鉸縫損傷對(duì)裝配式空心板橋受力性能影響研究

劉旭政，郭 維，吳 剛，荊偉偉

（1. 華東交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2. 華東交通大學(xué)土木工程國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330013；3. 嘉善縣交通運(yùn)輸局，浙江 嘉興 314100）

裝配式空心板橋具有經(jīng)濟(jì)適用、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和施工方便等特點(diǎn)， 在中小跨徑公路橋梁當(dāng)中廣泛應(yīng)用[1]。 鉸縫作為裝配式空心板梁橋的重要構(gòu)件，起到橫向連接與傳遞荷載的作用。 但由于施工工藝缺陷和超載車輛的影響， 在役空心板橋在鉸縫處普遍容易產(chǎn)生病害，如勾縫脫落、鉸縫滲水析白等常規(guī)病害，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生“單板受力”，在鉸縫位置處鋪裝層出現(xiàn)縱向裂縫或破碎帶、相鄰梁板垂直方向錯(cuò)位等病害[2]。 近年來，由于鉸縫損傷導(dǎo)致橋梁發(fā)生安全事故時(shí)有發(fā)生， 例如2011 年錢塘江三橋南引橋邊板鉸縫損壞，導(dǎo)致邊板單板受力，在某重載掛車作用下2 塊梁板斷裂，引發(fā)側(cè)翻；2018 年意大利卡拉拉大橋由于鉸縫損壞導(dǎo)致橋梁坍塌， 對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響；2021年， 武漢市長(zhǎng)豐橋某梁板在存在鉸縫損傷病害情況下， 一超載車輛滿載砂石通過時(shí)， 造成該梁斷裂，橋面塌陷。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)于空心板橋鉸縫病害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響開展了相關(guān)研究。 冷艷玲等[3]針對(duì)不同鉸縫開裂長(zhǎng)度對(duì)橫向分布系數(shù)的影響展開研究，得出單板受力效應(yīng)下的鉸縫開裂長(zhǎng)度臨界值。 Al-Saidy[4]研究了損傷構(gòu)件對(duì)橋梁整體受力性能的影響， 并分析了梁板損傷后橫向分布影響線的變化，李春良等[5]認(rèn)為板與鉸縫共同損傷相較于鉸縫損傷更容易導(dǎo)致完好的板出現(xiàn)損傷。 張麗芳[6]通過引入橫向受力分配比的概念，可以很好的描述單板受力現(xiàn)象。 秦小杰[7]對(duì)不同工況下的單處鉸縫損傷的橫向分布系數(shù)影響展開了具體論述研究。 吳國強(qiáng)[8]分析了鉸縫受不同損傷情況時(shí)空心板梁位移的變化規(guī)律。 現(xiàn)有的研究多注重于鉸縫損傷對(duì)橫向分布系數(shù)的影響，而對(duì)不同鉸縫損傷類型下的結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律研究較少，本文以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研為基礎(chǔ)，以20 m 跨徑標(biāo)準(zhǔn)空心板橋?yàn)槔捎猛ㄓ糜邢拊浖⒘焊穹Ｐ?，?jì)算分析了鉸縫在不同的損傷工況及類型下對(duì)空心板橋受力性能影響。

1 鉸縫病害調(diào)研

對(duì)浙江省某縣道橋梁進(jìn)行定期檢查，該線路設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，服役年限集中在10～30 a，橋型主要包括預(yù)應(yīng)力空心板梁橋，現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁和變截面連續(xù)箱梁等。 檢查發(fā)現(xiàn)空心板梁橋鉸縫損傷病害相對(duì)普遍，破壞嚴(yán)重程度不一且破損形式多樣，對(duì)在役橋梁正常使用帶來一定影響。 本次調(diào)研僅針對(duì)空心板梁橋進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注鉸縫相關(guān)病害， 共選取80 余座公路空心板橋進(jìn)行對(duì)比分析，其中約60%橋梁鉸縫存在損傷病害[2]。

