装配式空心板桥铰缝承载力快速测定方法

陈记豪 郭明臻 裴松伟 钱晓军

摘 要：装配式空心板桥是中小跨径桥梁的常用桥型，铰缝是该类桥的核心组成部分。本文对铰缝传力性能及其承载力相关研究进行了系统总结，在此基础上提出了一种装配式空心板桥铰缝承载力的评定方法。试验结果表明，其测试结果具有一定的可信性。该方法简单易行，传力机理明确，成本较低，为铰缝承载力快速检测和铰缝传力机理相关研究提供了一种新的方法。

关键词：空心板桥;铰缝;承载力

中图分类号：U441文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0100-05

Abstract： The prefabricated hollow slab bridge is a common bridge type for small and medium-span bridges， and the shear key is the core component of this type of bridge. This paper systematically summarized the related research on the force transfer performance of shear key and its bearing capacity， and proposed a method for evaluating the shear key bearing capacity of prefabricated hollow slab bridges on this basis. The test results show that the test results have certain credibility. The method is simple and easy to implement， the force transmission mechanism is clear， and the cost is low， which provides a new method for rapid detection of shear key bearing capacity and related research on joint force transmission mechanism.

Keywords： hollow slab bridge;shear key;bearing capacity

裝配式混凝土空心板桥具有结构简单、现场湿作业少、施工速度快和造价低廉等优势，是应用最广泛的一种桥型[1-4]。据不完全统计，我国50%以上的中小跨径梁式桥是空心板桥[5]。铰缝沿桥跨方向将各片空心板连成整体，进而实现协同工作，因而铰缝是空心板桥的关键构件。铰缝主要用于承受竖向剪力作用，铰缝主要形式如图1和图2所示。室内模型试验[6-7]和现场原型试验[8]均表明，车辆荷载作用下，空心板与铰缝结合面首先出现裂缝、铰缝破坏，其先于空心板，铰缝耐用性差是该类桥的一个薄弱点，这在一定程度上限制了该类桥的应用[9]。铰缝性能及其承载力是装配式空心板桥的核心问题，因此有必要开展铰缝传力及承载力性能相关研究，从根本上解决该类桥梁耐用性差的问题。

1 铰缝传力理论分析

在国外，20世纪80年代，有研究将多梁式桥等效为正交异性板，分析了铰缝竖向剪力，并提出了在AASHTO（美国各州桥梁与运输工作者协会）和OHBDC（加拿大安大略省公路桥梁规范）车辆荷载作用下宽度为7.5～15.0 m的多梁式桥铰缝最大剪力的简化计算方法[10-11]。该方法被加拿大相关桥梁设计规范采纳[12]，不列颠哥伦比亚省林业部在此基础上对宽度在5.5 m以下的铰接板桥横向剪力进行研究，然后给出了相应计算公式[13]。正交异性板理论所得铰缝竖向剪力值由纵梁力学特性决定，而与铰缝的形式无关，其实质是分析铰缝需要传递的剪力大小。Kaneko等[14-15]根据断裂力学原理，分析了图2（b）所示铰缝的破坏机理和抗剪强度计算公式。

在国内，20世纪50年代，通过模型试验和力学分析，人们探索出铰缝受力分析的两种基本方法：铰接板（梁）法和刚接板（梁）法[10，16]。前者仅考虑竖向剪力，后者考虑竖向剪力和弯矩共同作用。一般认为，铰缝破坏属于混凝土剪切破坏，采用《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）[17]第4.0.13条款，并偏于保守地将铰缝混凝土视为素混凝土，验算铰缝是否安全。基于该理论，较小的铰缝可传递较大的剪力而不破坏，故铰缝被视为一种构造缝，该观点一直延续至今，至今有关规范尚未对其设计和构造做出专门要求，设计人员一般按照标准图集选择铰缝形式和构造钢筋。然而，在实际工程中，铰缝是该类桥梁上部结构的薄弱环节，铰缝普遍存在裂缝、渗漏、泛白和脱落等病害，甚至出现了单板受力。从20世纪80年代到90年代，研究人员重点研究了铰缝的竖向剪力最大值的计算方法。席振坤[18]和王刚[19]等尝试分析铰接板理论计算所得铰缝竖向剪力值的误差，并探索改进计算精度的方法，但效果不甚理想。叶见曙等结合我国工程实际，基于正交异性板理论，建立了空心板桥铰缝竖向剪力最大值的理论计算方法[20]。

