空心板铰缝的破坏模式及有限元分析

(福州中咨工程咨询有限公司，福州350001)

空心板铰缝的破坏模式及有限元分析

■张海

(福州中咨工程咨询有限公司，福州350001)

本文通过对装配式空心板桥的试验以及有限元模型模拟，旨在分析空心板铰缝破坏全过程。通过研究发现铰缝破坏分两个阶段：在铰缝构造开裂前，铰缝传力性能良好，空心板的挠度一致；随着荷载增加，铰缝底部首先开裂并逐渐形成通缝，空心板单板开裂，此时单块空心板挠度趋于不平衡发展状态。针对装配式空心板铰缝的问题，对铰缝构造进行建议，为同类工程借鉴参考。

铰缝试验有限元不均匀分布

1 前言

铰缝的破坏成为装配式空心板桥梁最主要的病害形式[1]。装配式空心板桥梁横向传导荷载的关键在于铰缝，在重载交通、汽车冲击荷载等因素影响下，铰缝会逐渐发生破坏，铰缝横向传力能力变弱，导致单板受力现象，从而影响空心板整体受力性能。铰缝破坏后会出现许多桥梁病害：铰缝处渗水泛白、铰缝处混凝土剥落、单块板体严重下挠等等[2]。本文针对新空心板标准图，以一跨8m装配式空心板桥作为试验模型[3]，分别开展试验研究和有限元分析。分析铰缝在车辆荷载作用下破坏的全过程，同时利用大型通用有限元软件ABAQUS建立实体有限元模型来模拟铰缝的破坏的全过程。

2 试验模型及铰缝破坏模式

2.1 试验模型

本试验按照新标准图集新标准图的8m铰接空心板桥作为原型进行试验模型的设计，共选取三块空心板组成桥面板模拟试验。设计空心板宽度1.24m，高度0.45m，计算跨径7.96m，混凝土等级为C40(包括预制空心板、铰缝、桥面铺装的混凝土)，钢筋等级HRB335级(包括预制空心板、铰缝、桥面铺装的钢筋)。空心板截面构造、铰缝构造、试验模型截面构造如图1～3所示。

图1 试验梁截面构造图(单位：cm)

图2 铰缝构造图(单位：cm)

图3 铰接空心板桥试验模型横断面图(单位：cm)

图4 铰缝钢筋构造示意图

铰缝钢筋构造示如图4所示，铰缝钢筋包括四种：剪刀钢筋、纵向钢筋、底部构造钢筋、预埋在顶部连接钢筋(编号分别为1#、2#、3#、4#)。1#钢筋沿纵桥向布置为Φ10@20cm。桥面铺装纵横向钢筋布置为Φ10@10cm，铺装厚度为10cm。在浇筑铰缝混凝土之前，对铰缝处各预制板连接面进行凿毛清洗处理，在浇筑混凝土之前先用水湿润模板、铰缝处连接面等接触面，铰缝混凝土及桥面铺装混凝土一次整体浇筑完成。

由于前轴与后轴的距离大于试验模型的跨径，在选取荷载时利用不利荷载布置原则，选取车辆荷载(公路-Ⅰ级)后两轴加载。为了便于加载，将车辆荷载转化为均布荷载加载方式，利用橡胶支座来模拟均布荷载。橡胶支座尺寸沿纵桥向为200mm，横桥向为600mm。荷载加载距离(中心)纵桥向为1.4m，横桥向为1.8m。试验加载位置示意图如图5所示。

图5 试验加载位置示意图(单位：cm)

针对空心板的挠度测量，在各片空心板跨中、3/4跨处布置百分表用来测量1号、2号、3号空心板的挠度。为了了解在试验过程中1号、2号铰缝在受力状态下的张开量，布置如图6所示的百分表，布置地点同样为空心板跨中、3/4跨处。

图6 位移测量布置

试验加载采用连续加载方式。试验共采用2台1200kN的油压千斤顶，1台油泵进行同时加载。横桥向两个加载点通过加载横梁进行力的分配，在横梁和反力梁之间布置力传感器来控制加载大小。在弹性阶段加载大小为预估加载值的3%进行逐级加载(10kN)，稳压2min后进行数据采集；在进入非线性阶段后，加载大小减半(5kN)，数据采集在各数值稳定后进行采集。

