框架結(jié)構(gòu)橋面板受力性能分析

陳偉健 李波 韓福洲

摘要：桁架及系桿拱等框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，其橋面板多采用預(yù)制板結(jié)構(gòu)。文章以某省道系桿拱橋?yàn)槔瑥臉蛎姘辶簷M向分布系數(shù)影響因素及找平層協(xié)同作用兩方面，針對(duì)這種短小跨徑構(gòu)件受力性能開(kāi)展了計(jì)算分析。結(jié)果表明：（1）找平層協(xié)同作用對(duì)板梁橫向分布系數(shù)影響較小;（2）考慮找平層的協(xié)同作用可以顯著提高橋面板工作剛度，改善橋面板承載狀態(tài);（3）橋面板幾何參數(shù)對(duì)找平層協(xié)同作用效果的影響較小。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu);橫向分布系數(shù);找平層;協(xié)同作用

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U443.31-A-23-075-3

0 引言

在役橋梁在長(zhǎng)期氣候環(huán)境等因素影響下結(jié)構(gòu)材料性能會(huì)逐步退化，且在役橋梁面臨的交通荷載環(huán)境日益嚴(yán)峻。交通運(yùn)輸部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]表明，2010—2019年我國(guó)公路貨運(yùn)周轉(zhuǎn)總量增長(zhǎng)約37%，單位里程公路貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量增長(zhǎng)約10%。文獻(xiàn)資料表明[2]，交通荷載是在役橋梁產(chǎn)生重大責(zé)任事故的主要誘因之一。中小跨結(jié)構(gòu)由于其受力響應(yīng)特征對(duì)重車(chē)荷載更為敏感。框架結(jié)構(gòu)橋面板梁作為直接承受車(chē)輪荷載的受力構(gòu)件，梳理其受力性能特征是加強(qiáng)服役安全評(píng)估的重要舉措。

1 既有分析研究

桁架橋、系桿拱等框架結(jié)構(gòu)由于受力特征明晰、設(shè)計(jì)施工相對(duì)簡(jiǎn)單而被廣泛采用。早期建成的框架體系橋梁橋面板多采用多個(gè)預(yù)制構(gòu)件橫向并列布置。

計(jì)算常規(guī)橋梁荷載橫向分布的方法主要有杠桿原理法、偏心壓力法、鉸接板法、剛接板法以及比擬正交異性板法等[3]。相關(guān)研究[4-5]比較了各種方法對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果之間的差異，闡述了誤差產(chǎn)生的原因，探討了各計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和適用性，并給出了合理的建議。2015年石雄偉等[6]以114座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁及空心板橋作樣本，對(duì)橋面鋪裝對(duì)多主梁間橫向分布計(jì)算影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，計(jì)算了在不考慮橋面鋪裝、考慮一半鋪裝和考慮全部鋪裝下橋梁結(jié)構(gòu)橫向分布系數(shù)的變化。研究結(jié)果表明橋面鋪裝對(duì)中小跨徑梁橋的荷載橫向分布影響基本可以忽略，對(duì)主梁試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)影響較大。

針對(duì)在役橋梁結(jié)構(gòu)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能變化的影響，行業(yè)學(xué)者也陸續(xù)開(kāi)展了模擬分析及實(shí)橋?qū)Ρ确治鲅芯俊?012年潘桂梅等[7]以一座在役簡(jiǎn)支小箱梁橋?yàn)楸尘?，通過(guò)對(duì)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)橋面板受力性能分析/陳偉健，李 波，韓福洲

場(chǎng)記載試驗(yàn)獲得了該橋橫向分布系數(shù)試驗(yàn)值，分析結(jié)果表明舊橋橫向分布系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值結(jié)果相差比較大。2014年聶瑞鋒等[8]通過(guò)建立不同參數(shù)組合的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了不同跨徑、不同鉸縫損傷工況負(fù)彎矩橫向傳遞的影響。2018年鄔曉光等[9]考慮了在役裝配式T梁橋梁體裂縫引起的剛度分配，在傳統(tǒng)剛性橫梁法的基礎(chǔ)上考慮了剛度損傷部分引起的附加撓度，提出了修正剛性橫梁算法并進(jìn)行了有限元仿真及實(shí)橋荷載試驗(yàn)驗(yàn)證。2019年曠斌等[10]以5片空心板組成的裝配式梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于鉸接板梁法，考慮鉸縫損傷，提出修正鉸接板梁法，并進(jìn)行了橋梁荷載試驗(yàn)驗(yàn)證。

