支座脱空病害对空心板主梁及铰缝的受力影响分析

詹 磊，麦 剑

(广州快速交通建设有限公司 广州市 510475)

0 引言

钢筋混凝土和预应力混凝土空心板梁桥因其构造简单、施工方便、可大批量工厂化集中预制、装配式施工等诸多有利因素而被广泛使用，成为小跨径桥梁(10～20m)的首选桥型之一[1-3]。

装配式空心板梁桥多数以简支梁为主，其横桥向由多片预制的空心板组成，板间设置现浇的铰缝，在主梁架设完毕后，桥面浇筑9～15cm厚的混凝土整体化层。通过桥面现浇层和铰缝，空心板梁桥各片空心板在横向实现剪力的传递，达到共同承担汽车荷载的目的[4]。

然而，现有空心板梁桥经常出现支座脱空的病害，主要原因有：

(1)单块空心板均由4个橡胶支座支承，每跨桥梁由多块空心板组成，形成了每跨空心板梁端存在十几个甚至几十个橡胶支座同时支承竖向荷载的受力体系。例如12m宽桥梁断面由9块空心板组成，每个梁端橡胶支座达18个。多支座会形成受力不明确的超静定体系，常常出现受力不均的情况。

(2)预应力或混凝土收缩徐变作用对4个边角有向上翘曲的趋势，使得边梁易发生支座脱空现象。

(3)施工难以保证几十个橡胶支座同时达到设计标高，往往在施工完成时就已出现支座受力不匀，甚至脱空[5-7]。

支座脱空将使空心板间铰缝应力急剧增大，导致铰缝破坏。破坏程度轻的，企口缝混凝土与空心板侧壁相分离，雨水大量渗透并轻微侵蚀混凝土；破坏程度严重的，铰缝处混凝土已经完全脱落，受水严重侵蚀，空心板失去横向连接能力和传力能力，出现“单板受力”现象[1-2]。进而引起空心板“单板受力”和进一步病害的发生，造成桥梁的使用寿命降低甚至损坏。另外，传统铰缝的宽度较小，铰缝下缘最窄处仅1cm宽，企口处仅11cm宽，会导致整个铰缝的混凝土无法有效振捣，铰缝底部一般仅能填充水泥砂浆；传统铰缝内无法布置合适的受力钢筋，使得铰缝在纵桥向不具备抗弯和抗裂能力，在二期恒载、收缩徐变、温度梯度及汽车荷载的作用下，纵桥向将产生超过混凝土抗拉强度的拉应力，从而导致铰缝的开裂破坏，严重的铰缝局部脱落，空心板间的横向联系减弱，在上述荷载进一步作用下，铰缝破坏更趋严重，进而产生铰缝破坏带来的“单板受力”。目前，对于支座脱空尚无根本解决办法，发生支座脱空时，大部分的解决办法是采用更换支座、加垫钢板等方法临时解决[8-10]。

综合上述研究成果可以得出，传统的支座及铰缝结构在设计上存在着先天的缺陷，在投入运营后，必然出现支座脱空，进而导致铰缝失效，产生“单板受力”现象。以交通部2008版标准图的13m空心板桥作为研究对象，建立Midasfea三维有限元分析模型，分析支座脱空对桥梁受力的影响。

1 三维有限元分析模型的建立

选取交通部2008版标准图的13m简支装配式先张法预应力空心板桥(见图1)作为研究对象：单幅桥宽8.5m，荷载等级为公路—I级。该桥由6片1296cm×124cm×70cm的预制空心板组成，边板挑臂为50.5cm，空心板间铰缝底部宽1cm，企口位置宽11cm，桥面现浇层厚10cm。空心板、铰缝及桥面现浇层均采用C50混凝土。

图1 传统13m空心板桥横断面(单位：cm)

采用Midasfea六面体8节点单元建立空间分析模型。空心板桥共划分了节点139284个，单元124152个；本桥采用简支约束，单片空心板底共设4个支座，分析模型如图2所示，空心板从左至右依次命名为B1～B6，铰缝从左至右依次命名为J1～J5。

