裝配式空心板橋鉸縫承載力快速測定方法

陳記豪 郭明臻 裴松偉 錢曉軍

摘 要：裝配式空心板橋是中小跨徑橋梁的常用橋型，鉸縫是該類橋的核心組成部分。本文對鉸縫傳力性能及其承載力相關研究進行了系統總結，在此基礎上提出了一種裝配式空心板橋鉸縫承載力的評定方法。試驗結果表明，其測試結果具有一定的可信性。該方法簡單易行，傳力機理明確，成本較低，為鉸縫承載力快速檢測和鉸縫傳力機理相關研究提供了一種新的方法。

關鍵詞：空心板橋;鉸縫;承載力

中圖分類號：U441文獻標識碼：A文章編號：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橋具有結構簡單、現場濕作業少、施工速度快和造價低廉等優勢，是應用最廣泛的一種橋型[1-4]。據不完全統計，我國50%以上的中小跨徑梁式橋是空心板橋[5]。鉸縫沿橋跨方向將各片空心板連成整體，進而實現協同工作，因而鉸縫是空心板橋的關鍵構件。鉸縫主要用于承受豎向剪力作用，鉸縫主要形式如圖1和圖2所示。室內模型試驗[6-7]和現場原型試驗[8]均表明，車輛荷載作用下，空心板與鉸縫結合面首先出現裂縫、鉸縫破壞，其先于空心板，鉸縫耐用性差是該類橋的一個薄弱點，這在一定程度上限制了該類橋的應用[9]。鉸縫性能及其承載力是裝配式空心板橋的核心問題，因此有必要開展鉸縫傳力及承載力性能相關研究，從根本上解決該類橋梁耐用性差的問題。

1 鉸縫傳力理論分析

在國外，20世紀80年代，有研究將多梁式橋等效為正交異性板，分析了鉸縫豎向剪力，并提出了在AASHTO（美國各州橋梁與運輸工作者協會）和OHBDC（加拿大安大略省公路橋梁規范）車輛荷載作用下寬度為7.5～15.0 m的多梁式橋鉸縫最大剪力的簡化計算方法[10-11]。該方法被加拿大相關橋梁設計規范采納[12]，不列顛哥倫比亞省林業部在此基礎上對寬度在5.5 m以下的鉸接板橋橫向剪力進行研究，然后給出了相應計算公式[13]。正交異性板理論所得鉸縫豎向剪力值由縱梁力學特性決定，而與鉸縫的形式無關，其實質是分析鉸縫需要傳遞的剪力大小。Kaneko等[14-15]根據斷裂力學原理，分析了圖2（b）所示鉸縫的破壞機理和抗剪強度計算公式。

在國內，20世紀50年代，通過模型試驗和力學分析，人們探索出鉸縫受力分析的兩種基本方法：鉸接板（梁）法和剛接板（梁）法[10，16]。前者僅考慮豎向剪力，后者考慮豎向剪力和彎矩共同作用。一般認為，鉸縫破壞屬于混凝土剪切破壞，采用《公路圬工橋涵設計規范》（JTG D61—2005）[17]第4.0.13條款，并偏于保守地將鉸縫混凝土視為素混凝土，驗算鉸縫是否安全。基于該理論，較小的鉸縫可傳遞較大的剪力而不破壞，故鉸縫被視為一種構造縫，該觀點一直延續至今，至今有關規范尚未對其設計和構造做出專門要求，設計人員一般按照標準圖集選擇鉸縫形式和構造鋼筋。然而，在實際工程中，鉸縫是該類橋梁上部結構的薄弱環節，鉸縫普遍存在裂縫、滲漏、泛白和脫落等病害，甚至出現了單板受力。從20世紀80年代到90年代，研究人員重點研究了鉸縫的豎向剪力最大值的計算方法。席振坤[18]和王剛[19]等嘗試分析鉸接板理論計算所得鉸縫豎向剪力值的誤差，并探索改進計算精度的方法，但效果不甚理想。葉見曙等結合我國工程實際，基于正交異性板理論，建立了空心板橋鉸縫豎向剪力最大值的理論計算方法[20]。