实际上，这两种方法主要用于分析纵梁横向连接后所承受的荷载大小，并获得铰缝传递的荷载值。该方法所得铰缝受力大小仅与纵梁力学特性（截面刚度）有关，而与铰缝截面形式和尺寸无关，因而其实质是分析铰缝传递的荷载值大小，难以获得铰缝本身的受力特性。

2 铰缝传力数值仿真分析

国内外学者对铰缝受力性能开展了数值仿真分析。数值仿真分析的核心问题是铰缝单元与空心板单元如何连接。目前有三种处理方式，即直接共节点、接触分析和加连接单元法。一般采用共节点进行分析。Badwan等[21]建立了上部结构三维有限元模型，分析了车辆荷载下铰缝的受力性能;Lee等[22]建立了铰缝局部二维有限元模型，分析了铰缝形状、数量和尺寸对铰缝连接性能的影响;Mostafa[23]分析了铰缝的受力情况;Fu等[24]建立了上部结构三维有限元模型，铰缝与纵梁间采用接触单元，其分析了横向预应力对铰缝应力的影响。刘沛林等[25]和卫军等[26]采用接触单元分别分析了浅铰缝和受腐蚀深铰缝受力特性及应力分布。吴庆雄等[6]采用接触单元分析了一座由3块空心板组成的跨度8 m的空心板组成的空心板桥破坏过程，并与试验进行了对比。陈悦驰等[27]采用加连接单元的方法，分析了一座由3块空心板组成的跨度8 m的空心板组成的空心板桥破坏过程。

直接共节点难以模拟铰缝的整个受力过程，接触条件和参数选取对结果影响较大，但尚未有文献系统讨论其如何选取，也缺乏与试验的比对分析[25，28]。加连接单元是采用弹簧单元将铰缝单元和纵梁单元连接起来，该方法与模型试验结果吻合度高[6，27]，不过，弹簧单元参数如何选取仍未见文献报道。另外，这些仿真分析的侧重点是研究铰缝受力性能，而非铰缝传力机理。

3 铰缝传力试验研究

国外对图2所示铰缝抗剪、抗弯和抗拉进行了系统试验，对铰缝形式和材料对其受力性能的影响也进行了研究。Issa等[29]通过铰缝节点试件的抗剪、受拉和抗弯试验，综合比较了不同材料铰缝的性能差异。Hanna[30]采用2.44 m长的箱梁段，测试了两种铰缝在疲劳荷载和静载下的受力特性及极限承载力。Huckelbridge等[31]针对5座实桥进行了6次现场试验，发现竖向相对位移差值超过0.5 mm时，铰缝开裂。Miller等[32]采用4块22.9 m长的箱梁组合成足尺寸桥，研究了铰缝形式及材料对其受力性能的影响;Gulyas等[33]采用铰缝节点试件，对比了铰缝材料分别为无收缩砂浆和Mg-HH4-PO4复合砂浆时铰缝抗剪试件的抗拉、竖向抗剪和纵向抗剪破坏特征及承载力大小，结果表明，复合砂浆的综合性能远超无收缩砂浆。Roberts[34]和Wells[35]采用局部节段试件分别研究了静载下横向预应力的施加方式、曲线预应力筋等对铰缝受力性能的影响。Graybeal等[36]采用局部节段试件，研究了铰缝材料为超高性能混凝土时铰缝配筋方式、钢筋种类和形状对传力性能的影响。Zhu等[37]采用局部节段试件，研究了灌缝材料为高性能混凝土、U形钢筋搭接时铰缝在静载、疲劳荷载下的力学性能。有研究采用局部节段试件，分析了采用大端头钢筋连接的铰缝的力学性能[38-39]。

