框架結構橋面板受力性能分析

陳偉健 李波 韓福洲

摘要：桁架及系桿拱等框架結構應用廣泛，其橋面板多采用預制板結構。文章以某省道系桿拱橋為例，從橋面板梁橫向分布系數影響因素及找平層協同作用兩方面，針對這種短小跨徑構件受力性能開展了計算分析。結果表明：（1）找平層協同作用對板梁橫向分布系數影響較小;（2）考慮找平層的協同作用可以顯著提高橋面板工作剛度，改善橋面板承載狀態;（3）橋面板幾何參數對找平層協同作用效果的影響較小。

關鍵詞：橋梁結構;橫向分布系數;找平層;協同作用

文獻標識碼：U443.31-A-23-075-3

0 引言

在役橋梁在長期氣候環境等因素影響下結構材料性能會逐步退化，且在役橋梁面臨的交通荷載環境日益嚴峻。交通運輸部發布的統計數據[1]表明，2010—2019年我國公路貨運周轉總量增長約37%，單位里程公路貨運周轉量增長約10%。文獻資料表明[2]，交通荷載是在役橋梁產生重大責任事故的主要誘因之一。中小跨結構由于其受力響應特征對重車荷載更為敏感。框架結構橋面板梁作為直接承受車輪荷載的受力構件，梳理其受力性能特征是加強服役安全評估的重要舉措。

1 既有分析研究

桁架橋、系桿拱等框架結構由于受力特征明晰、設計施工相對簡單而被廣泛采用。早期建成的框架體系橋梁橋面板多采用多個預制構件橫向并列布置。

計算常規橋梁荷載橫向分布的方法主要有杠桿原理法、偏心壓力法、鉸接板法、剛接板法以及比擬正交異性板法等[3]。相關研究[4-5]比較了各種方法對應計算結果之間的差異，闡述了誤差產生的原因，探討了各計算方法的準確性和適用性，并給出了合理的建議。2015年石雄偉等[6]以114座預應力混凝土連續箱梁及空心板橋作樣本，對橋面鋪裝對多主梁間橫向分布計算影響進行了系統研究，計算了在不考慮橋面鋪裝、考慮一半鋪裝和考慮全部鋪裝下橋梁結構橫向分布系數的變化。研究結果表明橋面鋪裝對中小跨徑梁橋的荷載橫向分布影響基本可以忽略，對主梁試驗校驗系數影響較大。

針對在役橋梁結構損傷對結構受力性能變化的影響，行業學者也陸續開展了模擬分析及實橋對比分析研究。2012年潘桂梅等[7]以一座在役簡支小箱梁橋為背景，通過對現框架結構橋面板受力性能分析/陳偉健，李 波，韓福洲

場記載試驗獲得了該橋橫向分布系數試驗值，分析結果表明舊橋橫向分布系數實測值與理論值結果相差比較大。2014年聶瑞鋒等[8]通過建立不同參數組合的橋梁結構有限元模型，分析了不同跨徑、不同鉸縫損傷工況負彎矩橫向傳遞的影響。2018年鄔曉光等[9]考慮了在役裝配式T梁橋梁體裂縫引起的剛度分配，在傳統剛性橫梁法的基礎上考慮了剛度損傷部分引起的附加撓度，提出了修正剛性橫梁算法并進行了有限元仿真及實橋荷載試驗驗證。2019年曠斌等[10]以5片空心板組成的裝配式梁橋為研究對象，基于鉸接板梁法，考慮鉸縫損傷，提出修正鉸接板梁法，并進行了橋梁荷載試驗驗證。

相關文獻針對主梁橫向分布系數計算理論、橋面鋪裝影響、結構運營損傷模擬分析等方面就多主梁受力性能分析開展了較為詳盡的研究，但既有研究針對的是跨度相對較大的空心板、T梁、組合梁等結構，對應研究成果對于跨徑約為5 m等更為短小的框架結構橋面板適用性需要進一步討論。

2 工程計算

某省道橋梁建成于2001年，設計荷載為汽車-20級、掛車-100。結構主橋采用71 m跨下承式鋼管混凝土系桿拱，引橋為20 m預應力混凝土T梁。單幅結構主橋采用2片鋼管混凝土拱肋，系梁采用預應力混凝土結構。主橋單幅橫橋向布置兩排吊桿，每排共13根，吊桿間距為5 m。預制橋面板簡支搭接于吊桿下錨頭錨固位置橫梁上，單塊橋面板構造長度為4.5 m，橫向寬度為1.38 m。橋面找平層沿橋跨通長澆筑并布置了面層鋼筋網，最終形成橋面板簡支、橋面找平層連續的結構形式。找平層在橫梁前后1 m范圍內布置局部加強鋼筋。見圖1。

橋梁所在省道重載交通特征明顯，為分析橋面預制板梁實際承載能力，以便于對交通軸載進行有效管控，避免重車過橋導致橋面預制板垮塌事故，本文擬對橋面板受力性能特征進行分析。