图2 计算分析模型

本文考虑的主要荷载如下：

(1)主梁自重及二期恒载。主梁自重按照26kN/m3考虑。二期恒载主要包括防撞墙均布压力16kN/m2、沥青铺装层均布压力2.4kN/m2。

(2)车辆荷载按照《桥涵通规》，将车辆双后轴居中布置于桥梁端部，车辆荷载加载时考虑车轮的着地宽度为60cm×20cm，以避免车辆荷载作用位置的应力集中，将单个后轴车轮70kN的集中力换算为均布荷载为584kN/m2。

支座脱空可能存在较多形式的组合。因此，计算分析主要考虑以下5个分析工况：

(1)工况1：未发生支座脱空。

(2)工况2：铰缝J3左侧支座脱空。

(3)工况3：铰缝J3左侧、铰缝J3右侧支座脱空。

(4)工况4：铰缝J2右侧、铰缝J3左侧支座脱空。

(5)工况5：铰缝J2左侧、铰缝J2右侧、铰缝J3左侧、铰缝J3右侧支座脱空。

上述5种分析工况均为车辆荷载加载端的支座脱空，其模拟形式如图3所示。

图3 加载工况示意图

2 主要计算结果及分析

计算空心板桥在上述五种支座脱空工况作用下的结果，主要查看空心板及铰缝的纵桥向、横桥向正应力及剪应力，根据初步的结果分析，支座脱空对空心板及铰缝的纵向正应力影响很小可以忽略。因此，主要对车辆荷载作用端的空心板及铰缝的横向正应力和竖向剪应力进行分析。

2.1 主梁横向正应力分析

工况1～5计算的空心板支座处的最大横向正应力如表1所示。

表1 支座处空心板的最大横向正应力(单位：MPa)

由表1可知，发生支座脱空时，脱空支座对应空心板及相邻空心板的横向正应力都会产生变化，主要表现为空心板的横向拉应力增大。工况2铰缝J3的左侧支座脱空时，空心板B3的最大横向拉应力增大64%；工况3铰缝J3的左侧和右侧支座都脱空时，空心板B3、B4的最大横向拉应力增大近4倍，而相邻的空心板B2、B5也增大24%；工况4空心板B3的左右两个支座都脱空时，对空心板B2的影响最大，最大横向拉应力增大1倍；工况5铰缝J2、J3的两侧支座都脱空时，以空心板B2、B4的横向拉应力增大最为显著，增大接近9倍，而且最大拉应力达到3.79MPa超过混凝土的抗拉强度限值2.65MPa，而其他空心板除B6以外均增大1倍多。

由工况1～5空心板支点截面的横向正应力云图可知，工况1各空心板受力比较合理，工况2～5由于支座脱空的影响，部分空心板会受力增大。其中工况2在空心板B3下部倒角位置产生横向拉应力的集中，最大拉应力为0.53MPa；工况3在空心板B3、B4下部倒角位置和空心板底部脱空支座附近产生横向拉应力集中，最大拉应力值为1.48MPa；工况4在空心板B2上部右侧倒角位置产生横向拉应力集中，最大拉应力值为0.61MPa；工况5在空心板B2、B4的上部和下部倒角以及空心板底部产生横向拉应力集中，最大横向拉应力为3.36MPa。

2.2 铰缝横向正应力分析

支座处工况1～5计算的各铰缝的最大横向正应力如表2所示。

由表2可知，各铰缝的横向正应力相比于空心板较小，但是当发生支座脱空时，靠近脱空支座的铰缝的最大横向拉应力也会相应的增大，其中以工况3和工况5的支座脱空情况最为不利。工况3铰缝J2、J4的最大横向拉应力增大1倍，铰缝J3的最大横向正应力增大2倍。工况5铰缝J1、J4的最大横向正应力增大2.3倍，铰缝J2、J3的最大横向拉应力增大6倍多，最大横向正应力达3.22MPa，也超过铰缝混凝土的抗拉强度限值。而且传统空心板桥铰缝内部并未配置横向抗弯钢筋，在过大的横向拉应力作用下，铰缝极易破坏。

表2 支座处各铰缝的最大横向正应力(单位：MPa)

