裝配式橋梁橫向分布分析及損傷識別

羅彥 蔣凌杰 毛建平

作者簡介：

羅 彥（1971—），高級工程師，主要從事橋梁設計及檢測工作;

蔣凌杰（1988—），工程師，碩士研究生，主要從事橋梁檢測及監測研究工作;

毛建平（1985—），高級工程師，碩士研究生，主要從事橋梁設計、檢測及監測研究工作。

文章闡述了橫向分布系數在舊橋承載能力評定中應用的方法，分析了橫向分布的影響因素敏感度，得到單片梁開裂和鉸縫失效兩種損傷的橫向分布損傷識別模型，給出了基于荷載試驗結果計算橫向分布的公式，并進行了兩座橋梁實測橫向分布系數的計算及損傷識別分析，以驗證梁損傷識別的有效性。

裝配式橋梁;橋梁試驗評定;橫向分布;損傷識別

U448.21+8A461644

0 引言

裝配式空心板梁橋在我國高速公路建設中應用廣泛[1]。在近年的高速公路改擴建中，對該類橋梁的承載能力檢測評定也越發受到重視。裝配式橋梁荷載試驗承載能力評定時，通常引入橋梁橫向分布的概念，將空間計算化為平面計算，從而將橋梁空間計算轉化為單梁模型計算。橫向分布系數的準確計算是承載能力評定的基礎，其準確性直接影響荷載試驗效率、荷載試驗理論值、荷載試驗校驗系數的準確性，從而影響橋梁承載能力評定結果。

1 橫向分布計算基本原理及方法

橫向分布計算將影響面函數分離成影響線函數進行求解[2]，從而達到化復雜的空間問題為簡單的平面問題，如式（1）：

S=Pη（x，y）≈η（x）η（y）（1）

式中：η（x）——單梁截面的效應值影響線，即縱向影響線;

η（y）——梁的荷載橫向影響線，即橫向分布系數。

通過以上處理，即可以通過單梁模型求得某截面上的效應值η（x），再利用荷載分布系數η（y）計算梁的實際效應值。引入橫向分布系數的方法，在同等精度條件下比空間分析的數值方法效率高。

杠桿法、剛接板梁法、鉸接板梁法、修正偏壓法和GM法是橫向分布系數常用的計算方法，各計算方法的原理及適用范圍不同。工程應用中，通常采用杠桿法計算支點的橫向分布系數，采用其他方法計算跨中的橫向分布系數。如裝配式空心板橋采用鉸接板梁法進行跨中橫向分布系數的計算，該法通過剛度參數和板塊的數量，確定梁板的荷載橫向影響線 [3-4]，并根據荷載的橫向分布計算橫向分布系數。

2 橫向分布影響因素分析

橋梁橫向分布與橋梁的橫向連接有關，與結構的影響線和荷載布置也有關，而影響線通過剛度參數及梁板數量求得。因此影響因素主要有：主梁截面剛度、梁板的數量、荷載橫向位置以及橫向連接剛度。

本文以銅鼓巖小橋荷載試驗的計算過程為計算模型，分析橫向分布系數隨影響因素變化的規律。

銅鼓巖小橋位于柳南改擴建工程K202+298處，橋梁全長17.52 m，其上構為1～10 m鋼筋混凝土空心板，橋面按分離式雙幅設置，單幅橋面寬13.65 m（0.5 m+12.5 m+0.65 m），設計荷載為汽-超20，掛車-120。橋梁斷面圖見圖1。該橋為單跨簡支梁橋，荷載試驗以跨中斷面為控制斷面，分別進行中載和偏載工況，加載時采用單排橫向3輛車布置，加載示意圖見圖2。

2.1 截面剛度對橫向分布的影響分析

空心板的橋面鋪裝厚度相對空心板的高度較大，考慮橋面鋪裝明顯提高主梁的整體剛度。中小跨徑的普通鋼筋混凝土空心板在荷載長期作用下出現較多的橫向貫通裂縫，截面開裂也較大削弱截面的剛度。為研究其影響程度，采用橋梁博士3.0軟件進行影響線的計算，以偏載工況橫向布載為例，計算3種情況下的橫向分布系數并對比分析，結果見表1。

由表1可知，在考慮橋面鋪裝整體剛度增加（約增大1倍）和考慮截面開裂整體剛度減小（約減小1倍）情況下橫向分布系數基本保持不變，偏差率多數在5%以內，對荷載試驗撓度及應變的計算值影響不大，但因為實際剛度直接影響實測的應變和撓度，最終導致實測試驗撓度校驗系數成倍的變化。因此，在進行荷載試驗計算時，需計入橋面鋪裝參與荷載試驗理論值的計算。

