空心板桥铰缝损伤后的横向影响研究

林志豪，李春良

吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118

0 引言

在空心板桥中，铰缝是横向连接各板的主要部位，也最容易出现破坏,一旦铰缝损伤，会引起桥梁其他部位受损，最终严重影响桥梁的横向受力.现阶段国内外学者主要从三方面研究空心板桥损伤后的横向受力变化：一是通过解析法来分析，基于铰接板法，通过桥梁损伤后铰缝处的位移、主梁的挠度、主梁刚度等要素之间的关系,建立空心板桥铰缝损伤后的受力模型[1-3]；二是通过有限元软件建立铰缝损伤后的空心板桥模型，分析其横向受力的变化[4-7]；三是通过荷载试验,在试件上直接施加荷载观察损伤过程中横向力学的变化.本文利用ANSYS软件建立铰缝损伤前后的空心板模型，分析铰缝损伤前后空心板桥横向受力的变化.

1 空心板桥模型的建立

基于梁格法建立空心板桥有限元模型.选用BEAM 44单元模拟板.

1.1 铰缝完好时的空心板桥模型

在空心板桥中，假设铰缝只传递剪力不传递弯矩，且两板间的相对位移为零，故可选用刚性链杆模拟铰缝，通过放松刚性链杆J节点的转动使其只传递剪力不传递弯矩，并使得两板间不产生相对位移，如图1所示.建立桥梁整体模型，如图2所示.

图1 完好铰缝单元(刚性链杆单元)

图2 桥梁整体有限元模型

1.2 铰缝损伤后的空心板桥模型

铰缝损伤后，受损铰缝两侧板在荷载作用下会产生相对位移，此时将模型中受损位置的刚性链杆替换为COMBIN 14单元，通过设置竖向弹簧刚度使两板间产生相对位移，模拟铰缝损伤后的实际状态，如图3所示.

图3 损伤铰缝单元(弹簧单元)

在此模型中，选取合适的弹簧刚度是准确模拟在不同铰缝损伤程度下两板间产生相对位移的关键.由于实际工程中铰缝的受力机理较为复杂，故本文采用试算方法得到铰缝损伤后两板间相对位移与弹簧刚度之间的关系.现定义x为铰缝损伤率，由两板间相对位移Δ与“单板受力”梁的最大挠度ω确定，即x=Δ/ω，且规定铰缝损伤后，该铰缝全长范围的损伤程度一致.

利用已建立的铰缝损伤后的空心板桥模型计算不同相对位移对应的弹簧刚度，再通过Matlab进行函数拟合，得到弹簧刚度与铰缝损伤率的关系，结果满足函数：

f(x)=2.3×107×e-11.39 x+9.05×106×e-1.6 x

其中，f(x)为弹簧刚度值，N/m；x为铰缝的损伤率.

2 计算结果分析

2.1 算例

图4为跨径l=12 m的铰接空心板桥，由9块混凝土空心板组成.利用ANSYS建立桥梁完好时的有限元模型，得到5号板的横向影响线，并与铰接板理论计算结果对比，如图4所示.

图4 空心板桥横截面(单位：cm)

图5为铰缝完好时，ANSYS计算与铰接板理论计算的5号板横向影响线.观察发现，两者计算结果相互吻合.可见,利用ANSYS建立的模型能够模拟空心板桥的实际受力状态与理论结果一致，可用于后续问题的研究与讨论.

图5 铰缝完好时5号板横向影响线

2.2 规律分析

2.2.1 铰缝损伤对桥梁横向受力的影响

为研究铰缝损伤后空心板桥横向受力的变化，现假定3号铰缝损伤20 %，利用ANASYS计算3号板横向影响线，如图6所示.

图6为桥梁未损伤时3号板横向影响线与3号铰缝损伤20 % 时3号板的横向影响线的对比图.观察发现，铰缝损伤后，当荷载作用于损伤铰缝左侧时，3号板分配到的荷载增大；当荷载作用于损伤铰缝右侧时，3号板分配到的荷载减小.这主要是因为受损铰缝影响了桥梁横向传递荷载的能力，使得荷载无法通过受损铰缝向左或右进行有效传递，影响板最终分配到的荷载.

图6 3号铰缝损伤前后3号板横向影响线

2.2.2 铰缝损伤程度对桥梁横向受力的影响

假定3号铰缝损伤分别20 %,40 %，利用有限元模型得到3号板横向影响线如图7所示.

图7为3号铰缝分别损伤分别20 %,40 % 后的3号板横向影响线.观察发现，当荷载作用于损伤铰缝左侧时，铰缝损伤40 % 时3号板分配到的荷载大于铰缝损伤20 % 时3号板分配到的荷载；当荷载作用于损伤铰缝右侧时，铰缝损伤40 % 时3号板分配到的荷载小于铰缝损伤20 % 时3号板分配到的荷载.这表明铰缝损伤程度越大，对桥梁横向传递荷载能力的影响越大.

图7 3号铰缝不同损伤程度下3号板横向影响线

2.2.3 铰缝损伤对不同位置板横向受力的影响

图8为桥梁未损伤时2号、8号板横向影响线与3号铰缝损伤40 % 时2号、8号板横向影响线对比图.观察发现，铰缝损伤后各板分配到的荷载发生变化，出现了荷载作用于受损铰缝左侧时，左侧板分配到的荷载增大；荷载作用于受损铰缝右侧时,右侧板分配到的荷载增大的规律.这主要是因为受损铰缝影响了荷载横向传递的效果，且距离受损铰缝越近的板，受到影响越大.对比铰缝损伤后2号板与8号板分配到的荷载可发现，2号板相较于未损伤时，其受力状况更加不利，这是因为在铰缝左侧能有效传递荷载的板较少，可见因受损铰缝的影响，完好连接较少的部位的受力状态更加不利.

图8 3号铰缝损伤前后2号、8号板横向影响线

3 结论

(1)利用ANSYS有限元软件可以模拟空心板桥在铰缝损伤后的受力状态.

(2)损伤铰缝会减弱桥梁横向传递荷载的性能，导致各板分配到的最大荷载增加，且损伤程度越大，这种现象越明显；另外铰缝损伤后，距离损伤铰缝越近、相互完好连接越少的板，其受力状态越不利.