由上文可知工况5的铰缝受力较为不利，故查看工况5铰缝J3支点截面的横向正应力云图并与工况1进行对比，如图4所示。

图4 铰缝J3支点断面横向正应力云图(单位：MPa)

图4显示，工况1铰缝下部横向正应力为压应力，但是工况5发生支座脱空后，铰缝J3下部产生较大的拉应力集中，从而使得铰缝下部产生破坏。

综上，支座脱空会导致靠近脱空支座的空心板及铰缝产生较大的横向拉应力集中，使得空心板与铰缝处于极为不利的受力状态，极易引起空心板主梁及铰缝结构的横向受拉破坏同时也造成空心板与铰缝的横向粘结破坏，从而降低空心板桥的横向连接性能，最终导致出现单板受力病害。

2.3 主梁竖向剪应力分析

工况1～5计算的各空心板的最大竖向剪应力如表3所示。

由表3可知，各空心板的最大竖向剪应力变化相比于横向正应力较小。工况2和工况3计算的空心板B2～B5最大剪应力都增大，但增幅较小；工况4计算的空心板B2、B4、B5的剪应力也有小幅增大，而B3的剪应力小幅减小；工况5脱空4个支座时对空心板剪应力产生较大影响，其中B2的最大剪应力为1.3MPa，相比于工况1增大88%，成为剪应力最大的空心板，而且空心板B3的最大剪应力明显减小。

表3 各空心板的最大竖向剪应力(单位：MPa)

根据计算结果，空心板的最大竖向剪应力出现在工况5空心板B2的左侧腹板，因此，查看工况5空心板B2左侧腹板的剪应力云图，并和工况1对应的位置进行对比分析，如图5所示。

图5 空心板B3左腹板剪应力云图(单位：MPa)

图5显示，工况1空心板的竖向剪应力沿桥梁纵向对称分布，当发生支座脱空后，空心板支座脱空一端的竖向剪应力会增大，另一端的剪应力基本不变，从而造成剪应力在空心板中的重新分布，对空心板的受力产生不利影响。

2.4 铰缝竖向剪应力分析

工况1～5计算的各铰缝的最大竖向剪应力如表4所示。

由表4可知，铰缝承受的竖向剪应力相比于空心板较小，但是发生支座脱空后部分铰缝的竖向剪应力也会产生较大的增幅，其中以工况3和工况5最为显著。工况3支座脱空后除铰缝J3最大剪应力减小外，其他铰缝的最大剪应力都有所增大。工况5铰缝J2、J3的最大剪应力减小，铰缝J1、J4的最大剪应力增大57%。

表4 各铰缝的最大竖向剪应力(单位：MPa)

根据计算结果，铰缝的最大竖向剪应力出现在工况5铰缝J1。因此，查看工况5铰缝J1的剪应力云图，并和工况1对应的位置进行对比分析，如图6所示。

图6 铰缝J1剪应力云图(单位：MPa)

由图6可知，工况1铰缝的竖向剪应力也沿桥梁纵向对称分布，当发生支座脱空后，铰缝支座脱空一端的竖向剪应力会增大，另一端的剪应力基本不变，铰缝中的剪应力重新分布，使铰缝处于较为不利的受力状态。

综上，支座脱空也会对空心板及铰缝的竖向剪应力产生不利的影响，使得剪应力重新分布，部分空心板及铰缝剪应力增大，处于较为不利的受力状态。再加上支座脱空对空心板及铰缝的横向正应力也会产生极为不利的影响，从而使得空心板和铰缝产生横向受拉破坏和受剪破坏，而且传统铰缝内部并未配置相应的受力钢筋，更易发生破坏。

3 结论

以交通部2008版空心板桥标准图为研究对象，采用三维有限元分析软件对空心板桥支座脱空的病害情况进行了数值模拟，主要结论为：

(1)支座脱空会对空心板及铰缝的横向正应力产生较大影响，造成空心板主梁内部横向应力的集中、极易使得空心板及铰缝产生横向受拉破坏。

(2)支座脱空对空心板及铰缝的竖向剪应力也会产生一定的影响，使得支座脱空端空心板和铰缝的剪应力增大，但总体剪应力数值不大。

(3)当空心板桥有相邻多个支座同时发生脱空时，对空心板桥的不利影响会更大。