空心板梁橋橫向剛度對主梁受力性能影響分析

劉永超

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

空心板梁橋，因其具有結構形式簡單、便于施工等優點，在中小跨徑橋梁中得到了廣泛的應用。但是，在實際管養過程中，會發現這種結構形式具有最明顯的一個缺陷就是橫向聯系容易破壞，削弱了上部結構的整體性。空心板梁橋是通過橫向連接構造組合在一起的，最常用的連接方式就是企口式混凝土鉸連接。設計時假設預制板之間只傳遞剪力而不傳遞彎矩[1]。實際運營過程中，重載車較多，交通量增長較快，超出設計水平，導致鉸縫破壞。當鉸縫破壞后，橫向聯系削弱，導致某些板橫向分布系數增大，抗彎或抗剪承載能力不足。以某簡支空心板梁橋為例，結合外觀病害情況，建立有限元模型對鉸縫破損后主梁受力性能進行分析，試圖為類似橋梁現場檢測工作提供定性判斷的參考，同時也為承載能力評定提供分析方法。

1 有限元模型的建立

某橋跨徑布置為7×16.0m，橋梁全長為116.2m，交角為90°。橋面凈寬為9.0m，雙向兩車道。左、右側各設置1.0m寬的人行道，支座采用板式橡膠支座。上部結構為鋼筋混凝土簡支無翼緣空心板，每孔10片板。設計荷載：汽車-20級。該橋第2～5孔橋面存在縱向裂縫或縱向裂縫帶，主要分布在第2、4、5、6、8號鉸縫對應位置。

利用有限元軟件建立上部結構分析模型。只分析汽車荷載的作用效應，車道加載位置分為偏載和對稱布載兩種情況，車道間距依據現行設計規范進行設置[2]。

圖1 車道偏載示意圖(單位：mm)

鉸縫采用虛擬橫梁來模擬，其截面特性按頂、底板厚度組成的二字型截面計算[3]。虛擬橫梁在主梁之間即鉸縫處釋放梁端約束，使其只傳遞剪力而不傳遞彎矩，以此來模擬空心板受力狀態。虛擬橫梁的間距大致等于主梁間距。支座采用一般支撐來模擬，支座節點與主梁節點采用彈性連接里的剛性連接進行模擬。由于只對主梁進行分析，故未建立下部結構模型。建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 上部結構有限元模型

2 鉸縫破損對主梁受力性能影響分析

2.1 單一鉸縫破壞程度對主梁受力性能影響分析

結合該橋病害情況及車道布置情況，選取4號鉸縫進行分析。分別假設其完好、破壞1/3、破壞2/3及全部破壞，分析鉸縫破壞不同程度對主梁受力性能的影響，其余鉸縫完好。鉸縫破壞部位的虛擬橫梁，釋放豎向剪力約束，即該部位鉸縫完全失去聯系。分析的結果數據如表1、表2所示。

表1 偏載各主梁跨中彎矩、撓度結果表

表2 對稱布載各主梁跨中彎矩、撓度結果表

第4號鉸縫破壞不同程度下各主梁跨中彎矩分布圖如圖4、圖5所示。

圖4 偏載各主梁跨中彎矩圖

圖5 對稱布載各主梁跨中彎矩圖

從圖4可以看出，在偏載情況下，隨著4號鉸縫破壞長度的增加，右側主梁跨中彎矩逐漸增大，5號梁增大最明顯，而左側主梁跨中彎矩逐漸減小，4號梁減小最明顯。當鉸縫由完好發展到破壞1/3過程中，彎矩變化幅度最大；當鉸縫破壞1/3之后，彎矩變化不是很明顯。所以可以看出，當鉸縫僅破壞一部分時相鄰主梁的內力就會有很大增加，這就需要現場檢測過程中，對鉸縫滲漏提高重視，早發現，早處置。跨中撓度有類似的變化規律，不再闡述。