相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)主梁橫向分布系數(shù)計(jì)算理論、橋面鋪裝影響、結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)損傷模擬分析等方面就多主梁受力性能分析開(kāi)展了較為詳盡的研究，但既有研究針對(duì)的是跨度相對(duì)較大的空心板、T梁、組合梁等結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)研究成果對(duì)于跨徑約為5 m等更為短小的框架結(jié)構(gòu)橋面板適用性需要進(jìn)一步討論。

2 工程計(jì)算

某省道橋梁建成于2001年，設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-20級(jí)、掛車(chē)-100。結(jié)構(gòu)主橋采用71 m跨下承式鋼管混凝土系桿拱，引橋?yàn)?0 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。單幅結(jié)構(gòu)主橋采用2片鋼管混凝土拱肋，系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主橋單幅橫橋向布置兩排吊桿，每排共13根，吊桿間距為5 m。預(yù)制橋面板簡(jiǎn)支搭接于吊桿下錨頭錨固位置橫梁上，單塊橋面板構(gòu)造長(zhǎng)度為4.5 m，橫向?qū)挾葹?.38 m。橋面找平層沿橋跨通長(zhǎng)澆筑并布置了面層鋼筋網(wǎng)，最終形成橋面板簡(jiǎn)支、橋面找平層連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。找平層在橫梁前后1 m范圍內(nèi)布置局部加強(qiáng)鋼筋。見(jiàn)圖1。

橋梁所在省道重載交通特征明顯，為分析橋面預(yù)制板梁實(shí)際承載能力，以便于對(duì)交通軸載進(jìn)行有效管控，避免重車(chē)過(guò)橋?qū)е聵蛎骖A(yù)制板垮塌事故，本文擬對(duì)橋面板受力性能特征進(jìn)行分析。

本文選擇重車(chē)車(chē)道下橋面板，采用Midas軟件8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行有限元仿真分析，建模范圍包括目標(biāo)橋面板（4#板）及兩側(cè)橋面板、找平層。橋面瀝青混凝土鋪裝僅考慮其對(duì)車(chē)輪荷載擴(kuò)散效應(yīng)。橋面板梁采用簡(jiǎn)支體系、找平層在橫梁上方截面區(qū)域加載對(duì)稱(chēng)約束。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。

按照橋面板橫向分布系數(shù)分析及找平層協(xié)同作用分析，分別設(shè)計(jì)計(jì)算模型組，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)幾何特性參數(shù)影響。對(duì)應(yīng)加載工況的含義如下：

（1）考慮找平層是否協(xié)同受力，設(shè)計(jì)對(duì)比組“考慮找平層”“不考慮找平層”，其中“不考慮找平層”即不建立找平層模型單元，僅考慮其對(duì)車(chē)輪荷載擴(kuò)散的效應(yīng)。

（2）考慮鉸縫混凝土是否完好，設(shè)計(jì)對(duì)比組“鉸縫混凝土完好”“鉸縫混凝土失效”。在考慮找平層協(xié)同作用情況下，鉸縫區(qū)域?qū)?yīng)找平層混凝土，如果考慮失效且橋面預(yù)制板鉸縫混凝土同時(shí)失效，則增加設(shè)置“鉸縫通長(zhǎng)裂縫”對(duì)比模型。

（3）考慮橋面板梁厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，增加設(shè)置“橋面板增厚”對(duì)比模型，對(duì)應(yīng)橋面板厚度由20 cm增加至30 cm。

（4）考慮橋面板跨度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，增加設(shè)置“橋面板加長(zhǎng)”對(duì)比模型，對(duì)應(yīng)橋面板構(gòu)造長(zhǎng)度由4.5 m增加至7 m。

