空心板荷载横向分布影响因素分析

李骏

中铁上海设计院集团合肥有限公司 安徽 合肥 230001

引言

空心板是中小跨径常规桥梁结构。设计计算过程中一般偏保守考虑忽略桥面铺装对主梁刚度的贡献，但实际工程中桥面铺装和空心板主梁作为叠合构件共同受力，因此，其对主梁承载力具有一定的贡献。空心板板间铰缝失效往往是主梁破坏的最根本原因，维修加固的做法多为加大板间铰缝。近年来，大量研究表明，空心板设计及老桥病害处理中不仅要加强铰缝连接，加强桥面铺装的整体性对板梁整体受力更加重要。下文结合工程实例，从计算理论及有限元法两个角度分析桥面铺装及铰缝对板梁荷载横向分布的影响[1]。

1 工程概述

图1为一孔标准跨径13m空心板桥标准横断面布置图，桥面净宽10.5m，横向由9片板梁组成。

图1 空心板横向布置（单位：cm）

2 研究方法及基本假定

2.1 铰接板梁法

空心板板间通过现浇纵向企口缝横向达到连接各板的作用，这种连接可以使各梁板形成一个整体而不是单独受力，但是其刚度不高，计算中仅考虑其传递剪力的作用，对传递弯矩没有贡献[2]。

N片板梁通过铰缝连接成整体，计算模型为N-1次超静定问题，可以利用铰缝处两梁板相对竖向位移为零这一变形协调条件得到各缝铰接力，进而得到各梁板的横向分布影响值[3]。

2.2 刚接板梁法

考虑桥面铺装对板梁受力的贡献，由于桥面铺装为整体浇筑，固认为铺装为刚接体系，而梁板间为铰接，铰缝处需考虑板间竖向剪力、铺装层竖向剪力、铺装层横向弯矩，这种受力模式与刚接板梁法类似。多出的板间竖向剪力可以与铺装层竖向剪力合为一个竖向力考虑，其余计算理论均可以参考刚接板梁法。

图2 刚接板梁法计算图示

2.3 有限元法

采用有限元软件建立全桥的梁格模型，用梁单元模拟主梁及板间铰缝，其中铰缝连接通过释放梁端弯矩约束来实现，用于模拟铰缝仅传递竖向剪力。桥面铺装可以利用板单元模拟[4]。

3 横向分布系数计算

3.1 不考虑桥面铺装计算结果

3.1.1 铰接板梁法理论计算结果

3.1.2 不考虑桥面铺装有限元软件计算结果

对比表1、表2不难发现，铰接板梁法理论计算结果和有限元计算得到的结果非常接近，这说明有限元模型是合理的[5]。

表1 理论方法 各梁板横向影响线数值

表2 有限元法 各梁板横向影响线数值

3.2 考虑桥面铺装计算结果

3.2.1 考虑15cm桥面铺装，通过有限法计算得到的各梁板影响线数值如下表3。

表3 有限元法 各梁板横向影响线数值

通过表2、表3可以得到，不考虑桥面铺装、考虑桥面铺装两种工况下各梁板横向分布系数（如下表4所示）。

表4 有限元法 两种工况横向分布系数对比

通过表4可以看出，考虑桥面铺装对桥梁受力的贡献，各梁板横向分布系数均有所下降，说明桥面铺装增大了桥梁的安全系数。

3.2.2 考虑桥面铺装的刚度贡献，通过刚接板梁法理论计算上述例题中1号梁横向分布影响线数值（如下表5所示）。

表5 有限元法与刚接板梁法计算结果对比

表5中计算方法1为刚接板梁法，方法2为有限元法，对比数据发现两种方法计算结果接近，这说明考虑了桥面铺装效应的有限元法模型是合理的。

4 铺装厚度对荷载横向分布的影响

为了反应铺装厚度对荷载横向分布的影响，下面通过四种铺装厚度0cm、10cm、12cm、15cm，利用有限元法计算得到上述例题1号梁板横向分布影响线相对数值，如下图所示：

由图3可以看出，1号梁板横向影响线随着铺装厚的增加有变缓的趋势，说明适当增加桥面铺装厚度，可以减小梁板的横向分布系数，增大梁板的结构安全储备[6]。

图3 不同铺装厚度横向影响线数值对比图

5 铰缝破坏状态下受力分析

空心板铰缝处往往是整个结构最为薄弱的部分，会在运营过程中由于超重荷载的作用、桥面系破坏后渗水、钢筋混凝土腐蚀等原因不断地发生破坏。若不考虑桥面铺装的刚度贡献，空心板铰缝破坏后，原多片梁板共同受力转变为单片梁独立受力模式。但是，实际中铰缝破坏后桥面铺装仍然将各梁板连接在一起，可以传递板间的弯矩和竖向力。

现取桥面铺装厚度15cm进行计算，考虑如下两种工况：

工况1：6号、7号铰缝破坏后与桥面铺装共同受力，计算结果见表6；

表6 工况1各梁板横向分布系数

工况2：4、5、6号铰缝破坏后与桥面铺装共同受力，计算结果见表7。

表7 工况2各梁板横向分布系数

上述铰缝按照标准断面从左至右依次编号。

表6、表7均列出了不考虑桥面铺装，空心板铰缝完好时各梁板横向分布系数，通过对比可知当考虑桥面铺装效应，空心板铰缝局部破坏时各板梁横向分布系数并没有发生突变，说明铰缝破坏后，由于桥面铺装的贡献，各梁板仍能共同承担荷载且各梁板横向分布系数仍然满足设计要求[7]。

6 结束语

通过梁板横向分布影响数值可以看出，桥面铺装有效地将各梁板连接在一起，其增加了空心板结构的整体性，使得荷载较为均匀的分配到各梁板。

桥面铺装的刚度贡献使得各梁板横向分布系数有所降低。

在一定范围内，随着铺装厚度的增加各梁板横向分布系数随之降低。

空心板铰缝局部破坏后，由于桥面铺装的刚度贡献，各梁板横向分布系数没有发生突变，仍然满足设计要求。