調(diào)研方法包括： 按鉸縫損傷長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，損傷長(zhǎng)度按跨徑占比表示；按照鉸縫外觀損傷程度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，鉸縫外觀損傷程度分為：勾縫脫落、滲水鹽析、梁板錯(cuò)臺(tái)、橋面縱向裂縫4 種類型；按照不同損傷位置進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，損傷位置包括跨中，四分點(diǎn)，八分點(diǎn)等；共統(tǒng)計(jì)到病害鉸縫90條，鉸縫病害分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

圖1 鉸縫損傷病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistical results of joint damage investigation

結(jié)果表明：對(duì)于服役20 a 左右橋梁而言，雖然鉸縫損傷病害普遍存在， 但是從外觀損傷程度判斷，勾縫脫落和滲水鹽析兩者占比72.3%，說明病害多處于發(fā)展初期階段， 鉸縫損傷長(zhǎng)度集中在0.4～0.8L，損傷過短或過長(zhǎng)都相對(duì)較少，鉸縫破損位置主要位于跨中附近，跨中位置占比86.7%，這與簡(jiǎn)支空心板橋受力特點(diǎn)也是相符合的。 根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)，本文采用有限元模擬方式，針對(duì)鉸縫不同損傷類型下的梁板受力影響展開分析。

2 橋梁概況及有限元模型

2.1 算例橋梁概況

選取交通部頒布的《裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板標(biāo)準(zhǔn)圖》 中的20 m 跨徑裝配式空心板橋?yàn)檠芯繉?duì)象。 標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m，計(jì)算跨徑19.26 m；橫向全寬12.4 m，共10 片板梁，9 個(gè)鉸縫?？招陌灏甯?.95 m，板寬1.24 m，橫截面尺寸如圖2 所示。 鉸縫構(gòu)造為深鉸縫形式；鋼筋混凝土容重26 kN/m3，主梁采用C50 混凝土，彈性模量3.45×104MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm 的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線， 橋面鋪裝按70%厚度折算為結(jié)構(gòu)參與承載， 其余部分與人行道鋪裝及兩側(cè)護(hù)欄按二期荷載考慮。

圖2 空心板橫截面（單位：mm）Fig.2 Cross section of hollow slab beam (unit: mm)

2.2 有限元模型的建立

設(shè)計(jì)上一般通過橫向分布系數(shù)的計(jì)算來進(jìn)行多片梁的偏載效應(yīng)的求解，該方法適合于鉸縫完好時(shí)的受力分析， 不能對(duì)鉸縫破壞的情況進(jìn)行模擬?？紤]鉸縫破損的空心板橋梁的分析方法可采用梁格法或者空間有限元法。 其中梁格法易于進(jìn)行活載布置且計(jì)算精度能夠滿足實(shí)際精度要求，是一種裝配式空心板橋應(yīng)用廣泛的數(shù)值分析方法[9-10]，大量的研究結(jié)果表明采用梁格法分析裝配式空心板梁具有較高的精度[11-13]。 梁格法主要思路是將上部結(jié)構(gòu)用一個(gè)等效梁格進(jìn)行替代模擬，將分布于空間板上的每一區(qū)段的抗扭剛度和彎曲剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格內(nèi)，橫向剛度集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)，當(dāng)結(jié)構(gòu)原型和等效梁格承受相同荷載時(shí)，兩者撓曲將是相等的，并且任一梁格內(nèi)的彎矩、扭矩和剪力等于該梁格代表的實(shí)際結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)力[13]。

運(yùn)用Midas Civil 有限元程序，采用梁格法建立有限元分析模型。 空心板橫向聯(lián)系只計(jì)剛度，忽略重量，通過在截面設(shè)置中把容重設(shè)置為“0”來實(shí)現(xiàn)；虛擬橫梁剛度依據(jù)空心板截面的頂、 底板厚度取值；每個(gè)虛擬橫梁分別用兩個(gè)單元模擬，通過釋放其中一個(gè)單元的梁端彎矩約束，模擬鉸接縫只傳遞剪力，不傳遞彎矩。 建立全橋有限元模型（圖3），共578 個(gè)單元，419 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 空心板橋梁格法有限元模型Fig.3 Finite element model of the hollow slab beam bridge with the grillage method

