鋪裝層對(duì)裝配式空心板橋結(jié)構(gòu)橫向受力的影響

許 軍，陳勁超，孫曉紅

（1.山西省公路局，山西 太原 030006；2.北京交通大學(xué)，北京 100088；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

裝配式空心板橋是一種廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁的橋型，各片板梁一般采用預(yù)制安裝，然后通過(guò)鉸縫現(xiàn)澆混凝土加以橫向連接，再借助混凝土橋面鋪裝的整體化作用，形成整體受力的橋跨結(jié)構(gòu)。板間鉸縫混凝土破損是裝配式空心板橋典型病害之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)單板受力、斷板等，橋面鋪裝改造是增強(qiáng)橋梁整體性的一個(gè)有效方法，剛性鋪裝層對(duì)整體結(jié)構(gòu)有改善作用，同時(shí)鋪裝層厚度增加也會(huì)帶來(lái)自重增大問(wèn)題，這就勢(shì)必存在一個(gè)合理的鋪裝層厚度取值問(wèn)題。本文以試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果修正有限元模型，進(jìn)而對(duì)修正后的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，分析不同鋪裝層厚度時(shí)各主梁橫向撓度變化，探討空心板橋經(jīng)濟(jì)合理的鋪裝層厚度取值。

1 工程概況

某橋上部結(jié)構(gòu)為（4×20）m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板，空心板尺寸為124 cm×90 cm，橫向7片板，橋?qū)?.50 m。鉸縫高43 cm，內(nèi)布設(shè)交叉鋼筋，橋面鋪裝為10 cm鋼筋混凝土＋6.5 cm瀝青混凝土，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)為樁柱式墩臺(tái)。設(shè)計(jì)荷載為汽-20級(jí)，掛車(chē)-100。

運(yùn)營(yíng)多年后，橋面鋪裝對(duì)應(yīng)鉸縫位置出現(xiàn)嚴(yán)重的縱向開(kāi)裂，空心板間的鉸縫勾縫混凝土脫落，局部鉸縫失效，出現(xiàn)了單板受力現(xiàn)象。為保證橋梁安全和正常使用功能，2013年對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了維修加固，主要加固措施為鑿除原橋面鋪裝、鉸縫后，重新布設(shè)鉸縫鋼筋澆筑混凝土，重新現(xiàn)澆16 cm厚橋面鋪裝，鋪裝層內(nèi)布置15 mm×15 mm的φ12雙層鋼筋網(wǎng)。

2 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試了橋梁維修改造后各個(gè)板梁1/8截面和1/2截面的應(yīng)力和撓度。數(shù)據(jù)整理后得到板梁各截面的實(shí)際撓度值，用以修正模型計(jì)算。

試驗(yàn)采用混凝土塊加載，混凝土塊尺寸為2.00 m×0.85 m×1.70 m，重76 kN，加載時(shí)在混凝土加載塊下墊0.85 m×0.4 m×0.2 m的枕木分散荷載，用以模擬車(chē)輪集中荷載。由于橋面兩側(cè)為護(hù)欄，實(shí)際加載時(shí)，僅測(cè)試中間5片梁的加載數(shù)據(jù)。加載示意如圖1所示。

圖1 2號(hào)板跨中加載橫斷面示意圖（單位：cm）

3 模型模擬

3.1 模型介紹

數(shù)值分析采用Abaqus有限元軟件，模型中空心板、鉸縫、鋪裝均采用8節(jié)點(diǎn)6面體C3D8實(shí)體單元，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，彈性模量為32.5 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3。

鋼墊塊的使用可避免將約束或荷載直接施加在空心板上導(dǎo)致模型局部應(yīng)力不合理的現(xiàn)象[1]，故支座支撐及荷載施加均借助鋼墊塊模擬，模型中支座邊界條件及外荷載通過(guò)鋼墊塊間接作用于空心板，鋼墊塊彈性模量為2 100 GPa，密度為1 000 kg/m3。

空心板與鉸縫、橋面板與空心板界面黏結(jié)接觸采用Surface-based cohesive behavior模擬，接觸剛度K取值參考了文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并綜合文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中的建議值，取為10 MPa/mm。鋼墊塊與空心板的接觸方式采用Tie進(jìn)行約束。

模型皆模擬簡(jiǎn)支梁橋的約束，即將板梁前端參考點(diǎn)的x、y、z 3個(gè)方向的平動(dòng)都進(jìn)行約束，后端參考點(diǎn)則僅約束了x、y兩個(gè)方向的平動(dòng)。

