支座脫空狀態下鋼筋混凝土空心板橋面形態變化研究

衛高紅

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

作為橋梁上部結構與下部結構重要的傳力連接構件，橋梁支座可將上部結構所受荷載與形變傳遞至下部結構與基礎，因此其質量及工作狀態的優劣將直接決定結構的使用壽命與運營安全[1]。但在設計過程中支座布置形式考慮不周、施工過程中支座安裝質量控制不足以及后期養護過程中橋梁結構的超限運營均可使支座產生一定程度的病害，最終導致支撐剛度不足而發生脫空現象[2]。因此，及時發現目標橋梁支座是否脫空便具有顯著的社會經濟效應及工程應用價值。徐忠陽[3]在橋梁施工時通過提前在支座位置處安裝壓力傳感器以進行損傷識別，但針對在役橋梁需進行支座位置處的頂升安裝；周偉[4]結合一種可伸縮的變焦攝像機與數碼攝像技術提出一種支座觀測儀裝置，進而完成對橋梁支座的日常監測，然而在安裝攝像頭時存在一定困難；梁棟[5]通過理論與試驗分析發現支座處的高斯曲率模態相關性系數與支座損傷位置與程度存在一定關聯；喬振[6]以橋梁的固有頻率變化率作為支座的損傷識別指標，但該指標對小損傷的識別準確率較低；戰家旺[7]通過實驗發現基于沖擊荷載下的時域動力響應受沖擊點位置的影響較大。

為研究支座脫空與橋面形態特征（邊梁、中梁及跨中截面）變化之間的一般關系，利用有限元分析軟件建立了一座鋼筋混凝土空心板橋的精細化實體模型，同時進行不同支座脫空工況的影響因素研究，從而為支座脫空識別提供一種新判斷準則。

1 空心板橋概況

由于現役橋梁中鋼筋混凝土梁橋數量較多、占比較高且病害普遍，因此選取鋼筋混凝土空心板橋作為研究對象以滿足實用性與代表性；此外，相較于另兩種常見T型梁橋和裝配式箱梁橋，混凝土空心板橋剛度較小，對不同工況的支座損傷反應更敏感且更易研究。鋼筋混凝土空心板橋橫斷面構造形式見圖1。

圖1 空心板橋橫斷面構造（mm）

該橋全長20 m，橋梁單跨寬度為11.25 m，其橫向布置為0.5 m（護欄）+10.5 m（行車道）+0.5 m（護欄）=11.5 m。其混凝土強度標號為C50，鋼筋型號主要采用HRB335，橋面鋪裝采用瀝青混凝土，單幅主要由8塊中梁及2塊邊梁構成；其中各板厚950 mm，中梁頂板寬890 mm，邊梁頂板寬1 520 mm（C=625 mm）。邊梁與中梁斷面見圖2、圖3。

圖2 邊梁構造（mm）

圖3 中梁構造（mm）

2 數值化模擬

2.1 空心板橋模型

為分析橫橋向不同支座狀態變化對橋梁的特征形態影響，利用數值化分析軟件分別建立空心板橋精細化實體模型。該模型中混凝土與鋼筋材料的相關參數見表1，建模過程中混凝土與鋼筋實體單元分別采用C3D8R與T31類型，利用Embedded模塊以實現鋼筋與混凝土之間黏結作用；網格劃分過程中分別利用0.5 m單元尺寸進行梁體的自由網格劃分，采用0.1 m的單元尺寸進行濕接縫的映射網格劃分，網格劃分后的模型共有565 490個單元，見圖4。加載過程中荷載形式主要為大小為200 kN的集中荷載，其荷載位置縱向沿支座橫向中心線均分5個截面，見圖5。模型中X坐標軸為橫橋向，Y坐標軸為豎向，Z坐標軸為縱橋向方向。

表1 模型材料參數

圖4 空心板橋網格劃分

圖5 空心板橋荷載

該橋兩端分別為150 mm×150 mm×42 mm的固定板式橡膠支座與活動鉸支座，其彈性模量與泊松比取值分別為264.6 MPa與0.35，采用0.01 m的單元尺寸進行支座映射網格劃分，其支座編號見圖6。

圖6 空心板橋支座編號

2.2 支座脫空工況

為研究固定荷載作用下不同形式的支座脫空工況與橋梁特征形態之間的關系，選取4種橋梁支座脫空工況以分析單、多支座脫空狀態對邊梁、中梁及跨中截面的撓度影響。橋梁支座脫空工況見表2。

表2 支座脫空工況

表2工況1首先計算空心板在無支座脫空情況下的撓度變形，通過此撓度數據進行后續不同形式支座脫空的形態對比來測試橋梁支座脫空與撓度之間的一般關系。

3 結果分析

在進行不同支座脫空模擬后可獲取多種工況下空心板橋的橋面豎向形變數據，圖7為4種脫空工況下的撓度云。

圖7 不同支座脫空工況下橋面撓度云圖（mm）

荷載作用下橋梁的形態變化主要取決于各橋面位置剛度大小，對比正常工作與脫空狀態下兩種形式的支座可知脫空處橋面位移將增加，其主要因素在于支座截面位置處會產生較大剛度。正常工作狀態下橋面形態變化規律因支座的良好彈性特征而一致，因此不同支座脫空工況下其橋面形態必有差異。

將不同支座脫空下的邊梁、中梁及跨中截面的撓度值與無支座脫空時的撓度進行比較，結果見圖8～圖10。可知，針對工況1中無支座脫空時的橋面形態，其邊梁與中梁的撓度值曲線變化相對平滑且無突變，最大撓度值約為9 mm，主要原因在于橋面剛度分布較均勻，各支座處剛度關于跨中截面對稱。在三種不同單、多支座脫空工況狀態下（工況2～工況4），其對應位置處撓度變形與跨中截面的整體撓度變形所受影響均較大；同時其整體撓度變形隨著單邊支座脫空數量的增多而加大；若局部區域支座脫空數量越多，則剛度折減越大，該區域撓度值增加越多；但固定荷載作用下三種支座脫空工況對邊梁與中梁沿橋梁縱向整體撓度變形值影響不大。因此無論是出現單個或多個的支座脫空現象，其對跨中截面的撓度變形影響都比較大，但是對邊梁和中梁沿縱橋向的撓度變化，僅在跨中區段有較大的影響，而在其他區域影響較小。

對20 m跨徑空心板橋的數值化分析可知：不同種類的支座脫空工況會導致橋梁形態特征的不同變化，且其跨中截面與臨近區域的變化程度會隨著支座脫空數量的增多而加深，但對邊/中梁沿縱橋向的位移影響不大。以上四種工況的變量均只設置了支座脫空的數量參數，因此可認為該橋面形態的變化與支座脫空具有對應關系。至于支座脫空形式和數量與撓度值變化量之間具體關系還有待進一步研究。

圖8 不同支座脫空工況下邊梁撓度

圖9 不同支座脫空工況下中梁撓度

圖10 不同支座脫空工況下跨中截面撓度

4 結語

（1）空心板橋面的形態變化與支座脫空存在對應關系，不同形式的支座脫空會導致橋面形態的變化；（2）支座脫空對空心板橋跨中截面的撓度影響較大，但對邊梁與中梁沿縱橋向撓度變化影響較小；（3）空心板橋的整體撓度變形與支座位置處的局部區域位移會隨著支座脫空數量增多而加大，說明支座脫空會對空心板橋的整體及局部區域進行剛度折減。