鉸接板梁橋鉸縫損壞對荷載橫向分布影響分析

許 諾 牟廷敏 康 玲

（1.四川交通職業技術學院，四川成都 611130； 2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

鉸接板梁橋因其構造簡單，施工方便，用材經濟，是中小跨徑橋梁經常選用的橋型之一。調研發現，早期建成的鉸接板梁橋因原來設計規范標準較低，加上日益增長的交通量和載重量，很多舊鉸接板梁橋鉸縫出現了混凝土松散剝落、變位錯臺、開裂滲水等橋梁病害，病害嚴重的可能出現單板受力的現象[1]。此外，鉸接板梁橋跨徑較小，恒載輕，活載產生的內力相對總內力的占比大，出現單板受力后，跨中彎矩增大，可能超過板的抗彎承載能力，將導致撓度增大、板底開裂、甚至斷板等安全事故。為此，分析鉸縫損壞對橋梁荷載橫向分布的影響對鉸接板梁橋的安全應用十分重要，也是鉸接板梁橋的加固維修的重要依據。

1 鉸縫的結構形式

裝配式板橋橫向通過鉸接縫連接形成整體受力結構。鉸縫的構造一般有三種形式，即淺鉸縫、中鉸縫、深鉸縫。通過在鉸縫內設連接鋼筋并澆筑混凝土將梁板連接起來形成整體受力結構[2]，如圖1所示。

圖1 鉸縫結構形式

2 鉸縫損壞類型

造成鉸縫病害的原因主要包括設計、施工、運營三方面的因素[3]，其具體損壞類型如下：

（1）鉸接板設計時常采用鉸接板理論，該理論假定預制板間鉸縫為理想鉸，鉸縫只傳遞剪力，與實際受力狀態存在差異。實際情況中，鉸縫不僅承受剪力還會承受彎矩以及偏心荷載作用下的扭矩，而設計時忽略了彎矩和扭矩的內力效應，因此形成了設計上的缺陷。

（2）由于鉸縫尺寸淺而窄，鉸縫混凝土澆筑不密實，強度比較低，澆筑混凝土前，梁板鉸縫接觸面混凝土未進行鑿毛和灑水濕潤處理，接觸面粘結性能差。鋪設橋面過程中，測量人員未控制好標高，局部鋪裝較薄，在汽車荷載作用下出現局部坑槽，造成橋面鋪裝破壞。

（3）超重車輛長期在特定的行車道上行駛，大型貨車一般靠右側車道行駛，這些位置的梁板反復承受重交通荷載，主梁交界處產生縱向裂縫，鉸縫發生疲勞破壞。鉸縫破壞后，荷載作用在某一塊板上時，相鄰板間的變形不協調，在鉸縫位置處形成錯臺[3]。

3 鉸縫損壞對荷載橫向分布的影響

3.1 工程實例

某8m裝配式簡支實心板橋，橫向由12片板組成，單片梁板寬1m，梁高38cm，橋面凈寬度11m，設計2車道，公路Ⅰ級荷載，橫截面布置如圖2所示，單車道汽車偏載和中載布置如圖3、圖4所示。

圖2 實心板橫截面布置圖（單位：cm）

圖3 汽車偏載布置示意圖（單位：cm）

圖4 汽車中載布置示意圖（單位：cm）

3.2 鉸接板梁法

采用現澆混凝土縱向企口縫連接的裝配式板橋，各片板間橫向具有一定的連接構造，但其橫向連接剛度又比較薄弱[4-5]。在車輪荷載作用下，其受力狀態與數根并列橫向相互鉸接的板梁比較接近，通常采用鉸接板梁法計算這類橋梁的荷載橫向分布系數。

3.3 有限元梁格法

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立空間有限元梁格模型，如圖5所示。該模型采用縱向梁單元模擬主梁，橫向梁單元模擬主梁間的橫向連接，橫梁的厚薄反映了主梁間的橫向連接性能[6]。有限元梁格法可直接得到車輛荷載作用下，各片梁的內力分布情況及撓度值，由各板撓度值占所有板撓度值之和的百分比，反算得到各板荷載橫向分布系數。

圖5 MIDAS/Civil有限元模型

3.4 荷載橫向分布分析

分別采用鉸接板梁法及梁格法計算鉸縫完好狀態下的荷載橫向分布系數，鉸縫完好時有限元梁格模型中橫梁的厚度取鉸接板厚為38cm，結果如表1和圖6所示。

表1 荷載橫向分布系數計算結果（鉸縫完好）

圖6 橫向分布系數對比圖（鉸縫完好）

由表1和圖6可以看出，鉸縫完好時采用梁格法與采用鉸接板法計算得到的荷載橫向分布規律一致，鉸縫完好時，荷載作用于某橋面板時，相鄰橋面板會一起承擔荷載。

鉸縫是否完好是橋梁上部結構橫向傳力的關鍵，當鉸縫破壞后，荷載作用側板梁承擔的荷載增大，遠離荷載作用側板梁所承擔的荷載將減小。通過改變有限元梁格模型中橫梁的厚度來模擬鉸縫不同的損傷狀態，即鉸縫完好、鉸縫破損25%、鉸縫破損50%、鉸縫破損75%、鉸縫完全破損5種狀態，分析各板橫向分布系數的變化。結果如表2、表3、圖7、圖8所示。

表2 偏載作用下不同鉸縫破損度的荷載橫向分布系數

表3 正載作用下不同鉸縫破損度的荷載橫向分布系數

圖7 橫向分布系數對比圖（偏載）

圖8 橫向分布系數對比圖（正載）

由上述圖表可以看出，隨著鉸縫破損程度的加深，鉸縫傳遞剪力的能力逐漸減弱，荷載作用位置處的橫向分布系數不斷增大，遠離荷載作用位置處的橫向分布系數不斷減小。當鉸縫完全破損，荷載橫向分布系數為0.5，荷載全部由車輪作用位置處的橋面板承擔。

4 結束語

本文通過空間有限元梁格模型對不同鉸縫破損程度的鉸接板梁荷載橫向分布系數進行對比分析，結果表明：

（1）當鉸縫完好時，可采用梁格法與用鉸接板法計算鉸接板橋的荷載橫向分布系數。

（2）鉸縫破損程度影響荷載橫向傳遞能力，隨著破損程度的加深，橋梁的整體性變差，荷載作用位置處梁板的荷載橫向分布系數增大。鉸縫完全破壞時，車輛荷載全部由車輪作用位置的梁板承擔，該片梁處于極其不利的受力狀態，甚至不能滿足其承載能力要求，帶來安全隱患。