3 鉸縫損傷模擬

空心板鉸縫在外界荷載和運(yùn)營環(huán)境等綜合作用下，產(chǎn)生損傷情況往往比較復(fù)雜的[14-15]。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大量空心板橋梁檢查結(jié)果，本文考慮3 種鉸縫損傷工況下的不同損傷深度、損傷長(zhǎng)度和損傷位置對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和撓度影響，如表1 所示。

表1 鉸縫損傷模擬工況及類型Tab.1 Hinge damage simulation conditions and types

鉸縫損傷長(zhǎng)度及位置模擬通過選取相關(guān)單元釋放梁端約束進(jìn)行模擬，損傷深度通過釋放梁端約束比例來實(shí)現(xiàn)。 為探究鉸縫破損狀態(tài)下的橋梁最不利受力情況，選取與損傷鉸縫相鄰的梁板進(jìn)行分析（工況1 取1# 板，工況2 和工況3 取5# 板），因?yàn)榕c損傷鉸縫相鄰的梁板受力變化影響最大[5]。 其中車輛荷載布置按使所分析梁板最不利受力進(jìn)行加載，采用公路Ⅰ級(jí)車道，車道線通過所分析梁板中心線，橫橋向間距按規(guī)范取值，滿布4 個(gè)車道，工況及車輛布置（半幅橋?qū)挘┤鐖D4 所示。

圖4 3 種鉸縫損傷工況及布載圖Fig.4 Three kinds of joint damage conditions and layout drawings

4 鉸縫損傷類型對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

4.1 損傷位置影響

在荷載作用下，梁板跨中范圍受力最大，從受力上來說，跨中附近的鉸縫最容易發(fā)生損傷。 但是，鉸縫損傷除了受力因素外， 還與鉸縫施工質(zhì)量、鉸縫初始缺陷位置等密切相關(guān)，根據(jù)實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，鉸縫損傷位置并不一定在跨中先出現(xiàn)，存在其他位置先行損傷的情況。 為研究鉸縫不同位置損傷對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律，取鉸縫在跨中、四分點(diǎn)和八分點(diǎn)位置分別損傷0.3L，損傷深度取100%，最不利活載作用下梁板跨中截面彎矩見圖5。

由圖5 可知，損傷位置越靠近跨中對(duì)于梁板受力的影響越大，四分點(diǎn)、八分點(diǎn)處出現(xiàn)損傷時(shí)，影響較小，與未損傷時(shí)較為接近，跨中位置出現(xiàn)損傷時(shí)，梁板的彎矩值相比未損傷時(shí)影響明顯。 其中彎矩增加15.7%，損傷長(zhǎng)度為0.3L 時(shí)，邊板鉸縫損傷引起的彎矩值最大，說明在橋梁管養(yǎng)維護(hù)養(yǎng)護(hù)當(dāng)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注跨中部位鉸縫的病害情況。

圖5 鉸縫不同損傷位置的最不利活載跨中彎矩Tab.5 Bending moments for different damage locations at middle span section under the most adverse live load

4.2 損傷長(zhǎng)度影響

為了研究鉸縫損傷長(zhǎng)度對(duì)梁板受力影響規(guī)律，根據(jù)上節(jié)分析， 跨中位置鉸縫損傷受力影響最大，所以假定破損形式從跨中向兩側(cè)同步對(duì)稱開裂，損傷深度取100%。 表2 為3 種工況下的跨中截面在最不利活載作用下的彎矩、底板應(yīng)力和撓度值。

表2 不同損傷長(zhǎng)度的最不利活載作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值Tab.2 Calculated structural effect for different damage length under the most adverse live load

