装配式空心板桥铰缝局部受力性能研究

陈长万，陈映贞

（1.广东广乐高速公路有限公司，广东清远　511510；2.广东华路交通科技有限公司，广州　510550）

装配式空心板桥铰缝局部受力性能研究

陈长万1，陈映贞2

（1.广东广乐高速公路有限公司，广东清远511510；2.广东华路交通科技有限公司，广州510550）

对装配式空心板桥铰缝病害、实际工作状况、局部受力性能进行研究，结果表明：装配式空心板桥铰缝损坏是引起桥面铺装纵向开裂、板底横裂、板间错台及单板受力的主因；装配式空心板桥铰缝计算只传递剪力的假定，与实际受力状态不相符，采用弹性支承连续梁法进行计算分析更符合实际受力情况。

装配式空心板桥；铰缝；单板受力；弹性支承连续梁

装配式空心板桥因其主梁高度小、预制施工可标准化生产而在中小跨径桥梁中得到广泛应用。然而，近年来，随着交通运输业的迅猛发展，超载车辆迅速增长，我国高速公路上某些预制空心板桥梁铰缝产生了不同程度的损坏，桥面铺装产生纵向裂缝，进而出现“单板受力”现象，对桥梁结构使用的安全性和耐久性造成严重威胁［1-3］。尽管国内外学者已对此开展了较多的理论计算和试验研究分析［4-6］，但由于预制空心板铰缝受力机理复杂，故对空心板梁因后期重载交通所引起的开裂失效破坏，目前还没有一个有效的解决方法。为此，本文从装配式混凝土空心板桥铰缝的实际工作状况出发，在对其单板受力病害特征进行分析和总结的基础上，对铰缝的局部受力进行深入的计算分析，以揭示单板受力产生的机理，并提出改善其结构受力性能的处治措施。

1　装配式空心板桥铰缝病害特征分析

由于铰缝计算分析理论基本假定存在不足，致使铰缝施工质量控制难度大，在后期营运超载车辆的综合作用下，目前许多中小跨径装配式空心板桥出现了铰缝构造局部损坏甚至单板受力现象。这些病害主要特征如下：

1）病害一般发生在行车道范围内，特别是重车行驶方向。由于重车车速较慢，且很少占用超车道，故行车道部分的开裂频率远大于超车道部分。由于重车车轮直接作用在板梁上，导致铰缝破坏病害更容易发生在行车道轮迹部位附近。对于发生病害的钢筋混凝土板梁桥而言，其铰缝混凝土被拉坏或剪坏，并逐步松散、脱落，致使桥梁横向联系效果明显下降，从而导致桥梁整体受力性能降低。

2）铰缝破坏总是与铰缝开裂、水损害、铺装层开裂等其它病害一同发生。其主要原因如下：一方面，桥面上积水得不到及时排泄，雨水、雪水顺着开裂后的防水混凝土层向下渗漏，铰缝受水分侵蚀而碱化，并留下明显的渗水痕迹；另一方面，铰缝混凝土开裂后，雨水沿着铰缝混凝土与板梁侧壁间的缝隙渗出。

3）对于行车道铰缝破坏处上方的沥青面层而言，由于车轮的冲击疲劳作用，其普遍存在车辙和具有规律性的纵向贯通裂缝，严重时形成一条破碎带。但具有较厚桥面铺装层的板梁桥其铰缝破坏较少，这得益于轮载传力面积的扩散效果。另外，水泥混凝土铺装比沥青混凝土铺装出现贯通裂缝的情况相对少一些。

4）当车辆通过铰缝破坏的板梁桥时，板梁会产生弹性下挠，致使受到车轮作用的板与其两侧的板上下错动，形成台阶。

5）伴随着空心板梁间铰缝失效破坏，结构出现“单板受力”现象，加上在营运阶段受到超载车辆的作用，空心板结构产生的荷载效应远大于承载能力，致使空心板底部出现横向开裂病害。装配式空心板单板受力典型病害及板底横裂状况如图1所示。

