)，單元124152個(gè)；本橋采用簡(jiǎn)支約束，單片空心板底共設(shè)4個(gè)支座，分析模型如圖2所示，空心板從左至右依次命名為B1～B6，鉸縫從左至右依次命名為J1～J5。

圖2 計(jì)算分析模型

本文考慮的主要荷載如下：

(1)主梁自重及二期恒載。主梁自重按照26kN/m3考慮。二期恒載主要包括防撞墻均布?jí)毫?6kN/m2、瀝青鋪裝層均布?jí)毫?.4kN/m2。

(2)車(chē)輛荷載按照《橋涵通規(guī)》，將車(chē)輛雙后軸居中布置于橋梁端部，車(chē)輛荷載加載時(shí)考慮車(chē)輪的著地寬度為60cm×20cm，以避免車(chē)輛荷載作用位置的應(yīng)力集中，將單個(gè)后軸車(chē)輪70kN的集中力換算為均布荷載為584kN/m2。

支座脫空可能存在較多形式的組合。因此，計(jì)算分析主要考慮以下5個(gè)分析工況：

(1)工況1：未發(fā)生支座脫空。

(2)工況2：鉸縫J3左側(cè)支座脫空。

(3)工況3：鉸縫J3左側(cè)、鉸縫J3右側(cè)支座脫空。

(4)工況4：鉸縫J2右側(cè)、鉸縫J3左側(cè)支座脫空。

(5)工況5：鉸縫J2左側(cè)、鉸縫J2右側(cè)、鉸縫J3左側(cè)、鉸縫J3右側(cè)支座脫空。

上述5種分析工況均為車(chē)輛荷載加載端的支座脫空，其模擬形式如圖3所示。

圖3 加載工況示意圖

2 主要計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算空心板橋在上述五種支座脫空工況作用下的結(jié)果，主要查看空心板及鉸縫的縱橋向、橫橋向正應(yīng)力及剪應(yīng)力，根據(jù)初步的結(jié)果分析，支座脫空對(duì)空心板及鉸縫的縱向正應(yīng)力影響很小可以忽略。因此，主要對(duì)車(chē)輛荷載作用端的空心板及鉸縫的橫向正應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.1 主梁橫向正應(yīng)力分析

工況1～5計(jì)算的空心板支座處的最大橫向正應(yīng)力如表1所示。

表1 支座處空心板的最大橫向正應(yīng)力(單位：MPa)

由表1可知，發(fā)生支座脫空時(shí)，脫空支座對(duì)應(yīng)空心板及相鄰空心板的橫向正應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生變化，主要表現(xiàn)為空心板的橫向拉應(yīng)力增大。工況2鉸縫J3的左側(cè)支座脫空時(shí)，空心板B3的最大橫向拉應(yīng)力增大64%；工況3鉸縫J3的左側(cè)和右側(cè)支座都脫空時(shí)，空心板B3、B4的最大橫向拉應(yīng)力增大近4倍，而相鄰的空心板B2、B5也增大24%；工況4空心板B3的左右兩個(gè)支座都脫空時(shí)，對(duì)空心板B2的影響最大，最大橫向拉應(yīng)力增大1倍；工況5鉸縫J2、J3的兩側(cè)支座都脫空時(shí)，以空心板B2、B4的橫向拉應(yīng)力增大最為顯著，增大接近9倍，而且最大拉應(yīng)力達(dá)到3.79MPa超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度限值2.65MPa，而其他空心板除B6以外均增大1倍多。

由工況1～5空心板支點(diǎn)截面的橫向正應(yīng)力云圖可知，工況1各空心板受力比較合理，工況2～5由于支座脫空的影響，部分空心板會(huì)受力增大。其中工況2在空心板B3下部倒角位置產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力的集中，最大拉應(yīng)力為0.53MPa；工況3在空心板B3、B4下部倒角位置和空心板底部脫空支座附近產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力值為1.48MPa；工況4在空心板B2上部右側(cè)倒角位置產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力值為0.61MPa；工況5在空心板B2、B4的上部和下部倒角以及空心板底部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力集中，最大橫向拉應(yīng)力為3.36MPa。

2.2 鉸縫橫向正應(yīng)力分析

支座處工況1～5計(jì)算的各鉸縫的最大橫向正應(yīng)力如表2所示。

由表2可知，各鉸縫的橫向正應(yīng)力相比于空心板較小，但是當(dāng)發(fā)生支座脫空時(shí)，靠近脫空支座的鉸縫的最大橫向拉應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的增大，其中以工況3和工況5的支座脫空情況最為不利。工況3鉸縫J2、J4的最大橫向拉應(yīng)力增大1倍，鉸縫J3的最大橫向正應(yīng)力增大2倍。工況5鉸縫J1、J4的最大橫向正應(yīng)力增大2.3倍，鉸縫J2、J3的最大橫向拉應(yīng)力增大6倍多，最大橫向正應(yīng)力達(dá)3.22MPa，也超過(guò)鉸縫混凝土的抗拉強(qiáng)度限值。而且傳統(tǒng)空心板橋鉸縫內(nèi)部并未配置橫向抗彎鋼筋，在過(guò)大的橫向拉應(yīng)力作用下，鉸縫極易破壞。

表2 支座處各鉸縫的最大橫向正應(yīng)力(單位：MPa)

