空心板梁桥铰缝损坏对横向分布的影响

张立东 孙全胜

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

·桥梁·隧道·

空心板梁桥铰缝损坏对横向分布的影响

张立东 孙全胜

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

通过对空心板梁上部结构病害调查研究发现，铰缝破坏现象十分严重，由于铰缝刚度发生变化造成了桥梁整体受力变化，甚至可能出现单板受力特征，借助Midas civil有限元分析软件建立了有限元模型，分析了铰缝损坏对桥梁横向分布的影响，可为同类桥梁铰缝维修与加固提供理论依据。

空心板梁，铰缝，横向分布，单板受力，有限元分析

0 引言

现如今中国的桥梁事业发展迅速，装配式空心板梁由于构造简单、施工方便、造价比较低等诸多优点从而得到了广泛的应用。对已建成的空心板梁桥调查研究发现，铰缝出现了混凝土破碎脱落、松动变位、开裂渗水等现象，有的更为严重，出现了单板受力现象[1]。单板受力是指桥梁结构横向连接构造完全失效，造成了某一块板独自承受荷载，致使梁内钢筋以及混凝土提前进入疲劳期。另一方面单板受力的空心板梁在荷载长期作用下产生了塑性变形，与相邻的空心板梁形成了永久性错台，很大程度上降低了桥梁的承载能力，使上部结构处于非常不利的受力状态，给行车留下了极大的安全隐患[2]。因此，研究铰缝损坏对桥梁横向分布的影响，具有广泛的现实意义和价值[3]。

1 铰缝的构造形式及病害成因分析

1.1 构造形式

钢筋混凝土或预应力混凝土空心板多采用装配式施工，为了使空心板梁形成整体结构，共同承担车辆荷载的作用，在板梁间必须设置横向连接构造，即铰接缝。对已有的空心板梁桥来说，铰缝一般分为三种形式，浅铰缝、中铰缝以及深铰缝，如图1所示。为了加强空心板梁的整体性，铰缝内增设钢筋网，再用细骨料混凝土填充使之成为一个整体。经过试验分析，相比浅铰缝和中铰缝，深铰缝尺寸较大，钢筋网埋置深度较深，从而构造连接性更强，铰缝的刚度也就更大，在桥梁的服役过程中深铰缝的病害也最少。

1.2 病害成因分析

经调查研究发现，空心板铰缝破损是多方面的，其中主要是由结构自身缺陷、施工、使用阶段等因素引起的[4]。

1)结构自身缺陷。对于装配式空心板梁铰缝破损是非常普遍的现象。空心板梁建筑高度低的优点同时也成为了自身的薄弱环节，相比其他形式的梁，其整体刚度和强度要小很多。为了增强上部结构的整体受力性能，采用后浇筑的混凝土铰缝来实现桥梁的横向联系。由于结构自身存在缺陷，在荷载长期的作用下很容易发生损坏，导致板间横向联系失效。

2)施工因素。在施工过程中由于外界因素的影响必然会导致工程质量上的不足。铰缝采用的是后浇筑混凝土，由于梁体侧面混凝土凿毛不彻底，湿润程度不够，造成新旧混凝土之间粘结力以及抗剪能力不足，致使铰缝发生损坏。另外由于养护时间不足，铰缝混凝土尚未达到设计强度，在车辆荷载长期反复的作用下内部容易发生损伤。

3)使用阶段。根据我国现如今的实际情况，车辆超载往往伴随着铰缝的损坏。近年来我国的经济不断发展，交通系统不断完善，重轴车不断的出现，超载现象比较严重。由于空心板梁铰缝的刚度小，是全桥整体受力的薄弱部位，在荷载长期反复作用下必然引起铰缝的疲劳损坏。

2 铰缝损坏对横向分布影响的分析

借助Midas civil有限元分析软件对空心板梁桥建立有限元模型，通过施加边界条件及释放梁端约束，模拟空心板梁的实际工作状态[5]，通过观察空心板的横向分布系数以及挠度的变化，分析铰缝的损坏对全桥整体受力的影响。

2.1 有限元模型的建立

采用梁格法对某16 m空心板梁桥建立有限元模型，本次模型共有343个节点，466个单元，如图2所示。

2.2 铰接板理论

对于用现浇混凝土纵向企口缝连接的装配式板桥，块件间横向具有一定的连接构造，但其连接刚性又很薄弱。当板块上有荷载作用时，除了本身引起纵向挠曲外，其他板块也会受力而发生相应的挠曲，显然铰接板是通过铰缝在各个板间传递剪力而起到传递荷载的作用，从而达到整体受力的作用。铰接板计算图式如图3所示。

