铺装层厚度对空心板桥受力性能的影响分析

■李志洪（中国市政工程西北设计研究院有限公司福州分公司，福州350000）



铺装层厚度对空心板桥受力性能的影响分析

■李志洪
（中国市政工程西北设计研究院有限公司福州分公司，福州350000）

以装配式空心板桥为研究对象，利用通用有限元软件ABAQUS建立有限元模型，分析了桥面铺装层厚度对空心板桥铰缝构造的开裂荷载、裂缝分布等破坏模式、空心板开裂荷载和跨中挠度与应力的影响。研究表明：铺装层厚度从0cm变至10cm时对空心板跨中挠度和梁底应力影响较大，而从10cm变至30cm时铺装层对跨中挠度和梁底应力的影响变小。当铺装层厚度从0cm变化到30cm时，对铰缝结合面开裂荷载影响较小，铰缝形成通缝的荷载可提高59%，空心板开裂荷载可增大约2.5倍，结合面竖向通缝的分布长度减小42.9%；结合面底部的裂缝分布长度减小40%。

空心板铰缝桥面整体化铺装层有限元分析

1引言

装配式空心板桥在我国中小跨径桥梁中得到广泛应用。装配式空心板桥一般是通过现浇的企口构造将各个独立预制的空心板横向连接起来，使得各片板能够共同受力，防止单片空心板受力过大。在20世纪70年代，我国的公路装配式空心板桥普遍采用小铰缝构造，有的甚至不设置铰缝钢筋［1］［2］。在实际使用中，这种类型的铰缝构造寿命短、破坏严重。从90年代起，我国逐步摒弃浅铰缝构造和焊接钢板构造，转而使用深铰缝构造。通过对在役空心板梁桥现状的调查研究表明，装配式空心板桥在不断增大的交通量和重载交通的作用下，铰缝易产生脱落、渗水，甚至出现铰缝纵向开裂，企口混凝土破碎，使得连接构造无法实现传递荷载的能力，造成了形成“单板受力”现象［3］，对桥梁寿命和行车安全造成巨大威胁。因此，对单板受力桥梁进行加固改造是十分必要的。

目前，已有众多学者对“单板受力”的现象的成因进行了大量的研究工作，提出了多种加固改造方法，应用最广泛的是桥面整体化铺装层加固改造。桥面整体化铺装层加固改造是通过增加桥面铺装混凝土厚度，加强铺装层内横向钢筋，增加铰缝钢筋，提高铰缝混凝土的施工质量来提高梁体承载力。该方法加大了主梁的截面高度、提高了桥梁的整体抗弯刚度，降低了荷载作用下的挠度，改善行车条件，同时整体化铺装层在横桥向上能提高传递荷载的能力，进而提高桥梁横向分布荷载的能力，并具有技术成熟、施工难度小、经济有效等优点［4-5］。

虽然国内外众多学者对采用整体化铺装层加固的装配式空心板桥进行了研究［6-9］，但桥面整体化铺装层对空心板桥的空心板受力性能、铰缝破坏模式、整体化铺装层自身的受力性能的影响，尚无明确的结论。因此，本文以整体化铺装层加固前后的装配式空心板梁桥为研究对象，采用有限元方法分析不同厚度的整体化铺装层对不同跨径空心板受力特性、铰缝破坏模式的影响，以期为旧桥加固改造提供基础数据与借鉴。

2有限元模型

研究对象由3片中板组成，总宽3.74m。各空心板沿纵桥向为等截面，各中板宽1.24m，板高0.4m。空心板桥具体构造尺寸如图1所示。深铰缝钢筋分别为纵桥向间距15cm的剪刀钢筋N2和纵向受力钢筋N3。采用整体化铺装层加固前的空心板桥桥面铺装层厚8cm，配一层Φ8钢筋，钢筋间距为15×15cm。对于整体化铺装层加固后的空心板桥，桥面铺装采用直径Φ16的钢筋，并配置上下两层钢筋网，间距10cm×10cm。空心板桥及铰缝混凝土强度等级为C30，普通钢筋采用HRB335。

利用ABAQUS通用程序建立有限元模型，采用C3D8单元（八节点三维线性六面体单元）模拟空心板、铰缝和桥面铺装层，如图2所示。由于在空心板和铰缝处需要针对接触进行模拟，故在空心板靠近铰缝处的区域将网格细化。其中，空心板单元边长在1cm～3cm之间，铰缝单元边长在0.5cm～3cm之间，铺装层单元边长在3cm～12cm之间。采用T3D2单元（三维三节点桁架单元）建立空心板底部受力主筋和空心板与铰缝结合面门式钢筋。采用Interaction中的Embedded功能将钢筋嵌入到混凝土实体单元中。

采用《混凝土结构设计规范》（GB5002-2002）［10］中塑性损伤模型模拟混凝土的塑性行为。钢筋应力-应变关系采用理想弹塑性模型，弹性模量Es=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，屈服应力为335MPa。

限制模型两侧布设板式橡胶支座处空心板的竖向、横桥向和纵桥向位移，其中竖向抗压刚度、横桥向和纵桥向抗剪刚度根据文献［11］设置。根据桥梁跨径及最不利原则，与文献［1-3］相同，选取《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）［12］中规定的标准车辆的两后轴进行加载，即四点加载，两后轴纵桥向间距1.4m，横桥向轮距1.8m，纵桥向合力加载点在跨中，横桥向合力加载点在板中心线。

