設置橫隔板對空心板橋荷載橫向分布的影響*

葛素娟，張高奎，陳 淮

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001)

據統計資料，截止2010年底，全國公路橋梁有65．81萬座、3048．31萬 m。其中特大橋梁2 051座、346．98 萬m，大橋49 489 座、1167．04 萬 m，中、小橋60．66萬座，可見，中、小跨徑橋占所建橋梁數量的90%以上［1］。預應力混凝土空心板橋是中、小型橋梁主要使用的橋型之一［2］，橡膠膠囊內模是目前使用最廣泛的空心板內模，它雖具有很多優點，但從大量的工程實踐情況來看，用橡膠氣囊內模制作的空心板，普遍存在頂板出現縱向裂縫，影響橋梁承載能力［3－5］。其主要原因是:空心板在澆筑混凝土過程中，由于氣囊內膜密度較小，質量小，雖有定位鋼筋，但是由于種種原因，經常偏位和上浮，從而導致頂板和腹板厚度減小，使空心板受壓高度不夠，承載力不足，為結構安全埋下了很大隱患;氣囊位置偏移或上浮也易造成混凝土保護層厚度變小，甚至鋼筋裸露，使空心板產生各種裂縫等病害，影響橋梁的耐久性。針對橡膠氣囊偏移和上浮等問題，可采用聚苯乙烯泡沫塑料內膜替代傳統的橡膠氣囊內膜，由于聚苯乙烯泡沫塑料內模具有一定的強度，且質量較小，可預制生產，而且澆注完混凝土后可留在結構內不必取出，因此，不必像氣囊一樣為了方便充氣，沿橋跨通長設置。為抵抗大挖孔率空心板截面翹曲和畸變變形，可在空心板端部和跨中位置設置橫隔板［6－7］。本文探討混凝土空心板設置橫隔板后，裝配式空心板橋的荷載橫向分布變化情況。

1 計算模型建立

以某典型的裝配式預應力混凝土空心板橋為研究對象，該橋梁縱向跨徑22．5 m，橫向共7塊板，每板寬1．49 m，兩端簡支，各空心板由混凝土企口縫連接。全橋橫截面圖如圖1所示，空心板橫截面如圖2所示。

圖1 全橋橫截面Fig．1 Cross－section of the full bridge

全橋有限元模型共劃分為135 600個實體單元，165 649個節點，邊界條件為兩端簡支，共設28個支座，全橋三維實體模型如圖3所示。

圖2 空心板橫截面Fig．2 Cross－section of the hollow plate

運用有限元程序MIDAS/Civil，采用三維空間塊體單元對橋梁進行有限元建模。對截面頂板處的普通鋼筋區采用鋼筋與混凝土的折算彈性模量考慮頂板處普通鋼筋的影響，對底部的預應力鋼筋采用等效的預應力板帶進行模擬;橋面板、鉸縫、混凝土鋪裝及欄桿等均用實體單元。折算彈性模量是根據混凝土和鋼筋的彈性模量等效計算得出，具體計算方法是令鋼筋混凝土所受軸力等于混凝土和鋼筋分別承受軸力之和來計算，具體計算過程可參見文獻［8］。橋梁計算參數為:空心板預應力筋區折算彈性模量為3．95×104MPa，非預應力筋區折算彈性模量為3．55×104MPa，橫隔板區折算彈性模量為3．45 ×104MPa。

圖3 全橋三維實體模型Fig．3 3D solid model of the full bridge

在計算模型中，為了比較橫隔板的不同設置對空心板橋荷載橫向分布的影響，分為3種計算工況。工況1:不設置橫隔板;工況2:在兩端靠近支座部位設置端橫隔板;工況3:在兩端靠近支座及跨中部位同時設置橫隔板;為了得到橋梁荷載橫向分布影響線，分別在跨中處的1～4號板的各板中心處施加單位荷載。

荷載橫向分布影響線的變化趨勢反映了空心板橋的整體性能，本文采用荷載橫向分布影響線來探討橫隔板的設置對裝配式空心板橋的影響。對鉸接空心板橋，按各板撓度、彎矩求得的跨中荷載橫向分布影響線應該是一致的［2］。所以，為了簡便，可以按各板跨中撓度的比例來計算跨中荷載橫向分布影響線。即:將單位荷載依次加載到某塊板的中心處，計算得到各塊板的撓度值，再根據位移互等定理，即可得到該塊板撓度的橫向影響線，最后根據撓度和荷載橫向影響線的關系得到該板的荷載橫向分布影響線的坐標值。

位移與荷載橫向分布系數的關系式為(1)式，具體推導過程見文獻［9－10］。

式中:ηij為j號梁中軸線作用一集中荷載時，引起i號梁的荷載影響系數;wi為集中荷載作用在j為號梁中點時各梁沿寬度方向中點的鉛垂位移;W為中點的鉛垂位移之和。

2 計算結果及分析

為了評價橫隔板的設置對整座橋的荷載橫向分布影響線的影響，根據上述理論，分別對1～4號板在設置橫隔板前后的荷載橫向分布影響線值進行計算，結果如表1及圖4～7所示。圖4～7中橫坐標代表1～7號板，縱坐標代表荷載橫向分布影響線值。

從表1及圖4～7可以看出:設置橫隔板后，1～4號板的荷載橫向分布影響線都變得平緩，說明設置橫隔板可使裝配式預應力混凝土空心板橋荷載橫向分布更為均勻，各板間的協同作用增強，由單板受力向多板協同受力轉變;較大程度地改善了裝配式預應力混凝土空心板橋的荷載的橫向分布，減小了單板受力現象的發生，增大了裝配式預應力混凝土空心板橋的剛度和板間聯系，從而有利于提高整橋的承載能力。

比較2種橫隔板設置情況可以看出:在端部與跨中均設置橫隔板比僅在端部設置橫隔板可使空心板橫向分布影響線平緩程度提高，說明各板間的協同作用更好，橋梁整體剛度加大，板間聯系增強。所以，從提高裝配式預應力混凝土空心板橋整體性的角度來講，在空心板的端部與跨中位置都設置橫隔板，橋梁的空間整體性較好。

表1 各板在3種工況下的荷載橫向分布影響線Table 1 Value of load transverse distribution influence line under three load conditions

圖4 1號板荷載橫向分布影響線Fig．4 Load transverse distribution influence line of plate 1

圖5 2號板荷載橫向分布影響線Fig．5 Load transverse distribution influence line of plate 2

圖6 3號板荷載橫向分布影響線Fig．6 Load transverse distribution influence line of plate 3

圖7 4號板荷載橫向分布影響線Fig．7 Load transverse distribution influence line of plate 4

3 結論

(1)設置橫隔板后，裝配式預應力混凝土空心板橋整橋的荷載橫向分布影響線更為均勻，各板間的協同作用增強，減小單板受力現象的發生，增大了空心板橋的剛度和板間聯系，從而提高了裝配式預應力混凝土空心板橋整體性，有利于整橋承載能力的提高。

(2)在空心板的端部與跨中位置都設置橫隔板，橋梁的空間整體性較好。

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