從圖5可以看出，在對稱布載情況下，隨著4號鉸縫破壞長度的增加，右側主梁跨中彎矩逐漸增大，5號梁增大最明顯，而左側主梁跨中彎矩逐漸減小，4號梁減小最明顯。對比兩種布載情況，對稱布載時鉸縫破壞對主梁的影響范圍更大。偏載情況下，影響較大的是鉸縫相鄰主梁，而對稱布載時，幾乎所有板都會受到較大影響。實際運行情況下，雙向兩車道這兩種布載形式均能發生。所以，要特別注意破壞鉸縫相鄰主梁，同時也應該兼顧其他主梁，不要遺漏。跨中撓度有類似的變化規律，不再闡述。

2.2 多鉸縫破壞對主梁受力性能影響分析

根據平時養護經驗可知，空心板鉸縫破壞多發生在車輪軌跡附近。為此，有針對性地進行分析，不僅能夠減少計算工作量，又能把握住重點，與實際情況相符。

由于結構對稱，只分析第2、4、5號鉸縫滲漏時，對主梁的受力性能影響。共分5個工況，具體含義如下：

工況1：所有鉸縫完好。

工況2：2號鉸縫滲漏。

工況3：4號鉸縫滲漏。

工況4：5號鉸縫滲漏。

工況5：2、4、5號鉸縫均滲漏。

其中，工況1、工況3分析結果已經在表1、表2中給出，在此不再給出，僅給出工況2、工況4和工況5分析數據。具體分析的結果數據如表3、表4所示。

表3 偏載各工況主梁跨中彎矩、撓度結果表

表4 對稱布載各工況主梁跨中彎矩、撓度結果表

各工況各主梁跨中彎矩分布圖如圖6、圖7所示。

圖6 偏載各工況主梁跨中彎矩圖

圖7 對稱布載各工況主梁跨中彎矩圖

從圖6可以看出，在偏載情況下，2號鉸縫滲漏、4號鉸縫滲漏、5號鉸縫滲漏、2、4、5號鉸縫均滲漏，依次對主梁受力性能影響越來越大。即鉸縫破壞位置越靠中間，主梁跨中彎矩變化幅度越大，影響的主梁范圍也越大。而當多鉸縫破壞時，對主梁的受力影響是顯著的，比如5號梁，單一鉸縫破壞時彎矩增長23.8%，而多鉸縫破壞時，彎矩增長為105.5%，嚴重威脅結構安全。跨中撓度有類似的變化規律，不再闡述。

從圖7可以看出，在對稱布載情況下，5號鉸縫滲漏對主梁受力性能影響最小，4號鉸縫滲漏時，5號主梁受力最大，跨中彎矩增長31.7%，2號鉸縫滲漏時，3號主梁受力最大，跨中彎矩增長40%。可見，鉸縫破壞位置由中間向兩邊，主梁跨中彎矩變化幅度越來越大。而當多鉸縫破壞時，對主梁的受力影響是顯著的，比如5號梁跨中彎矩增長105.5%，嚴重威脅結構安全。跨中撓度有類似的變化規律，不再闡述。

3 結論

(1)當鉸縫由完好發展到破壞1/3過程中，彎矩變化幅度最大；當鉸縫破壞1/3之后，彎矩變化不是很明顯。這就需要現場檢測過程中，對鉸縫滲漏提高重視，早發現，早處置。

(2)單一鉸縫破壞，鉸縫相鄰主梁跨中彎矩最大增加40%。

(3)在偏載情況下，鉸縫破壞位置越靠中間，主梁跨中彎矩變化幅度越大，影響的主梁范圍也越大。在對稱布載情況下，鉸縫破壞位置由中間向兩邊，主梁跨中彎矩變化幅度越來越大。

(4)多鉸縫破壞時，對主梁的受力影響最顯著，主梁彎矩增長最大為105.5%，嚴重威脅結構安全。