对于具有(n-1)个未知的铰接力的超静定问题，总有(n-1)条铰接缝，将每一铰缝切开形成基本体系，利用两相邻板块在铰接缝处的竖向相对位移为零的变形协调条件下，可列出四个正则方程如下[6]：

2.3 横向分布分析

铰缝是否完好对上部结构整体受力至关重要，一旦铰缝发生破坏，空心板梁的横向分布系数将重新分配[7]，那么如果铰缝发生不同程度的破损，每片空心板梁的横向分布系数以及挠度又会有怎样的影响。建立Midas civil有限元模型，对空心板梁进行对称加载，如图4所示。通过释放梁端约束来模拟铰缝6种不同的破损状态，即完好、破损20%、破损40%、破损60%、破损80%以及完全破损状态，分析1号、2号、3号、4号、5号板梁的挠度以及横向分布系数的变化。

1)模拟全桥铰缝完好、破损20%、破损40%、破损60%、破损80%以及完全破损至单板受力状态。挠度、横向分布系数值如表1，表2所示，破损率—横向分布系数曲线图如图5所示，完全破损致使板受力状态模型图如图6所示。

表1 破损率—挠度关系表(一)

表2 破损率—横向分布系数关系表(一)

由图5，图6和表1，表2可以看出，铰缝在不同的破损状态下横向分布系数的变化。在完全破损之前4号板和5号板的横向分布系数不断增大，其余板变化趋势与其相反。在完全破损状态下5号板的横向分布系数达到最大值1，形成单板受力，其余板的横向分布系数为0。造成这种现象的原因是由于铰缝发生破损，剪力在各板间传递效果将减弱，这就使直接承受车辆荷载的板和其相邻的板内力不断增大，其余的板的内力由于剪力传递效果减弱而减小。

2)模拟任意两片板(如边板)铰缝完好、破损20%、破损40%、破损60%、破损80%以及完全破损至单板受力状态。挠度、横向分布系数值如表3，表4所示，破损率—横向分布系数曲线图如图7所示，边板铰缝完全破损状态模型图如图8所示。

表3 破损率—挠度关系表(二)

表4 破损率—横向分布系数关系表(二)

由图7，图8和表3，表4可以看出，边板铰缝随着破损率不断增大直至完全破损退出工作，其横向分布系数不断减小并且最终达到最小值0，其他板横向分布系数不断增大。产生这种结果的原因是铰缝破损致使剪力传递效果减弱，破损铰缝两侧的板梁，车辆荷载作用的一侧承担了大部分的荷载，无荷载直接作用的一侧将承担少部分的荷载，当完全破损时，将不再承担车辆荷载。

3 结语

本次通过对空心板梁桥的有限元模拟分析可得出以下结论：

1)铰缝破损使横向分布系数重新分配，严重影响了桥梁的整体受力。通过模型的分析，确定铰缝不同的破损状态时各片板的横向分布系数，从而确定各片梁的内力，为行车提供安全保证。

2)当铰缝完全损坏时造成了单板受力特征，使某一片板单独承受荷载。空心板梁桥由于单板受力很大程度上降低了桥梁的承载能力，使上部结构处于非常不利的受力状态，给行车留下了极大的安全隐患。

3)通过图表可以看出横向分布系数的变化趋势，为研究建立健全的安全评估系统提供理论依据，从而提出有关防护措施来解决铰缝破损的问题。

[1] 赵素洁.行车道板单板受力状态分析[J].中外公路，2003(3)：5-6.

[2] JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3] 乔学礼.空心板铰缝破坏机理及防治措施研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2008.

[4] 王成明，刘其伟.在役空心板梁桥铰缝破坏成因分析及维修处治[J].现代交通技术，2011(5)：21-22.

[5] 葛俊颖.桥梁工程软件Midas civil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[6] 范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7] 成 琛，沈成武，许 亮.用铰接板(梁)法计算有损伤桥梁的横向分布系数[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2004(2)：91.

Hollow plate girder bridge damaged hinge joints on the transverse distribution

Zhang Lidong Sun Quansheng

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Through the hollow beam superstructure disease research found that very serious damage to the hinge joints. Due to changes in the stiffness of the hinge joints caused a bridge overall force changes that may even force the board features. With the help of Midas civil finite element analysis software to establish the finite element model to analyze the impact of the bridge damaged hinge joints transverse distribution can provide a theoretical basis for the kind of bridge maintenance and reinforcement of hinge joints.

hollow plate girder, hinge joint, transverse distribution, single plank bearing, finite element analysis

2015-06-09

张立东(1990- )，男，在读硕士； 孙全胜(1968- )，男，博士后，博士生导师，教授

1009-6825(2015)23-0144-03

U445.7

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