2.2 單板開裂對橫向分布系數影響分析

以上分析了所有梁開裂的情況，而實際情況中每片梁的狀況不一致，會出現單片梁開裂嚴重的現象。以銅鼓巖小橋中載為例，如5#梁開裂，按照開裂剛度重新進行橫向分布系數計算，計算結果見表2及下頁圖3。

單片梁開裂后其承擔荷載的能力減弱，橫向分布系在該梁處數值變小，而兩側邊梁的橫向分布系數增大，且隨著距離開裂梁的距離增加而增大。該橫向分布規律可作為實測橫向分布系數進行開裂識別的依據。

2.3 鉸縫失效對橫向分布的影響

近年來由于道路交通量的迅猛增加，造成梁板間橫向傳遞部分失效情況越發明顯，導致出現趨于單塊板參與受力現象，影響結構的承載能力，威脅行車安全性 [5-6]。裝配式空心板梁鉸縫受力復雜，單從檢測的表觀缺陷難以直接判斷鉸縫是否存在內部損傷，因此，需分析鉸縫內部損傷失效后對橫向分布的影響。按照5#鉸縫（5#梁和6#梁間鉸縫）失效時重新計算跨中橫向分布系數，結果見表3及圖4。

由表3和圖4可知，5#鉸縫開裂后，5#梁處橫向分布系數明顯增大，且加載車輛多的一側的橫向分布系數也隨著增大。其橫向分布規律可作為荷載試驗實測橫向分布進行鉸縫損傷判斷的依據。

3 試驗實測橫向分布系數計算及損傷識別方法

橫向分布系數可通過荷載試驗實測撓度值進行計算分析得到。梁的橫向分布系數值為各個主梁實測撓度值與各個主梁實測撓度值總和的比值，再乘以車道數來進行計算[7]，見式（2）。

mi=N·wi/∑ni=1wi（2）

式中：mi——試驗荷載作用下第i片梁的橫向分布系數;

wi——試驗荷載作用在第i片梁的實測撓度值;

n——梁的數量;

N——加載橫向車輛數。

根據理論分析，在采用實測值進行計算時，實測應變及實測撓度均可以用于橫向分布系數計算，即wi可為試驗荷載作用在第i片梁的實測效應值（應變值或者撓度值）。

以銅鼓巖小橋和龍鳳二橋荷載試驗實測數據為基礎，采用上述方法計算橫向分布系數，并進行損傷識別。銅鼓巖小橋橫向分布系數計算見表4及圖5。

由表4及圖5可知，橫向分布系數在5#梁處陡然增大，4#梁橫向分布系數大于6#梁。根據前文損傷橫向分布影響分析，可以判斷該梁在5#和6#梁之間的鉸縫內部存在損傷。

以同樣方法計算了龍鳳二橋的橫向分布系數，得到橫向分布規律（見圖6）。由圖6可知，中載工況下按照實測應變和實測撓度計算的橫向分布基本一致，驗證了前文分析的正確性。從橫向分布規律可看出， 5#梁處橫向分布系數陡然增大，6#梁的橫向分布系數減小，根據前文分析結果，可以判斷5#和6#梁之間的鉸縫內部存在損傷。

結合兩座橋的現場檢測結果，損傷鉸縫處存在有明顯的開裂滲水，主梁的校驗系數最大值接近1.0，且部分測點相對殘余應變>20%，進一步判斷鉸縫基本失去傳力性能，單板受力的趨勢明顯，急需進行維修加固。

4 結語

橫向分布在橋梁檢測評定中有著十分重要的作用，準確的計算分析是承載能力評定的基礎。文章分析了橫向分布影響因素及影響程度，明確了橋梁荷載試驗時計入橋面鋪裝參與剛度計算的重要性，并得到了單梁開裂和鉸縫失效下橫向分布損傷識別模型。文中給出了基于實測應變和實測撓度進行橫向分布系數分析的方法，以實際荷載試驗項目為例進行了橫向分布系數的計算，論證了實測應變和實測撓度進行橫向分布系數計算的適用性，并結合實測橫向分布系數規律和橫向分布損傷識別模型，進行了橋梁損傷的識別，提出維修加固建議。本文為舊橋檢測評定提供參考。

[1]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]姚玲森.橋梁工程（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]雷曉紅.荷載橫向分布系數在混凝土橋梁加固檢測中的研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

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[6]王硯桐.高等級公路單板受力現象及原因分析[J].公路交通技術，2004（4）：29-32.

[7]李松輝，李 沖，閆 明.在役橋梁實測荷載橫向分布系數研究與應用[J].山東科技大學學報（自然科學版），2009，28（5）：27-29，34.