2.2 试验结果

根据观测到试验现象，记录下试验破坏过程并进行分析：第一阶段，弹性工作阶段：两个铰缝表面完好，并未发现裂缝，同时铰缝能均匀传递荷载，观测到各空心板挠度一致，表明三块空心板此时是共同受力的。第二阶段，铰缝开裂阶段：当加载到70kN，即1.0倍车辆荷载(公路-Ⅰ级)，沿空心板与铰缝的结合面跨中底部开始出现裂缝，此时各空心板挠度基本一致，三块空心板基本能共同受力。第三阶段，铰缝结合面形成通缝阶段：荷载不断增加，三块空心板在跨中位置均出现裂缝并横向发展，裂缝沿空心板与铰缝的结合面向上及纵桥向扩展并形成通缝，荷载为140kN(2.0倍车辆荷载)，此时各空心板挠度趋向于不一致状态。第四阶段，单板受力阶段：由于铰缝过度开裂，铰缝完全退出工作，此时铰缝两侧空心板相对位移明显增大(挠度不均匀)，空心板桥进入“单板受力”阶段。

图7 各空心板荷载-挠度曲线

图7为跨中截面和3/4跨截面的空心板荷载-挠度曲线，此图能表面铰缝的破坏过程。整个加载过程大致可以分为两个阶段(弹性阶段、弹塑性阶段)。弹性阶段：在试验加载初期(70kN以前)，三块空心板荷载-挠度曲线基本吻合，斜率一致，表明三块空心板共同受力，铰缝能传递横向荷载。当荷载增加至70kN时，两个铰缝跨中底部出现第一条裂缝，此时三块空心板挠度基本一致，表明三块空心板受力基本相同的。弹塑性阶段：当荷载达到80kN时，1号、2号和3号空心板的跨中截面底部均出现第一条纵向裂缝，空心板进入弹塑性工作阶段。此时三块空心板跨中底部开始出现横向裂缝并向两侧继续发展，铰缝裂缝向纵桥向发展。当试验荷载约为300kN时，铰缝完全形成通缝并退出工作，三块空心板底部出现数量不等的裂缝，挠度不同且出现非线性变化趋势，很明显单板受力状态。考虑到空心板破坏会产生不安全因素，停止加载并结束试验。

图8为1号和2号铰缝在荷载-横向张开量曲线。从图中可以看出，在加载初期，横向张开量随荷载增加呈现出线性发展趋势。在荷载约为70kN时，铰缝底部出现第一条裂缝，此后曲线呈现出非线性增长趋势，且两个铰缝张开量大小不一致。

图8 铰缝荷载-横向张开量曲线

3 有限元模型及铰缝破坏模式

3.1 试验模型

利用大型有限元软件ABAQUS建立装配式空心板全桥模型。空心板和铰缝构造混凝土采用C3D8单元模拟，钢筋采用T3D2桁架单元来模拟，钢筋与混凝土之间关系、桥面铺装与预制桥面板之间均采用粘结(tie)来模拟。混凝土采用混凝土塑性损伤模型以及《混凝土结构设计规范》里规定本构模型、钢筋采用理想弹塑性模型。空心板及铰缝构造结合面采用法相轴拉粘结强度、结剪切强度、粘结滑移关系来确定。对于边界条件，在模型两端支座处通过约束位移来模拟各自支座。有限元加载则通过ABAQUS里刚性体来模拟试验时的橡胶支座[4]。有限元模型如图9所示。

图9 装配式空心板有限元模型

3.2 试验结果

对有限元模型计算结果进行分析：当计算荷载为75kN(1.07倍车辆荷载)时，两个铰缝底部出现第一条裂缝；当计算荷载为85kN(1.21倍车辆荷载)时，三块空心板底部均出现裂缝，同时铰缝裂缝向两端发展；当计算荷载为199kN(2.84倍车辆荷载)时，两个铰缝形成通缝，由于空心板裂缝太多铰缝破坏导致计算模型不收敛而停止计算。