對(duì)比表2 中鉸縫全長(zhǎng)破損和未損傷時(shí)計(jì)算結(jié)果可知： 工況1 中1# 邊板跨中截面彎矩增加53.9%，底板應(yīng)力增加59.3%，撓度增加了60.3%。工況2 中5#中板跨中截面彎矩增加了49.8%，底板應(yīng)力增加了47.7%，撓度增加了50.9%。 工況3 中5#中板跨中截面彎矩增加了125.6%，底板應(yīng)力增加了120.5%，撓度增加了133.4%。

對(duì)比工況1，工況2 數(shù)據(jù)可知，相同鉸縫損傷長(zhǎng)度下，邊板單側(cè)損傷對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響大于中板單側(cè)損傷， 即邊板發(fā)生損傷時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)程度更大。對(duì)比工況2，工況3 數(shù)據(jù)可知，中板雙側(cè)損傷工況下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值大于中板單側(cè)損傷工況，且隨著損傷長(zhǎng)度的增加， 增幅有遞增的趨勢(shì)； 在損傷長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，中板雙側(cè)損傷彎矩、應(yīng)力、撓度分別超出單側(cè)損傷的50.6%，49.2%和54.7%。

由圖6 可知，對(duì)于中板單側(cè)鉸縫損傷（工況2），隨著損傷長(zhǎng)度增加，彎矩增幅呈線性遞增。 對(duì)于工況1 和工況3，在損傷初期即損傷長(zhǎng)度較小時(shí)，彎矩值呈線性遞增。 當(dāng)損傷長(zhǎng)度分別超過12，14 m 之后呈曲線快速遞增趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響突增，表明邊板單側(cè)損傷和中板雙側(cè)損傷均會(huì)引起梁板產(chǎn)生“單板受力”效應(yīng)。其中邊板單側(cè)鉸縫損傷的“單板受力”臨界長(zhǎng)度為0.6L，中板雙側(cè)鉸縫的“單板受力”臨界長(zhǎng)度為0.7L。

圖6 各工況下不同鉸縫損傷長(zhǎng)度的彎矩增長(zhǎng)率Fig.6 The bending moment increase ratio of various damage length under three conditions

由圖7 可知，對(duì)于中板單側(cè)鉸縫損傷（工況2），隨著損傷長(zhǎng)度增加，梁板縱向撓度平緩增大，對(duì)于工況1 和工況3 在鉸縫全長(zhǎng)破損時(shí)，梁板縱向撓度值均有大幅劇增。

圖7 各工況下不同鉸縫損傷長(zhǎng)度的梁板縱向撓度圖Fig.7 Longitudinal deflection diagrams of slabs with different hinge damage lengths under three conditions

4.3 損傷深度與長(zhǎng)度復(fù)合影響

根據(jù)上節(jié)分析， 工況3 作為梁板最不利的受力工況， 分析工況3 下不同損傷深度與損傷長(zhǎng)度復(fù)合損傷下的結(jié)構(gòu)受力性能影響， 損傷深度分別取25%，50%，75%，100%， 表3 為工況3 下5# 板的跨中截面在最不利活載作用下的彎矩、 底板應(yīng)力和撓度值。 表3 計(jì)算了不同損傷長(zhǎng)度和損傷深度的共同影響下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值， 結(jié)果表明當(dāng)損傷長(zhǎng)度或損傷深度中有一方較小時(shí)， 梁板彎矩和撓度變化很小。 損傷長(zhǎng)度為0.6L， 損傷深度為50%時(shí)，跨中彎矩僅增加了3.4%，撓度增加了0.7%。當(dāng)損傷長(zhǎng)度和損傷深度均較大時(shí)， 活載作用下的梁板彎矩和撓度增幅明顯， 對(duì)于出現(xiàn)嚴(yán)重破損的鉸縫應(yīng)該及時(shí)予以病害處治維修。

表3 不同損傷深度的最不利活載作用下結(jié)構(gòu)效應(yīng)值Tab.3 Calculated structural effect for different damage degree under the most adverse live load