图1　空心板单板受力病害及板底横裂状况

2　装配式空心板桥实际工作状况分析

通常，装配式空心板桥设计计算时，均假定企口缝的高度不大，刚性甚弱，近似地视为铰接，铰缝只传递竖向剪切力，不传递弯矩，具体受力如图2所示。由此可知，铰缝具有板梁间传递内力并约束位移的关键作用，即整个桥梁要想形成共同受力的整体，取决于铰缝施工质量的好坏，也就是说，一旦铰缝破坏，铰缝的连接作用将被削弱，从而将导致板梁的实际受力与原来假设的板梁整体受力体系脱离，致使板梁间受力分配不均匀，并进一步加大铰缝内力，加速铰缝进一步破坏。如果铰缝完全失效，则板梁相互之间将不再协同受力。因此，铰缝失效将导致单片板梁受力，并使板梁承受的荷载远远大于原设计预想值，从而导致板梁因承受不了多增加的荷载而产生裂缝。

图2　装配式空心板铰缝原设计受力分析

然而，从装配式空心板铰缝的实际工作状况看，板梁通常承受偏离其纵轴线的偏心荷载，故其变形既有挠曲又有转动，而板梁挠曲、转动引起的竖向位移分量又使其相邻板也产生挠曲和转动，同时还将剪力和扭矩也传递给相邻板，且板梁转动产生的侧向水平位移分量将通过铰缝及桥面铺装层向相邻板施加水平拉（或压）力。车辆荷载作用下空心板的变形及车辆驶离后的变形恢复也将在铰缝中产生反向的拉、压作用，而铰接板计算理论及旧式铰构造设计对此都没有予以足够重视。

另外，装配式空心板设计中认为铰缝结构绕板梁纵向转动是自由的，但从铰缝的构造可以看出，为了确保铰缝能够传递和抵抗剪力作用，铰缝结构采用多边形几何形状以达到互相镶嵌的目的，从而约束了板的自由转动。即铰缝结构破坏前，其不仅承受和传递剪力，而且还承受和传递扭矩。所以，铰缝在弹性阶段的实际受力状态应为刚接或介于刚接与铰接之间，特别是对于内部配置了钢筋的铰缝，其横向联系得到了进一步加强，其实际受力更接近于刚接。装配式空心板铰缝实际受力分析如图3所示。

图3　装配式空心板铰缝实际受力分析

3　装配式空心板铰缝局部效应分析

在铰缝局部受力分析方面，目前工程上普遍采用简化计算模式，即在纵桥向取1 m宽的空心板，将其简化为弹性支承于竖向和扭转弹簧上，竖向弹簧和扭转弹簧的刚度分别由主梁的横向抗弯刚度和扭转刚度计算得到，且将空心板间的横向连接视为铰接，铰缝仅仅在横向起传递剪力的作用。下面对某16 m跨装配式空心板桥的铰缝进行局部分析和计算，就其局部受力状况进行阐述。该桥横截面布置及主梁截面尺寸如图4所示，铰缝抗剪局部分析计算如图5所示。

对各铰缝的剪力影响线进行比较分析，发现其影响线与横坐标围成面积较大的铰为5号和6号铰，如图6所示。对5号和6号铰缝的剪力影响线，按照文献［7］规定的桥梁设计荷载公路-I级进行最不利剪力加载。加载时，将桥面上各集中荷载展开成半波正弦荷载，得到跨中荷载峰值后，将其乘以相应铰的剪切力分配系数，即可得到最大剪力效应值，具体见表1。

图4　某装配式空心板桥横截面布置和主梁截面尺寸示意

图5　空心板桥铰缝抗剪局部分析计算

图6　铰缝剪力影响线

表1　铰缝最大剪力效应　kN

依据JTG D61—2005《公路圬工桥涵设计规范》中4.0.13条规定，混凝土构件直接受剪时，抗剪承载力的计算可按下式进行验算［8］：

式中：Vd为铰缝剪力设计值；γ0为结构重要性系数，取γ0=1.0；A为铰缝受剪切的面积，A=600 mm×为混凝土抗剪强度，取uf为摩擦系数，取uf=0.7；Nk为与受剪切截面垂直的压力标准值，取0。

将各参数值代入抗剪承载力计算公式，其计算结果如下：

从上述计算结果看，铰缝抗剪强度仍然有很大富裕量，即使在活载存在一定超限时，其结构也不会过早破坏，但这一结论与空心板结构铰缝普遍存在开裂渗水结晶的现象相矛盾。由此可见，简单地将装配式空心板桥铰缝局部受力按照剪切模式计算是不合理的。

