空心板荷載橫向分布影響因素分析

李駿

中鐵上海設計院集團合肥有限公司 安徽 合肥 230001

引言

空心板是中小跨徑常規橋梁結構。設計計算過程中一般偏保守考慮忽略橋面鋪裝對主梁剛度的貢獻，但實際工程中橋面鋪裝和空心板主梁作為疊合構件共同受力，因此，其對主梁承載力具有一定的貢獻。空心板板間鉸縫失效往往是主梁破壞的最根本原因，維修加固的做法多為加大板間鉸縫。近年來，大量研究表明，空心板設計及老橋病害處理中不僅要加強鉸縫連接，加強橋面鋪裝的整體性對板梁整體受力更加重要。下文結合工程實例，從計算理論及有限元法兩個角度分析橋面鋪裝及鉸縫對板梁荷載橫向分布的影響[1]。

1 工程概述

圖1為一孔標準跨徑13m空心板橋標準橫斷面布置圖，橋面凈寬10.5m，橫向由9片板梁組成。

圖1 空心板橫向布置（單位：cm）

2 研究方法及基本假定

2.1 鉸接板梁法

空心板板間通過現澆縱向企口縫橫向達到連接各板的作用，這種連接可以使各梁板形成一個整體而不是單獨受力，但是其剛度不高，計算中僅考慮其傳遞剪力的作用，對傳遞彎矩沒有貢獻[2]。

N片板梁通過鉸縫連接成整體，計算模型為N-1次超靜定問題，可以利用鉸縫處兩梁板相對豎向位移為零這一變形協調條件得到各縫鉸接力，進而得到各梁板的橫向分布影響值[3]。

2.2 剛接板梁法

考慮橋面鋪裝對板梁受力的貢獻，由于橋面鋪裝為整體澆筑，固認為鋪裝為剛接體系，而梁板間為鉸接，鉸縫處需考慮板間豎向剪力、鋪裝層豎向剪力、鋪裝層橫向彎矩，這種受力模式與剛接板梁法類似。多出的板間豎向剪力可以與鋪裝層豎向剪力合為一個豎向力考慮，其余計算理論均可以參考剛接板梁法。

圖2 剛接板梁法計算圖示

2.3 有限元法

采用有限元軟件建立全橋的梁格模型，用梁單元模擬主梁及板間鉸縫，其中鉸縫連接通過釋放梁端彎矩約束來實現，用于模擬鉸縫僅傳遞豎向剪力。橋面鋪裝可以利用板單元模擬[4]。

3 橫向分布系數計算

3.1 不考慮橋面鋪裝計算結果

3.1.1 鉸接板梁法理論計算結果

3.1.2 不考慮橋面鋪裝有限元軟件計算結果

對比表1、表2不難發現，鉸接板梁法理論計算結果和有限元計算得到的結果非常接近，這說明有限元模型是合理的[5]。

表1 理論方法 各梁板橫向影響線數值

表2 有限元法 各梁板橫向影響線數值

3.2 考慮橋面鋪裝計算結果

3.2.1 考慮15cm橋面鋪裝，通過有限法計算得到的各梁板影響線數值如下表3。

表3 有限元法 各梁板橫向影響線數值

通過表2、表3可以得到，不考慮橋面鋪裝、考慮橋面鋪裝兩種工況下各梁板橫向分布系數（如下表4所示）。

表4 有限元法 兩種工況橫向分布系數對比

通過表4可以看出，考慮橋面鋪裝對橋梁受力的貢獻，各梁板橫向分布系數均有所下降，說明橋面鋪裝增大了橋梁的安全系數。

3.2.2 考慮橋面鋪裝的剛度貢獻，通過剛接板梁法理論計算上述例題中1號梁橫向分布影響線數值（如下表5所示）。

表5 有限元法與剛接板梁法計算結果對比

表5中計算方法1為剛接板梁法，方法2為有限元法，對比數據發現兩種方法計算結果接近，這說明考慮了橋面鋪裝效應的有限元法模型是合理的。

4 鋪裝厚度對荷載橫向分布的影響

為了反應鋪裝厚度對荷載橫向分布的影響，下面通過四種鋪裝厚度0cm、10cm、12cm、15cm，利用有限元法計算得到上述例題1號梁板橫向分布影響線相對數值，如下圖所示：

由圖3可以看出，1號梁板橫向影響線隨著鋪裝厚的增加有變緩的趨勢，說明適當增加橋面鋪裝厚度，可以減小梁板的橫向分布系數，增大梁板的結構安全儲備[6]。

圖3 不同鋪裝厚度橫向影響線數值對比圖

5 鉸縫破壞狀態下受力分析

空心板鉸縫處往往是整個結構最為薄弱的部分，會在運營過程中由于超重荷載的作用、橋面系破壞后滲水、鋼筋混凝土腐蝕等原因不斷地發生破壞。若不考慮橋面鋪裝的剛度貢獻，空心板鉸縫破壞后，原多片梁板共同受力轉變為單片梁獨立受力模式。但是，實際中鉸縫破壞后橋面鋪裝仍然將各梁板連接在一起，可以傳遞板間的彎矩和豎向力。

現取橋面鋪裝厚度15cm進行計算，考慮如下兩種工況：

工況1：6號、7號鉸縫破壞后與橋面鋪裝共同受力，計算結果見表6；

表6 工況1各梁板橫向分布系數

工況2：4、5、6號鉸縫破壞后與橋面鋪裝共同受力，計算結果見表7。

表7 工況2各梁板橫向分布系數

上述鉸縫按照標準斷面從左至右依次編號。

表6、表7均列出了不考慮橋面鋪裝，空心板鉸縫完好時各梁板橫向分布系數，通過對比可知當考慮橋面鋪裝效應，空心板鉸縫局部破壞時各板梁橫向分布系數并沒有發生突變，說明鉸縫破壞后，由于橋面鋪裝的貢獻，各梁板仍能共同承擔荷載且各梁板橫向分布系數仍然滿足設計要求[7]。

6 結束語

通過梁板橫向分布影響數值可以看出，橋面鋪裝有效地將各梁板連接在一起，其增加了空心板結構的整體性，使得荷載較為均勻的分配到各梁板。

橋面鋪裝的剛度貢獻使得各梁板橫向分布系數有所降低。

在一定范圍內，隨著鋪裝厚度的增加各梁板橫向分布系數隨之降低。

空心板鉸縫局部破壞后，由于橋面鋪裝的剛度貢獻，各梁板橫向分布系數沒有發生突變，仍然滿足設計要求。