5 單板受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

“單板受力” 作為鉸縫破損最為嚴(yán)重時(shí)的梁板受力狀態(tài)[16]，根據(jù)《JTG 3362-2018 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》分別計(jì)算出中板與邊板截面的截面允許值，并建立中板和邊板截面的單梁模型與鉸縫未損傷時(shí)的空心板原模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)算。

5.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

持久狀況承載能力極限狀態(tài)下需對(duì)空心板正截面抗彎及斜截面抗剪承載力檢算，表4 有限元計(jì)算結(jié)果取承載能力極限狀態(tài)的基本組合。

表4 承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果Tab. 4 Checking results of the load capacity limit state

通過表4 可以看出： 對(duì)于中板，5# 單板跨中彎矩為2 970.3 kN·m，相比原模型增加46.2%，且大于截面彎矩抗力值， 抗彎承載能力不滿足要求；支點(diǎn)剪力為622.3 kN，對(duì)比增加13.8%。 對(duì)于邊板，1#單板跨中彎矩為3 917.1 kN·m， 相比原模型增加37.8%，且大于截面彎矩抗力值，抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求； 支點(diǎn)剪力為841.3 kN， 對(duì)比增加27.2%。

5.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

受彎構(gòu)件在使用階段撓度應(yīng)考慮長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，不允許超過計(jì)算跨徑的L/600=20/600=32.1 mm[17]?？沽羊?yàn)算應(yīng)該分別考慮長(zhǎng)期效應(yīng)和短期效應(yīng)影響。 表4 有限元計(jì)算結(jié)果取正常使用極限狀態(tài)的頻遇組合和準(zhǔn)永久組合。

由表5 可知，單板相比原模型，撓度與應(yīng)力值均有一定幅度增加。 其中中板截面在正常使用極限狀態(tài)下的主梁內(nèi)力值均小于截面允許值，結(jié)構(gòu)偏安全。 根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力溫凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算可得，1# 板（邊板）長(zhǎng)期效應(yīng)組合及短期效應(yīng)組合中混凝土抗裂性能不滿足要求，梁底板開裂。

表5 正常使用極限狀態(tài)檢算結(jié)果Tab. 5 Checking results of the service limit state

6 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)情況，采用有限元軟件建立裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板模型，分析了不同鉸縫損傷工況及類型對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1） 鉸縫損傷位置對(duì)梁板彎矩和應(yīng)力值有一定影響，損傷位置越靠近跨中對(duì)于梁板受力的影響越大。

2） 隨著鉸縫損傷長(zhǎng)度的增加，活載作用下的梁板內(nèi)力和撓度值也隨之增大。 對(duì)于中板單側(cè)鉸縫，彎矩增幅呈線性遞增，邊板單側(cè)損傷和中板雙側(cè)損傷均會(huì)引起梁板產(chǎn)生“單板受力”效應(yīng)，其“單板受力”臨界長(zhǎng)度分別為0.6L，0.7L。對(duì)于中板雙側(cè)鉸縫損傷工況，鉸縫完全破損下跨中彎矩增加了125.6%，底板應(yīng)力增加了120.5%，撓度增加了133.4%。

3） 分析計(jì)算了不同損傷長(zhǎng)度和損傷深度的共同影響下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值，結(jié)果表明當(dāng)損傷長(zhǎng)度和損傷深度二者之一較小時(shí)， 梁板彎矩和撓度變化很小。損傷長(zhǎng)度為0.6L，損傷深度為50%時(shí)，跨中彎矩僅增加了3.4%，撓度增加了0.7%。當(dāng)損傷長(zhǎng)度和損傷深度均較大時(shí)，活載作用下的梁板彎矩和撓度增幅明顯。

4） 空心板單板受力時(shí)，彎矩、剪力與撓度值和全橋共同受力相比均有一定程度增加。20 m 標(biāo)準(zhǔn)空心板算例表明：中板單板受力時(shí)抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求，邊板單板受力時(shí)抗彎承載能力和抗裂驗(yàn)算不能滿足規(guī)范要求。