综合试验结果以及有限元分析结果，空心板铰缝的破坏主要分为以下四个阶段：第一阶段：弹性工作阶段。此阶段铰缝完好，空心板整体受力好。第二阶段：铰缝开裂阶段。该阶段铰缝底部发生开裂，裂缝沿空心板与铰缝的结合面向上扩展。第三阶段：铰缝破坏阶段。随着荷载的增大，铰缝裂缝形成贯通，铰缝不能传递横向作用力，导致空心板单体受力。第四阶段：单板受力阶段。铰缝破坏后，空心板的受力将大大增强，若不及时加固处治，则发生空心板破坏。

因此，装配式空心板在受力状态下首先破坏的是铰缝，由于铰缝的传力被限制而导致空心板桥的受力不均的状态，所以装配式空心板最薄弱的部位是铰缝。

试验和有限元结果进行综合，图10为空心板跨中和3/4截面处试验有限元荷载-挠度曲线。从图中可以看出，在空心板发生开裂前，试验和有限元值基本一致；在空心板发生开裂后，试验和有限元值之间的存在一定的差别，但整体的变化趋势是相同的。

图11为1号铰缝和2号铰缝跨中截面处试验有限元荷载-横向张开量曲线。可以看出，在铰缝开裂前跨中截面处的试验和有限元值吻合良好；在铰缝开裂后两者之间的差别逐步明显，试验值比有限元值增长的较快。

综合试验和有限元结果，在荷载-挠度对比曲线及荷载-横向张开量基础上，得到以下结论：在铰缝构造开裂前，铰缝传力性能良好，空心板的挠度一致；铰缝开裂并形成通缝后导致铰缝传力性能明显下降，空心板单板受力情况比较明显，同时由于空心板不均匀受力，使得各板的挠度呈现不均匀现象。

4 构造建议

装配式桥梁铰缝在设计时，是允许铰缝出现轻微开裂、转动来传递横向荷载，铰缝也成为装配式空心板桥的最不利位置，试验有限元也印证了铰缝先于空心板破坏。在设计施工时可以通过构造措施来延缓铰缝的开裂(不能限制铰缝开裂)，保证装配式桥梁整体受力性能。铰缝构造措施主要考虑以下几个方面：铰缝构造形式、铰缝内填料、铰缝与空心板结合面刚度等。可以从铰缝构造形式来着手增强铰缝的强度。

图10 空心板荷载-挠度曲线对比图

图11 荷载-铰缝横向张开量曲线

图12 铰缝构造示意图

图12(a)(b)(c)给出的是三种不同铰缝构造形式，他们的主要区别在于结合面构造钢筋与铰缝之间的锚固方式，这三类构造钢筋均可以改善铰缝受力性能[5]，其中铰缝构造(三)的方案优于前两个方案。构造钢筋锚固于空心板内，同时延伸至桥面板能在一定程度上将空心板、铰缝和桥面铺装三部分结合起来，形成整体受力，延缓铰缝开裂。

5 结语

在铰缝构造开裂前，铰缝传力性能良好，空心板的挠度较为一致；铰缝构造开裂后导致铰缝传力性能下降，同时由于空心板发生开裂，各块空心板挠度出现非线性变化且不一致。铰缝是空心板桥的薄弱环节，建议采用一些构造措施延缓铰缝在荷载作用下形成通缝，保证铰缝与空心板整体受力基本一致。

[1]陈长万,陈映贞.装配式空心板桥铰缝局部受力性能研究[J].公路交通技术,2016,(32):96-100.

[2]赵素锋.铰接空心板梁桥铰缝病害机理分析与防治措施[J].中国港湾建设，2010(4)：15-17.

[3]王渠,吴庆雄,陈宝春.装配式空心板桥铰缝破坏模式试验研究[J].工程力学,2014,(31):115-120.

[4]陈悦驰,吴庆雄,陈宝春.装配式空心板桥铰缝破坏模式有限元分析[J].工程力学,2014,(31):51-57.

[5]种永峰.空心板梁铰接缝模型试验研究[D]：[硕士学位论文].西安:长安大学，2008.