3.2 模擬計(jì)算內(nèi)容

計(jì)算建立了無(wú)鋪裝、不同鋪裝層厚度及模擬鉸縫破損3種模型，進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.1 無(wú)鋪裝模型

無(wú)鋪裝模型的上部鋼墊塊尺寸與木墊塊尺寸相同，在鋼墊塊正上方的參考點(diǎn)上作用76 kN荷載，即采用與試驗(yàn)荷載相同的荷載。模型對(duì)1/2截面加載試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，即模擬了2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)板梁的加載試驗(yàn)，共5種工況。

3.2.2 不同鋪裝層厚度模型

有鋪裝模型的上部鋼墊塊尺寸為0.6 m×0.2 m×0.1 m，在鋼墊塊上部作用有6.3 MPa的壓強(qiáng)荷載，相當(dāng)于對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)施加了76 kN的荷載。模型對(duì)1/2截面加載進(jìn)行模擬計(jì)算，即進(jìn)行了對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)板梁跨中加載的模擬計(jì)算，共7種工況。

3.2.3 鉸縫失效模型

上述鋪裝模型中的4號(hào)鉸縫中間65%長(zhǎng)度范圍失效，即在距橋梁兩端各為1.75 m鉸縫完好中間6.5 m范圍鉸縫失效，以此模擬鉸縫受損[5]。在4號(hào)板梁跨中上部加載進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析鉸縫失效后橋面鋪裝對(duì)橫向傳力的作用，模型計(jì)算如圖2所示。

圖2 鉸縫損壞有鋪裝時(shí)4號(hào)板跨中加載模型圖

4 數(shù)值計(jì)算與分析

為了分析橋梁整體受力性能，通過(guò)分析橋梁結(jié)構(gòu)各主梁與單梁的撓度比來(lái)檢驗(yàn)[6]。

4.1 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

原橋鉸縫及橋面鋪裝修復(fù)后，測(cè)得橋梁完好狀態(tài)下各主梁受荷時(shí)的實(shí)測(cè)撓度值，與單梁撓度相比，可得到實(shí)測(cè)受荷板梁的撓度比。同一工況下，應(yīng)用Abaqus軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可得到數(shù)值模擬計(jì)算撓度比，兩條曲線的對(duì)比如圖3所示。

圖3 各個(gè)主梁分別在荷載作用時(shí)撓度比值

由圖3可知，橋梁改造后的各主梁撓度實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算值大致相同，最大差值出現(xiàn)在2號(hào)板處，相差幅度為1.74%，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差等因素的存在，該幅值在允許范圍內(nèi)。由此，認(rèn)為模型中鉸縫與空心板的接觸面剛度等參數(shù)設(shè)置是合理的，能夠真實(shí)反映實(shí)橋受力狀況。

基于以上模型，取8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm 5種鋪裝層厚度，分鉸縫完好和局部鉸縫損壞情況，對(duì)4號(hào)主梁進(jìn)行加載模擬計(jì)算，提取計(jì)入鋪裝層自重影響和不計(jì)鋪裝層自重影響兩種作用下的各主梁撓度，與單梁撓度對(duì)比，得出了不同的鋪裝層厚度下各主梁的撓度比，以此分析鋪裝層厚度對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)橫向整體性的影響。

4.2 鉸縫完好不同鋪裝層厚度計(jì)算結(jié)果

鉸縫完好狀態(tài)下，計(jì)入鋪裝層自重對(duì)4號(hào)板梁進(jìn)行加載計(jì)算，各主梁換算撓度比如圖4所示，不計(jì)鋪裝自重對(duì)4號(hào)板梁加載計(jì)算，各主梁換算撓度比如圖5所示。各種情況下?lián)隙缺热绫?所示。

圖4 計(jì)入鋪裝自重不同鋪裝層厚度下主梁撓度比曲線

圖5 不計(jì)鋪裝自重不同鋪裝層厚度下主梁撓度比曲線

表1 不同鋪裝層厚度各主梁撓度比

由圖4和表1可知，當(dāng)計(jì)入鋪裝層自重時(shí)，隨鋪裝層厚度增加，板梁撓度增大明顯，鋪裝層厚度每增加2 cm，板梁撓度值增大約10%，1號(hào)與4號(hào)主梁撓度差也趨于減小，曲線趨于平緩，表明考慮鋪裝層自重時(shí)，隨鋪裝層厚度增加各主梁荷載分配更均勻。