實際上，這兩種方法主要用于分析縱梁橫向連接后所承受的荷載大小，并獲得鉸縫傳遞的荷載值。該方法所得鉸縫受力大小僅與縱梁力學特性（截面剛度）有關，而與鉸縫截面形式和尺寸無關，因而其實質是分析鉸縫傳遞的荷載值大小，難以獲得鉸縫本身的受力特性。

2 鉸縫傳力數值仿真分析

國內外學者對鉸縫受力性能開展了數值仿真分析。數值仿真分析的核心問題是鉸縫單元與空心板單元如何連接。目前有三種處理方式，即直接共節點、接觸分析和加連接單元法。一般采用共節點進行分析。Badwan等[21]建立了上部結構三維有限元模型，分析了車輛荷載下鉸縫的受力性能;Lee等[22]建立了鉸縫局部二維有限元模型，分析了鉸縫形狀、數量和尺寸對鉸縫連接性能的影響;Mostafa[23]分析了鉸縫的受力情況;Fu等[24]建立了上部結構三維有限元模型，鉸縫與縱梁間采用接觸單元，其分析了橫向預應力對鉸縫應力的影響。劉沛林等[25]和衛軍等[26]采用接觸單元分別分析了淺鉸縫和受腐蝕深鉸縫受力特性及應力分布。吳慶雄等[6]采用接觸單元分析了一座由3塊空心板組成的跨度8 m的空心板組成的空心板橋破壞過程，并與試驗進行了對比。陳悅馳等[27]采用加連接單元的方法，分析了一座由3塊空心板組成的跨度8 m的空心板組成的空心板橋破壞過程。

直接共節點難以模擬鉸縫的整個受力過程，接觸條件和參數選取對結果影響較大，但尚未有文獻系統討論其如何選取，也缺乏與試驗的比對分析[25，28]。加連接單元是采用彈簧單元將鉸縫單元和縱梁單元連接起來，該方法與模型試驗結果吻合度高[6，27]，不過，彈簧單元參數如何選取仍未見文獻報道。另外，這些仿真分析的側重點是研究鉸縫受力性能，而非鉸縫傳力機理。

3 鉸縫傳力試驗研究

國外對圖2所示鉸縫抗剪、抗彎和抗拉進行了系統試驗，對鉸縫形式和材料對其受力性能的影響也進行了研究。Issa等[29]通過鉸縫節點試件的抗剪、受拉和抗彎試驗，綜合比較了不同材料鉸縫的性能差異。Hanna[30]采用2.44 m長的箱梁段，測試了兩種鉸縫在疲勞荷載和靜載下的受力特性及極限承載力。Huckelbridge等[31]針對5座實橋進行了6次現場試驗，發現豎向相對位移差值超過0.5 mm時，鉸縫開裂。Miller等[32]采用4塊22.9 m長的箱梁組合成足尺寸橋，研究了鉸縫形式及材料對其受力性能的影響;Gulyas等[33]采用鉸縫節點試件，對比了鉸縫材料分別為無收縮砂漿和Mg-HH4-PO4復合砂漿時鉸縫抗剪試件的抗拉、豎向抗剪和縱向抗剪破壞特征及承載力大小，結果表明，復合砂漿的綜合性能遠超無收縮砂漿。Roberts[34]和Wells[35]采用局部節段試件分別研究了靜載下橫向預應力的施加方式、曲線預應力筋等對鉸縫受力性能的影響。Graybeal等[36]采用局部節段試件，研究了鉸縫材料為超高性能混凝土時鉸縫配筋方式、鋼筋種類和形狀對傳力性能的影響。Zhu等[37]采用局部節段試件，研究了灌縫材料為高性能混凝土、U形鋼筋搭接時鉸縫在靜載、疲勞荷載下的力學性能。有研究采用局部節段試件，分析了采用大端頭鋼筋連接的鉸縫的力學性能[38-39]。