国内主要集中于损伤识别评定和铰缝抗剪性能的研究。周正茂等[40]通过上海市多座空心板桥检测数据，提出了一种根据相邻板挠度差判断铰缝受力情况的方法。卫军等[41]以挠度差为标准，对受腐蚀后铰缝的传力性能进行了评价。王铁成等[42]通过模型试验，根据挠度分布情况比较了三种铰缝传递荷载的能力。长安大学进行了比例模型试验[43-44]，基于横向应变和挠度测试结果探讨了铰缝应力和剪力传递。陈宝春进行了足尺寸模型试验，基于铰缝应变及板挠度等参数探讨了铰缝破坏模式[7]。叶见曙等和韩根生等[45-46]通过节点试验比较了铰缝剪力。邱志雄等[47]采用横断面足尺寸、跨度为2 m的局部阶段模型，基于应变和挠度，探讨了铰缝形式及铺装厚度对铰缝受力的影响。

因而，国外针对图2所示铰缝形式分别开展了纯剪切、纯弯曲和弯剪复合状态下的铰缝受力特性研究，同时也进行了足尺寸试验，试验研究较为系统;国内现场试验较多，节点试验偏少且以纯剪切为主[8，45]，仅长安大学进行了节点纯剪切疲劳试验[44]，福州大学开展了足尺寸整桥试验[6-7]。

4 铰缝承载力快速测定方法

国外针对图2所示的铰缝形式，从理论到试验系统地研究了铰缝填充材料、形式和预应力等对铰缝传力性能的影响。在此基础上，采用变换铰缝材料、增大铺装厚度和横向预应力等新技术，基本解决了铰缝易损坏的问题[48]。模型试验[44]和工程实践[7，49]表明，我国铰缝在实际工程中仍然存在耐用性差的问题。虽然国外研究比较成熟，但其铰缝形式与我国不同，不能直接套用。

铰缝节点试验难以考虑弯矩的影响，足尺寸整桥试验和局部节段试验体量较大，也难以进行疲劳试验，当前迫切需要创新试验手段和测试手段。研究表明，铰缝传力具有明显的局部性[6，7，9，27，29，31，35，36，50]：荷载作用于纵梁时，横向上，该纵梁两侧的铰缝受力最大，其余铰缝受力较小;纵向上，荷载作用位置处铰缝受力最大，其余位置均较小，基本可以忽略。因而，人们可以在荷载作用处沿桥跨纵向取较小的一段铰缝和纵梁，研究铰缝的受力性能。铰缝主要受剪力和横向弯矩的作用，可采用普通矩形梁代替原纵梁，这就相当于在普通梁跨中设置一个铰缝连接，铰缝的受力状态与其在原桥中的受力状态基本一致，这里称该试验方法为带铰缝梁式试验。基于此，笔者提出了“一种空心板桥铰缝承载力测试试件及制作方法和测试方法”的发明专利（201610219969.7）[51]，已于2019年获得授权。该方法体量适中，可方便地进行疲劳试验。

基于文献[51]，设计并绑扎梁段钢筋，浇注梁段混凝土[见图3（a）]，养护28 d后浇注铰缝混凝土，形成一根带铰缝的混凝土梁，再养护28 d后，实施静载试验[见图3（b）]。试验结果表明，铰缝高度480 mm的门式钢筋铰缝的开裂荷载为65 kN，通缝荷载为140 kN，这与文献[7]足尺寸模型试验所得开裂与通缝荷载分别为70 kN和140 kN基本一致，證明本文所提铰缝承载力测定方法所得结果是可信的。

5 结论

本文系统总结了铰缝传力性能与承载力测定方面的研究成果。常用的正交异性板、铰接板（梁）和刚接板（梁）理论仅能分析铰缝传递的荷载大小，难以获得铰缝自身的传力特性。有限元分析中，空心板与铰缝之间的粘接模拟尚未形成一致意见。试验是铰缝传力性能与承载力测定的最有效手段，然而，足尺寸试验体量偏大，不易实施且成本较高，周期偏长。本文提出了一种装配式空心板桥铰缝承载力的评定方法，试验结果表明，其测试结果具有一定的可信性，该方法简单易行，传力机理明确，成本较低，为铰缝承载力快速检测和铰缝传力机理相关研究提供了一种新的方法。

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