由圖5和表1可知，不計(jì)鋪裝自重時(shí)8 cm橋面鋪裝的板梁承擔(dān)荷載水平與無(wú)鋪裝時(shí)的基本相同，也就是說(shuō)8 cm鋪裝層厚度對(duì)板梁橫向分配能力無(wú)顯著作用，而當(dāng)鋪裝層厚度超過(guò)8 cm時(shí)，厚度每提高2 cm板梁撓度值減小約5%，據(jù)此在裝配式空心板橋橋面改造增強(qiáng)結(jié)構(gòu)橫向整體性時(shí)，宜設(shè)置8 cm以上的鋪裝層厚度。

4.3 鉸縫損壞鋪裝層厚度計(jì)算結(jié)果

計(jì)算時(shí)假設(shè)4號(hào)板梁一側(cè)鉸縫破損，在4號(hào)板梁跨中截面加載，考慮鋪裝層自重對(duì)4號(hào)板梁加載計(jì)算，各主梁換算撓度比如圖6所示、不計(jì)鋪裝層自重對(duì)4號(hào)板梁跨中斷面加載計(jì)算，各主梁換算撓度比如圖7所示。各種情況下?lián)隙缺热绫?所示。

圖6 考慮鋪裝層自重對(duì)4號(hào)板梁進(jìn)行加載時(shí)不同鋪裝層厚度下主梁撓度比

圖7 不考慮鋪裝層自重4號(hào)板梁加載時(shí)不同鋪裝層厚度下主梁撓度比

表2 不同鋪裝層厚度時(shí)各主梁撓度比

圖4和圖6對(duì)比可知，鉸縫受損后，4號(hào)板橫向分配明顯加大，而由圖6，鋪裝層厚度為8 cm時(shí)4號(hào)板橫向分配仍有較大突變，當(dāng)鋪裝層厚度增大到10 cm后，結(jié)構(gòu)橫向分配突變現(xiàn)象趨于緩和，表明10 cm鋪裝層厚度可較好地將荷載傳遞給各主梁。

圖5和圖7對(duì)比可知，鉸縫受損后，荷載的橫向傳遞能力明顯降低，不計(jì)鋪裝層自重時(shí)，受損鉸縫左右兩側(cè)板梁撓度相差65%，8 cm鋪裝時(shí)兩側(cè)板梁撓度相差25.6%。鋪裝層厚度增加到10 cm后，每提高2 cm受損鉸縫左右兩側(cè)板梁撓度差值約減小5%。

經(jīng)以上分析，鋼筋混凝土橋面鋪裝可以一定程度上起到提高裝配式空心板橋橫向整體性的作用。10 cm及以上厚度的橋面鋪裝在鉸縫完好和鉸縫受損時(shí)，能較好地實(shí)現(xiàn)分配荷載作用，但對(duì)比自重和外荷載作用的相互作用，認(rèn)為合理的鋪裝層厚度應(yīng)取為10 cm。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)20 m跨裝配式空心板橋鋼筋混凝土橋面鋪裝對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能影響的計(jì)算分析，得到如下認(rèn)識(shí)。

a）用Abaqus進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，鉸縫與空心板間采用Surface-based cohesive behavior接觸方式，接觸剛度取10 MPa/mm，能夠反映橋梁受力的實(shí)際情況。

b）當(dāng)結(jié)構(gòu)中個(gè)別鉸縫失效時(shí)，鋪裝層可起到改善結(jié)構(gòu)整體性能的作用，但不能完全取代鉸縫，鋪裝層的存在可減小因鉸縫損壞使結(jié)構(gòu)整體性減弱的不良后果，實(shí)際應(yīng)用中可一定程度上緩解了單板受力、斷板等突發(fā)事件的發(fā)生。

c）鋪裝層厚度越大對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體受力性能并非越有利，隨著鋪裝層厚度的增加結(jié)構(gòu)整體性提高不明顯，而由鋪裝層自重所帶來(lái)的撓度增大更明顯。根據(jù)計(jì)算，鋪裝層厚度取到10 cm后，即使鉸縫受損橋面鋪裝也可一定程度上起到荷載分配的作用。綜合對(duì)比分析后，認(rèn)為經(jīng)濟(jì)合理的鋪裝層厚度建議取為10 cm。