3 結(jié)果分析

以在車(chē)輪最不利加載作用下橋面板跨中位置豎向位移作為受力性能分析目標(biāo)參量進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 荷載橫向分布系數(shù)

荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比計(jì)算結(jié)果表明：（1）當(dāng)鉸縫位置混凝土工作性能完好的條件下，考慮找平層與橋面板協(xié)同作用對(duì)橋面板橫向分布系數(shù)計(jì)算影響較小;（2）當(dāng)找平層混凝土完好但是鉸縫位置混凝土失效的條件下，考慮找平層與橋面板協(xié)同作用對(duì)橋面板橫向分布系數(shù)計(jì)算更為有利，計(jì)算結(jié)果與橋面板鉸縫位置混凝土工作性能完好時(shí)的數(shù)值偏差較小。

3.2 找平層協(xié)同作用

文獻(xiàn)資料[11-12]針對(duì)新老混凝土結(jié)合面?zhèn)髁π阅苓M(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。加載破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：（1）不在交界面植入鋼筋，新老混凝土結(jié)合面剪切應(yīng)力<3 MPa時(shí)，新老混凝土協(xié)同受力特征完好，交界面未植入鋼筋的素混凝土對(duì)應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示;（2）在交界面植入鋼筋后新老混凝土結(jié)合面抗剪切參數(shù)會(huì)顯著增加。

在不考慮鉸縫附近門(mén)式鋼筋對(duì)新老混凝土結(jié)合面抗剪增強(qiáng)的作用，鉸縫位置混凝土及找平層鉸縫區(qū)域混凝土全部失效時(shí)，目標(biāo)橋面板處于最為不利的單板受力狀態(tài)，在此工況下提取找平層后澆筑混凝土與橋面板混凝土交界面應(yīng)力約為0.9 MPa，對(duì)應(yīng)數(shù)值遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)中加載破壞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度限值。因此本文認(rèn)為在計(jì)算橋面板承載能力時(shí)找平層混凝土與橋面板之間不會(huì)發(fā)生剝離，考慮找平層協(xié)同作用是合理的。見(jiàn)圖4、圖5。

本文找平層協(xié)同作用分析對(duì)比計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)后頁(yè)圖6）表明：（1）考慮找平層的協(xié)同作用可以顯著提高橋面板工作剛度，改善橋面板承載狀態(tài);（2）橋面板梁高及跨度等幾何參數(shù)對(duì)找平層協(xié)同作用效果的影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)橋面板梁鉸縫區(qū)域混凝土工作性能完好時(shí)，找平層協(xié)同作用對(duì)橋面板梁間荷載橫向分布系數(shù)影響較小;當(dāng)橋面板梁鉸縫區(qū)域混凝土失效而找平層混凝土工作性能完好時(shí)，橋面板梁間仍能保持相當(dāng)?shù)臋M向協(xié)同受力性能。

（2）依據(jù)新老混凝土界面破壞試驗(yàn)的文獻(xiàn)資料數(shù)值成果，可以根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果考慮找平層混凝土與橋面板的協(xié)同承載作用，以確保橋梁構(gòu)件實(shí)際承載能力計(jì)算更接近實(shí)際。

（3）在框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，建議橋面板盡量采用整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以盡量避免由于鉸縫混凝土失效導(dǎo)致橋面板受力性能與設(shè)計(jì)狀態(tài)存在較大偏離的現(xiàn)象。

（4）當(dāng)框架結(jié)構(gòu)橋面板采用預(yù)制板梁時(shí)，建議在施工期對(duì)橋面板上面層進(jìn)行拉毛、輕微鑿毛等能顯著增加表面粗糙程度的施工處理措施，以利于找平層能更好地參與橋面板協(xié)同受力，提高結(jié)構(gòu)實(shí)際安全風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力。

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收稿日期：2021-03-22

基金項(xiàng)目：

江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目“橋梁建設(shè)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化和智能化關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：2019Y69）

作者簡(jiǎn)介：

陳偉?。?987—），工程師，研究方向：在役橋梁安全性能評(píng)估與結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)研究。