由上文可知工況5的鉸縫受力較為不利，故查看工況5鉸縫J3支點(diǎn)截面的橫向正應(yīng)力云圖并與工況1進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 鉸縫J3支點(diǎn)斷面橫向正應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖4顯示，工況1鉸縫下部橫向正應(yīng)力為壓應(yīng)力，但是工況5發(fā)生支座脫空后，鉸縫J3下部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力集中，從而使得鉸縫下部產(chǎn)生破壞。

綜上，支座脫空會(huì)導(dǎo)致靠近脫空支座的空心板及鉸縫產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力集中，使得空心板與鉸縫處于極為不利的受力狀態(tài)，極易引起空心板主梁及鉸縫結(jié)構(gòu)的橫向受拉破壞同時(shí)也造成空心板與鉸縫的橫向粘結(jié)破壞，從而降低空心板橋的橫向連接性能，最終導(dǎo)致出現(xiàn)單板受力病害。

2.3 主梁豎向剪應(yīng)力分析

工況1～5計(jì)算的各空心板的最大豎向剪應(yīng)力如表3所示。

由表3可知，各空心板的最大豎向剪應(yīng)力變化相比于橫向正應(yīng)力較小。工況2和工況3計(jì)算的空心板B2～B5最大剪應(yīng)力都增大，但增幅較??；工況4計(jì)算的空心板B2、B4、B5的剪應(yīng)力也有小幅增大，而B(niǎo)3的剪應(yīng)力小幅減??；工況5脫空4個(gè)支座時(shí)對(duì)空心板剪應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，其中B2的最大剪應(yīng)力為1.3MPa，相比于工況1增大88%，成為剪應(yīng)力最大的空心板，而且空心板B3的最大剪應(yīng)力明顯減小。

表3 各空心板的最大豎向剪應(yīng)力(單位：MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，空心板的最大豎向剪應(yīng)力出現(xiàn)在工況5空心板B2的左側(cè)腹板，因此，查看工況5空心板B2左側(cè)腹板的剪應(yīng)力云圖，并和工況1對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

圖5 空心板B3左腹板剪應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖5顯示，工況1空心板的豎向剪應(yīng)力沿橋梁縱向?qū)ΨQ分布，當(dāng)發(fā)生支座脫空后，空心板支座脫空一端的豎向剪應(yīng)力會(huì)增大，另一端的剪應(yīng)力基本不變，從而造成剪應(yīng)力在空心板中的重新分布，對(duì)空心板的受力產(chǎn)生不利影響。

2.4 鉸縫豎向剪應(yīng)力分析

工況1～5計(jì)算的各鉸縫的最大豎向剪應(yīng)力如表4所示。

由表4可知，鉸縫承受的豎向剪應(yīng)力相比于空心板較小，但是發(fā)生支座脫空后部分鉸縫的豎向剪應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生較大的增幅，其中以工況3和工況5最為顯著。工況3支座脫空后除鉸縫J3最大剪應(yīng)力減小外，其他鉸縫的最大剪應(yīng)力都有所增大。工況5鉸縫J2、J3的最大剪應(yīng)力減小，鉸縫J1、J4的最大剪應(yīng)力增大57%。

表4 各鉸縫的最大豎向剪應(yīng)力(單位：MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鉸縫的最大豎向剪應(yīng)力出現(xiàn)在工況5鉸縫J1。因此，查看工況5鉸縫J1的剪應(yīng)力云圖，并和工況1對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

圖6 鉸縫J1剪應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖6可知，工況1鉸縫的豎向剪應(yīng)力也沿橋梁縱向?qū)ΨQ分布，當(dāng)發(fā)生支座脫空后，鉸縫支座脫空一端的豎向剪應(yīng)力會(huì)增大，另一端的剪應(yīng)力基本不變，鉸縫中的剪應(yīng)力重新分布，使鉸縫處于較為不利的受力狀態(tài)。

綜上，支座脫空也會(huì)對(duì)空心板及鉸縫的豎向剪應(yīng)力產(chǎn)生不利的影響，使得剪應(yīng)力重新分布，部分空心板及鉸縫剪應(yīng)力增大，處于較為不利的受力狀態(tài)。再加上支座脫空對(duì)空心板及鉸縫的橫向正應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生極為不利的影響，從而使得空心板和鉸縫產(chǎn)生橫向受拉破壞和受剪破壞，而且傳統(tǒng)鉸縫內(nèi)部并未配置相應(yīng)的受力鋼筋，更易發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

以交通部2008版空心板橋標(biāo)準(zhǔn)圖為研究對(duì)象，采用三維有限元分析軟件對(duì)空心板橋支座脫空的病害情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要結(jié)論為：

(1)支座脫空會(huì)對(duì)空心板及鉸縫的橫向正應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，造成空心板主梁內(nèi)部橫向應(yīng)力的集中、極易使得空心板及鉸縫產(chǎn)生橫向受拉破壞。

(2)支座脫空對(duì)空心板及鉸縫的豎向剪應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，使得支座脫空端空心板和鉸縫的剪應(yīng)力增大，但總體剪應(yīng)力數(shù)值不大。

(3)當(dāng)空心板橋有相鄰多個(gè)支座同時(shí)發(fā)生脫空時(shí)，對(duì)空心板橋的不利影響會(huì)更大。