铰接板梁桥铰缝损坏对荷载横向分布影响分析

许 诺 牟廷敏 康 玲

（1.四川交通职业技术学院，四川成都 611130； 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

铰接板梁桥因其构造简单，施工方便，用材经济，是中小跨径桥梁经常选用的桥型之一。调研发现，早期建成的铰接板梁桥因原来设计规范标准较低，加上日益增长的交通量和载重量，很多旧铰接板梁桥铰缝出现了混凝土松散剥落、变位错台、开裂渗水等桥梁病害，病害严重的可能出现单板受力的现象[1]。此外，铰接板梁桥跨径较小，恒载轻，活载产生的内力相对总内力的占比大，出现单板受力后，跨中弯矩增大，可能超过板的抗弯承载能力，将导致挠度增大、板底开裂、甚至断板等安全事故。为此，分析铰缝损坏对桥梁荷载横向分布的影响对铰接板梁桥的安全应用十分重要，也是铰接板梁桥的加固维修的重要依据。

1 铰缝的结构形式

装配式板桥横向通过铰接缝连接形成整体受力结构。铰缝的构造一般有三种形式，即浅铰缝、中铰缝、深铰缝。通过在铰缝内设连接钢筋并浇筑混凝土将梁板连接起来形成整体受力结构[2]，如图1所示。

图1 铰缝结构形式

2 铰缝损坏类型

造成铰缝病害的原因主要包括设计、施工、运营三方面的因素[3]，其具体损坏类型如下：

（1）铰接板设计时常采用铰接板理论，该理论假定预制板间铰缝为理想铰，铰缝只传递剪力，与实际受力状态存在差异。实际情况中，铰缝不仅承受剪力还会承受弯矩以及偏心荷载作用下的扭矩，而设计时忽略了弯矩和扭矩的内力效应，因此形成了设计上的缺陷。

（2）由于铰缝尺寸浅而窄，铰缝混凝土浇筑不密实，强度比较低，浇筑混凝土前，梁板铰缝接触面混凝土未进行凿毛和洒水湿润处理，接触面粘结性能差。铺设桥面过程中，测量人员未控制好标高，局部铺装较薄，在汽车荷载作用下出现局部坑槽，造成桥面铺装破坏。

（3）超重车辆长期在特定的行车道上行驶，大型货车一般靠右侧车道行驶，这些位置的梁板反复承受重交通荷载，主梁交界处产生纵向裂缝，铰缝发生疲劳破坏。铰缝破坏后，荷载作用在某一块板上时，相邻板间的变形不协调，在铰缝位置处形成错台[3]。

3 铰缝损坏对荷载横向分布的影响

3.1 工程实例

某8m装配式简支实心板桥，横向由12片板组成，单片梁板宽1m，梁高38cm，桥面净宽度11m，设计2车道，公路Ⅰ级荷载，横截面布置如图2所示，单车道汽车偏载和中载布置如图3、图4所示。

图2 实心板横截面布置图（单位：cm）

图3 汽车偏载布置示意图（单位：cm）

图4 汽车中载布置示意图（单位：cm）

3.2 铰接板梁法

采用现浇混凝土纵向企口缝连接的装配式板桥，各片板间横向具有一定的连接构造，但其横向连接刚度又比较薄弱[4-5]。在车轮荷载作用下，其受力状态与数根并列横向相互铰接的板梁比较接近，通常采用铰接板梁法计算这类桥梁的荷载横向分布系数。

3.3 有限元梁格法

采用有限元软件MIDAS/Civil建立空间有限元梁格模型，如图5所示。该模型采用纵向梁单元模拟主梁，横向梁单元模拟主梁间的横向连接，横梁的厚薄反映了主梁间的横向连接性能[6]。有限元梁格法可直接得到车辆荷载作用下，各片梁的内力分布情况及挠度值，由各板挠度值占所有板挠度值之和的百分比，反算得到各板荷载横向分布系数。

图5 MIDAS/Civil有限元模型

3.4 荷载横向分布分析

分别采用铰接板梁法及梁格法计算铰缝完好状态下的荷载横向分布系数，铰缝完好时有限元梁格模型中横梁的厚度取铰接板厚为38cm，结果如表1和图6所示。

表1 荷载横向分布系数计算结果（铰缝完好）

图6 横向分布系数对比图（铰缝完好）

由表1和图6可以看出，铰缝完好时采用梁格法与采用铰接板法计算得到的荷载横向分布规律一致，铰缝完好时，荷载作用于某桥面板时，相邻桥面板会一起承担荷载。

铰缝是否完好是桥梁上部结构横向传力的关键，当铰缝破坏后，荷载作用侧板梁承担的荷载增大，远离荷载作用侧板梁所承担的荷载将减小。通过改变有限元梁格模型中横梁的厚度来模拟铰缝不同的损伤状态，即铰缝完好、铰缝破损25%、铰缝破损50%、铰缝破损75%、铰缝完全破损5种状态，分析各板横向分布系数的变化。结果如表2、表3、图7、图8所示。

表2 偏载作用下不同铰缝破损度的荷载横向分布系数

表3 正载作用下不同铰缝破损度的荷载横向分布系数

图7 横向分布系数对比图（偏载）

图8 横向分布系数对比图（正载）

由上述图表可以看出，随着铰缝破损程度的加深，铰缝传递剪力的能力逐渐减弱，荷载作用位置处的横向分布系数不断增大，远离荷载作用位置处的横向分布系数不断减小。当铰缝完全破损，荷载横向分布系数为0.5，荷载全部由车轮作用位置处的桥面板承担。

4 结束语

本文通过空间有限元梁格模型对不同铰缝破损程度的铰接板梁荷载横向分布系数进行对比分析，结果表明：

（1）当铰缝完好时，可采用梁格法与用铰接板法计算铰接板桥的荷载横向分布系数。

（2）铰缝破损程度影响荷载横向传递能力，随着破损程度的加深，桥梁的整体性变差，荷载作用位置处梁板的荷载横向分布系数增大。铰缝完全破坏时，车辆荷载全部由车轮作用位置的梁板承担，该片梁处于极其不利的受力状态，甚至不能满足其承载能力要求，带来安全隐患。