实际上，目前大部分装配式空心板桥铰缝内部都配置了横向连接钢筋和交叉钢筋，如图7所示。同时考虑桥面铺装横向联系作用，铰缝横向的联系更接近于刚接，即铰缝不仅仅在横向起传递横向剪力的作用，更重要的是一定程度上承受了结构的横向弯矩作用。然而，铰缝与空心板连接处截面存在突变，铰缝在荷载作用下局部应力状态十分复杂。为此，本文在考虑横向刚接装配式空心板结构特点的基础上，取本文提及的某空心板跨中1 m范围内的板段并将其简化为弹性支承连续梁进行模拟分析，其结构计算模型如图8所示，相应铰缝处的弯矩影响线如图9所示。另外，对弯矩影响线效应较大的第6号铰缝进行公路-I级荷载模式的加载计算分析，其结果见表2。由表2可知，在铰缝配筋和混凝土施工质量良好的情况下，铰缝处钢筋混凝土截面抗弯强度系数为1.22，短期荷载组合下铰缝局部裂缝宽度为0.156 mm，铰缝截面抗弯承载能力满足规范要求。但在铰缝局部施工质量控制不到位和后期营运超载车辆作用下，铰缝局部极易产生过大的开裂破坏，采用该简化计算方法得到的结果与实际结构的受力情况更相符。

4　结论

本文基于装配式混凝土空心板桥铰缝病害特征的分析，对该类桥梁横向铰接和刚接状况下其铰缝的局部受力状况进行了比较和分析，并得到如下结论：

图7　空心板铰缝局部构造示意

图8　铰缝抗弯局部计算分析

表2　6号铰接局部计算结果

图9　铰缝处弯矩影响线

1）装配式空心板桥单板受力往往伴随着铰缝的损坏而产生。该病害通常发生在行车道范围内，一般会伴随产生铰缝处渗水结晶、桥面铺装纵向开裂、板底横裂、板间错台等次生病害。

2）装配式空心板桥铰缝横向只传递剪力的假定，在全桥横向分布计算中具有一定近似性，但其与实际受力状态不相符，特别是与铰缝局部受力分析计算结果相比存在较大的计算误差。

3）装配式空心板桥的单板受力主要由铰缝弯拉破坏后其横向剪切传力性能失效所致。

4）空心板桥设计过程中，须加强对铰缝的计算及设计，可考虑采用铰缝下缘配筋、桥面铺装铰缝位置加设钢筋、主梁设置横向预应力等以增强铰缝的刚度和抗剪能力。

［1］赵曼，王新敏，赵雅克.板梁桥“单板受力”的数值分析［J］.中国安全科学学报，2004，14（11）：25-28.

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［3］史建方.桥梁单板受力成因分析和防治对策［J］.公路，2004（10）：71-73.

［4］崔亚楠，杨继新.超载作用下基于塑性损伤模型的空心板桥铰缝受力性能分析［J］.公路交通科技（应用技术版），2010（2）：110-111，143.

［5］秦禄生，重载条件下小跨径简支板桥的横向铰接能力分析［J］.公路，2007（10）：14-16.

［6］贺君，肖长礼，雷俊卿.装配式空心板混凝土桥面结构计算分析与试验研究［J］.北京交通大学学报（自然科学版），2005，29（4）：57-61.

［7］中交公路规划设计院有限公司.JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［8］中交公路规划设计院.JTG D61—2005公路圬工桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

Study on Local Mechanical Properties of Hinge Joints on Assembled Hollow Slab

CHEN Changwan1，CHEN Yingzhen2

This paper studies disease，actual work status，local mechanical properties of hinge joints on assembly type hollow slab.Results show that the hinge joint damage on assembled hollow slab is the major cause for longitudinal crack of bridge deck pavement，transverse crack of slab，misalignment of slabs or force on single slab.Calculation of hinge joints on assembled hollow slab is based on the assumption that only shear stress transfers，which is not in accordance with actual case.Using elastic supported continuous beam method for calculation，however，will better fit the situation of practical force.

assemblytypehollowslab；hingejoints；forceonsingleslab；Elasticsupported continuous beam

1009-6477（2016）04-0096-05

U448.21

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.022

广东省交通运输厅科技项目（2014-03-005）

2016-02-29

陈长万（1983-），男，广东省梅州市人，硕士，工程师。