不考虑空心板顶面和铰缝顶面与桥面铺装层底面间的相对滑移，模型中采用区域绑定约束Tie连接，使上述各接触面的平动和转动相互耦合。空心板与铰缝的结合面属于新、老混凝土结合面，如图3所示，新老混凝土粘结强度可以分为法向轴拉粘结强度ft和两个沿着结合面切向方向的粘结剪切强度τx、τy。法向轴拉粘结强度采用文献［13-14］的计算方法，即：选取轴拉强度标准值较小的空心板侧混凝土（C30）的轴拉强度标准值的70%。关于粘结剪切强度，采用叶见曙等［15］提出的普通混凝土铰缝抗剪强度计算公式；新老混凝土结合面的粘结滑移关系是进行有限元模拟的重要依据，主要包括粘结滑移曲线的类型、结合面上两个方向的剪切强度τx和τy、结合面法向轴拉强度ft、结合面粘结滑移刚度K和最终的滑移值与峰值应力对应滑移值Su/So。根据文献［20］可以采用双折线模型来模拟空心板与铰缝结合面的粘结滑移关系，并通过统计得到关于空心板与铰缝结合面粘结滑移曲线相关参数的取值范围：结合面法向轴拉粘结滑移曲线类型与沿着结合面表面方向的抗剪粘结滑移曲线类型相同；空心板与铰缝结合面的粘结滑移刚度K可取5MPa/ mm～15MPa/mm之间，计算模型中取10MPa/mm；最终滑移值和峰值应力对应的滑移值之比可取1.5～3.0，计算模型取2.0。将法向和切向的粘结滑移曲线示于图4。

图1　空心板截面（单位：cm）

图2　有限元计算模型

图3　结合面黏结强度方向

图4　结合面粘结滑移曲线

3结果与分析

3.1铺装层厚度对结合面的影响

在ABAQUS有限元软件中，采用Surface-basedcohesivebehavior模拟结合面的粘结滑移性行为。根据已进行的研究结果［1-3］，空心板与铰缝的结合面是空心板桥最薄弱部位，且最易发生开裂。当在结合面上的某个点的三个方向的位移（法向张开量、竖向滑移值和纵向滑移值）中有一个达到这个方向的限值，即认为该处发生粘结破坏并发生开裂的标志。且已有相关研究表明，结合面竖向相对滑移量最易先超过限值，可以以竖向相对滑移量作为结合面粘结破坏失效的指标。

由于对称性，以1#结合面为例分析不同整体化铺装层厚度对结合面破坏模式的影响，并列于表1。可以看出，当铺装层厚度从0cm变化到30cm：铺装层厚度对铰缝结合面开裂荷载影响较小，从60kN提高到70kN，提高17%；铰缝形成通缝的荷载由110kN提高到175kN，提高59.1%；200kN荷载作用下，结合面竖向通缝的分布长度由跨中3.5m范围减小到跨中2.0m范围，减小42.9%；结合面底部的裂缝分布长度由跨中7.0m范围减小到4.2m，减小40%。

3.2铺装层厚度对空心板的影响

考虑铺装层施工过程中空心板桥受力变化的三个阶段，即预制空心板桥承受自身重量、空心板桥承受自身重量和铺装层的湿重、空心板桥与铺装层形成叠合结构，共同承担承担外荷载作用，分析铺装层厚度分别为0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm时，对空心板跨中挠度、跨中主梁应力和空心板开始开裂时的荷载（开裂荷载）的影响。

表1　不同铺装层厚度下结合面破坏模式汇总表

相同外荷载作用下，铺装层厚度对空心板桥跨中挠度、跨中主梁应力以及开裂荷载的影响示于图5。可以看出，铺装层厚度从0cm变至10cm时对空心板跨中挠度和应力影响较大，而从10cm变至30cm时铺装层对跨中挠度和应力的影响变小。随着铺装层厚度的增加，各空心板的开裂荷载增加，铺装层从0cm变化到30cm，1#空心板的开裂荷载从100kN增大到252kN，增加2.52倍；2#空心板的开裂荷载从86kN增大到230kN，增加2.67倍。

图5　不同铺装层厚度空心板桥受力影响

4结论

（1）铺装层厚度从0cm变至10cm时对空心板跨中挠度和梁底应力影响较大，而从10cm变至30cm时铺装层对跨中挠度和梁底应力的影响变小。空心板开裂荷载与铺装层厚度基本成线性关系，当铺装层厚度从0cm变化到30cm时，1#空心板的开裂荷载从100kN增大到252kN，增加2.52倍；2#空心板的开裂荷载从86kN增大到230kN，增加2.67倍。

（2）当铺装层厚度从0cm变化到30cm时，铺装层厚度对铰缝结合面开裂荷载影响较小，仅从60kN提高到70kN，提高17%；铰缝形成通缝的荷载由110kN提高到175kN，提高59.1%。

（3）200kN荷载作用下，结合面竖向通缝的分布长度由跨中3.5m范围减小到跨中2.0m范围，减小42.9%；结合面底部的裂缝分布长度由跨中7.0m范围减小到4.2m，减小40%。

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