鉸接板梁橋鉸縫損壞對荷載橫向分布影響分析

許 諾 牟廷敏 康 玲

（1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611130； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

鉸接板梁橋因其構(gòu)造簡單，施工方便，用材經(jīng)濟(jì)，是中小跨徑橋梁經(jīng)常選用的橋型之一。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，早期建成的鉸接板梁橋因原來設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較低，加上日益增長的交通量和載重量，很多舊鉸接板梁橋鉸縫出現(xiàn)了混凝土松散剝落、變位錯臺、開裂滲水等橋梁病害，病害嚴(yán)重的可能出現(xiàn)單板受力的現(xiàn)象[1]。此外，鉸接板梁橋跨徑較小，恒載輕，活載產(chǎn)生的內(nèi)力相對總內(nèi)力的占比大，出現(xiàn)單板受力后，跨中彎矩增大，可能超過板的抗彎承載能力，將導(dǎo)致?lián)隙仍龃?、板底開裂、甚至斷板等安全事故。為此，分析鉸縫損壞對橋梁荷載橫向分布的影響對鉸接板梁橋的安全應(yīng)用十分重要，也是鉸接板梁橋的加固維修的重要依據(jù)。

1 鉸縫的結(jié)構(gòu)形式

裝配式板橋橫向通過鉸接縫連接形成整體受力結(jié)構(gòu)。鉸縫的構(gòu)造一般有三種形式，即淺鉸縫、中鉸縫、深鉸縫。通過在鉸縫內(nèi)設(shè)連接鋼筋并澆筑混凝土將梁板連接起來形成整體受力結(jié)構(gòu)[2]，如圖1所示。

圖1 鉸縫結(jié)構(gòu)形式

2 鉸縫損壞類型

造成鉸縫病害的原因主要包括設(shè)計、施工、運(yùn)營三方面的因素[3]，其具體損壞類型如下：

（1）鉸接板設(shè)計時常采用鉸接板理論，該理論假定預(yù)制板間鉸縫為理想鉸，鉸縫只傳遞剪力，與實(shí)際受力狀態(tài)存在差異。實(shí)際情況中，鉸縫不僅承受剪力還會承受彎矩以及偏心荷載作用下的扭矩，而設(shè)計時忽略了彎矩和扭矩的內(nèi)力效應(yīng)，因此形成了設(shè)計上的缺陷。

（2）由于鉸縫尺寸淺而窄，鉸縫混凝土澆筑不密實(shí)，強(qiáng)度比較低，澆筑混凝土前，梁板鉸縫接觸面混凝土未進(jìn)行鑿毛和灑水濕潤處理，接觸面粘結(jié)性能差。鋪設(shè)橋面過程中，測量人員未控制好標(biāo)高，局部鋪裝較薄，在汽車荷載作用下出現(xiàn)局部坑槽，造成橋面鋪裝破壞。

（3）超重車輛長期在特定的行車道上行駛，大型貨車一般靠右側(cè)車道行駛，這些位置的梁板反復(fù)承受重交通荷載，主梁交界處產(chǎn)生縱向裂縫，鉸縫發(fā)生疲勞破壞。鉸縫破壞后，荷載作用在某一塊板上時，相鄰板間的變形不協(xié)調(diào)，在鉸縫位置處形成錯臺[3]。

3 鉸縫損壞對荷載橫向分布的影響

3.1 工程實(shí)例

某8m裝配式簡支實(shí)心板橋，橫向由12片板組成，單片梁板寬1m，梁高38cm，橋面凈寬度11m，設(shè)計2車道，公路Ⅰ級荷載，橫截面布置如圖2所示，單車道汽車偏載和中載布置如圖3、圖4所示。

圖2 實(shí)心板橫截面布置圖（單位：cm）

圖3 汽車偏載布置示意圖（單位：cm）

圖4 汽車中載布置示意圖（單位：cm）

3.2 鉸接板梁法

采用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫連接的裝配式板橋，各片板間橫向具有一定的連接構(gòu)造，但其橫向連接剛度又比較薄弱[4-5]。在車輪荷載作用下，其受力狀態(tài)與數(shù)根并列橫向相互鉸接的板梁比較接近，通常采用鉸接板梁法計算這類橋梁的荷載橫向分布系數(shù)。

3.3 有限元梁格法

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立空間有限元梁格模型，如圖5所示。該模型采用縱向梁單元模擬主梁，橫向梁單元模擬主梁間的橫向連接，橫梁的厚薄反映了主梁間的橫向連接性能[6]。有限元梁格法可直接得到車輛荷載作用下，各片梁的內(nèi)力分布情況及撓度值，由各板撓度值占所有板撓度值之和的百分比，反算得到各板荷載橫向分布系數(shù)。

圖5 MIDAS/Civil有限元模型

3.4 荷載橫向分布分析

分別采用鉸接板梁法及梁格法計算鉸縫完好狀態(tài)下的荷載橫向分布系數(shù)，鉸縫完好時有限元梁格模型中橫梁的厚度取鉸接板厚為38cm，結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 荷載橫向分布系數(shù)計算結(jié)果（鉸縫完好）

圖6 橫向分布系數(shù)對比圖（鉸縫完好）

由表1和圖6可以看出，鉸縫完好時采用梁格法與采用鉸接板法計算得到的荷載橫向分布規(guī)律一致，鉸縫完好時，荷載作用于某橋面板時，相鄰橋面板會一起承擔(dān)荷載。

鉸縫是否完好是橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向傳力的關(guān)鍵，當(dāng)鉸縫破壞后，荷載作用側(cè)板梁承擔(dān)的荷載增大，遠(yuǎn)離荷載作用側(cè)板梁所承擔(dān)的荷載將減小。通過改變有限元梁格模型中橫梁的厚度來模擬鉸縫不同的損傷狀態(tài)，即鉸縫完好、鉸縫破損25%、鉸縫破損50%、鉸縫破損75%、鉸縫完全破損5種狀態(tài)，分析各板橫向分布系數(shù)的變化。結(jié)果如表2、表3、圖7、圖8所示。

表2 偏載作用下不同鉸縫破損度的荷載橫向分布系數(shù)

表3 正載作用下不同鉸縫破損度的荷載橫向分布系數(shù)

圖7 橫向分布系數(shù)對比圖（偏載）

圖8 橫向分布系數(shù)對比圖（正載）

由上述圖表可以看出，隨著鉸縫破損程度的加深，鉸縫傳遞剪力的能力逐漸減弱，荷載作用位置處的橫向分布系數(shù)不斷增大，遠(yuǎn)離荷載作用位置處的橫向分布系數(shù)不斷減小。當(dāng)鉸縫完全破損，荷載橫向分布系數(shù)為0.5，荷載全部由車輪作用位置處的橋面板承擔(dān)。

4 結(jié)束語

本文通過空間有限元梁格模型對不同鉸縫破損程度的鉸接板梁荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：

（1）當(dāng)鉸縫完好時，可采用梁格法與用鉸接板法計算鉸接板橋的荷載橫向分布系數(shù)。

（2）鉸縫破損程度影響荷載橫向傳遞能力，隨著破損程度的加深，橋梁的整體性變差，荷載作用位置處梁板的荷載橫向分布系數(shù)增大。鉸縫完全破壞時，車輛荷載全部由車輪作用位置的梁板承擔(dān)，該片梁處于極其不利的受力狀態(tài)，甚至不能滿足其承載能力要求，帶來安全隱患。