國內主要集中于損傷識別評定和鉸縫抗剪性能的研究。周正茂等[40]通過上海市多座空心板橋檢測數據，提出了一種根據相鄰板撓度差判斷鉸縫受力情況的方法。衛軍等[41]以撓度差為標準，對受腐蝕后鉸縫的傳力性能進行了評價。王鐵成等[42]通過模型試驗，根據撓度分布情況比較了三種鉸縫傳遞荷載的能力。長安大學進行了比例模型試驗[43-44]，基于橫向應變和撓度測試結果探討了鉸縫應力和剪力傳遞。陳寶春進行了足尺寸模型試驗，基于鉸縫應變及板撓度等參數探討了鉸縫破壞模式[7]。葉見曙等和韓根生等[45-46]通過節點試驗比較了鉸縫剪力。邱志雄等[47]采用橫斷面足尺寸、跨度為2 m的局部階段模型，基于應變和撓度，探討了鉸縫形式及鋪裝厚度對鉸縫受力的影響。

因而，國外針對圖2所示鉸縫形式分別開展了純剪切、純彎曲和彎剪復合狀態下的鉸縫受力特性研究，同時也進行了足尺寸試驗，試驗研究較為系統;國內現場試驗較多，節點試驗偏少且以純剪切為主[8，45]，僅長安大學進行了節點純剪切疲勞試驗[44]，福州大學開展了足尺寸整橋試驗[6-7]。

4 鉸縫承載力快速測定方法

國外針對圖2所示的鉸縫形式，從理論到試驗系統地研究了鉸縫填充材料、形式和預應力等對鉸縫傳力性能的影響。在此基礎上，采用變換鉸縫材料、增大鋪裝厚度和橫向預應力等新技術，基本解決了鉸縫易損壞的問題[48]。模型試驗[44]和工程實踐[7，49]表明，我國鉸縫在實際工程中仍然存在耐用性差的問題。雖然國外研究比較成熟，但其鉸縫形式與我國不同，不能直接套用。

鉸縫節點試驗難以考慮彎矩的影響，足尺寸整橋試驗和局部節段試驗體量較大，也難以進行疲勞試驗，當前迫切需要創新試驗手段和測試手段。研究表明，鉸縫傳力具有明顯的局部性[6，7，9，27，29，31，35，36，50]：荷載作用于縱梁時，橫向上，該縱梁兩側的鉸縫受力最大，其余鉸縫受力較小;縱向上，荷載作用位置處鉸縫受力最大，其余位置均較小，基本可以忽略。因而，人們可以在荷載作用處沿橋跨縱向取較小的一段鉸縫和縱梁，研究鉸縫的受力性能。鉸縫主要受剪力和橫向彎矩的作用，可采用普通矩形梁代替原縱梁，這就相當于在普通梁跨中設置一個鉸縫連接，鉸縫的受力狀態與其在原橋中的受力狀態基本一致，這里稱該試驗方法為帶鉸縫梁式試驗。基于此，筆者提出了“一種空心板橋鉸縫承載力測試試件及制作方法和測試方法”的發明專利（201610219969.7）[51]，已于2019年獲得授權。該方法體量適中，可方便地進行疲勞試驗。

基于文獻[51]，設計并綁扎梁段鋼筋，澆注梁段混凝土[見圖3（a）]，養護28 d后澆注鉸縫混凝土，形成一根帶鉸縫的混凝土梁，再養護28 d后，實施靜載試驗[見圖3（b）]。試驗結果表明，鉸縫高度480 mm的門式鋼筋鉸縫的開裂荷載為65 kN，通縫荷載為140 kN，這與文獻[7]足尺寸模型試驗所得開裂與通縫荷載分別為70 kN和140 kN基本一致，證明本文所提鉸縫承載力測定方法所得結果是可信的。

5 結論

本文系統總結了鉸縫傳力性能與承載力測定方面的研究成果。常用的正交異性板、鉸接板（梁）和剛接板（梁）理論僅能分析鉸縫傳遞的荷載大小，難以獲得鉸縫自身的傳力特性。有限元分析中，空心板與鉸縫之間的粘接模擬尚未形成一致意見。試驗是鉸縫傳力性能與承載力測定的最有效手段，然而，足尺寸試驗體量偏大，不易實施且成本較高，周期偏長。本文提出了一種裝配式空心板橋鉸縫承載力的評定方法，試驗結果表明，其測試結果具有一定的可信性，該方法簡單易行，傳力機理明確，成本較低，為鉸縫承載力快速檢測和鉸縫傳力機理相關研究提供了一種新的方法。

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