本文選擇重車車道下橋面板，采用Midas軟件8節點實體單元進行有限元仿真分析，建模范圍包括目標橋面板（4#板）及兩側橋面板、找平層。橋面瀝青混凝土鋪裝僅考慮其對車輪荷載擴散效應。橋面板梁采用簡支體系、找平層在橫梁上方截面區域加載對稱約束。結構計算模型如圖2所示。

按照橋面板橫向分布系數分析及找平層協同作用分析，分別設計計算模型組，同時考慮結構幾何特性參數影響。對應加載工況的含義如下：

（1）考慮找平層是否協同受力，設計對比組“考慮找平層”“不考慮找平層”，其中“不考慮找平層”即不建立找平層模型單元，僅考慮其對車輪荷載擴散的效應。

（2）考慮鉸縫混凝土是否完好，設計對比組“鉸縫混凝土完好”“鉸縫混凝土失效”。在考慮找平層協同作用情況下，鉸縫區域對應找平層混凝土，如果考慮失效且橋面預制板鉸縫混凝土同時失效，則增加設置“鉸縫通長裂縫”對比模型。

（3）考慮橋面板梁厚度對計算結果的影響，增加設置“橋面板增厚”對比模型，對應橋面板厚度由20 cm增加至30 cm。

（4）考慮橋面板跨度對計算結果的影響，增加設置“橋面板加長”對比模型，對應橋面板構造長度由4.5 m增加至7 m。

3 結果分析

以在車輪最不利加載作用下橋面板跨中位置豎向位移作為受力性能分析目標參量進行對比分析。

3.1 荷載橫向分布系數

荷載橫向分布系數對比計算結果表明：（1）當鉸縫位置混凝土工作性能完好的條件下，考慮找平層與橋面板協同作用對橋面板橫向分布系數計算影響較小;（2）當找平層混凝土完好但是鉸縫位置混凝土失效的條件下，考慮找平層與橋面板協同作用對橋面板橫向分布系數計算更為有利，計算結果與橋面板鉸縫位置混凝土工作性能完好時的數值偏差較小。

3.2 找平層協同作用

文獻資料[11-12]針對新老混凝土結合面傳力性能進行了系統試驗設計。加載破壞試驗數據表明：（1）不在交界面植入鋼筋，新老混凝土結合面剪切應力<3 MPa時，新老混凝土協同受力特征完好，交界面未植入鋼筋的素混凝土對應試驗數據如表1所示;（2）在交界面植入鋼筋后新老混凝土結合面抗剪切參數會顯著增加。

在不考慮鉸縫附近門式鋼筋對新老混凝土結合面抗剪增強的作用，鉸縫位置混凝土及找平層鉸縫區域混凝土全部失效時，目標橋面板處于最為不利的單板受力狀態，在此工況下提取找平層后澆筑混凝土與橋面板混凝土交界面應力約為0.9 MPa，對應數值遠小于文獻中加載破壞試驗對應的強度限值。因此本文認為在計算橋面板承載能力時找平層混凝土與橋面板之間不會發生剝離，考慮找平層協同作用是合理的。見圖4、圖5。

本文找平層協同作用分析對比計算結果（見后頁圖6）表明：（1）考慮找平層的協同作用可以顯著提高橋面板工作剛度，改善橋面板承載狀態;（2）橋面板梁高及跨度等幾何參數對找平層協同作用效果的影響較小。

4 結語

（1）計算結果表明，當橋面板梁鉸縫區域混凝土工作性能完好時，找平層協同作用對橋面板梁間荷載橫向分布系數影響較小;當橋面板梁鉸縫區域混凝土失效而找平層混凝土工作性能完好時，橋面板梁間仍能保持相當的橫向協同受力性能。

（2）依據新老混凝土界面破壞試驗的文獻資料數值成果，可以根據應力分析結果考慮找平層混凝土與橋面板的協同承載作用，以確保橋梁構件實際承載能力計算更接近實際。

（3）在框架結構體系設計施工過程中，建議橋面板盡量采用整體現澆結構構造，以盡量避免由于鉸縫混凝土失效導致橋面板受力性能與設計狀態存在較大偏離的現象。

（4）當框架結構橋面板采用預制板梁時，建議在施工期對橋面板上面層進行拉毛、輕微鑿毛等能顯著增加表面粗糙程度的施工處理措施，以利于找平層能更好地參與橋面板協同受力，提高結構實際安全風險抵抗能力。

參考文獻

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[10]曠 斌，李院軍.考慮鉸縫損傷的裝配式空心板梁橋荷載橫向分布系數計算方法[J].世界橋梁，2019，47（5）：74-78.

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[12]劉傳奇.新舊混凝土界面粘貼機理試驗研究[D].西安：長安大學，2014.

收稿日期：2021-03-22

基金項目：

江蘇省交通運輸科技項目“橋梁建設養護標準化和智能化關鍵技術研究”（編號：2019Y69）

作者簡介：

陳偉健（1987—），工程師，研究方向：在役橋梁安全性能評估與結構安全監測研究。