空心梁板橋梁快速檢測方法研究及效果分析

張新強，瞿路佳

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

1 前言

空梁板橋由于造價低廉、施工方便、工期短（可預(yù)先預(yù)制、就地裝配）在我國低端鄉(xiāng)村道路上得到了普遍的使用。根據(jù)數(shù)據(jù)，在2017年全國新建成的大橋中，使用中空梁板橋的數(shù)目為176.2000 個，這是一個非常大的數(shù)字。中空梁板橋在水平方向上存在著很大的側(cè)向應(yīng)力，因此很容易出現(xiàn)鉸縫開裂、滲水等不良現(xiàn)象（見1)，鉸鏈?zhǔn)墙M裝中空板橋的重要構(gòu)件，它與橋面鋪裝層一起承擔(dān)橫向荷載，從而形成一個統(tǒng)一的受力體系。當(dāng)鉸鏈發(fā)生損壞時，將會對上部構(gòu)件的各板梁的水平傳遞產(chǎn)生直接的作用，從而導(dǎo)致整體的受力失效，甚至?xí)a(chǎn)生“單板受力”，從而對結(jié)構(gòu)的安全性和工作能力產(chǎn)生不利的影響。所以，根據(jù)中空梁板式結(jié)構(gòu)特點，建立一套適合于施工特點的快速測試技術(shù)，以保證其運行的穩(wěn)定性和節(jié)省測試成本；

圖1 空心梁板橋梁出現(xiàn)裂縫損害

2 空心梁板整體性快速檢測方法分析

2.1 空心梁板受力特性

在我國的大跨度、大跨度的大跨度橋梁上，普遍使用預(yù)制混凝土空心板梁橋。這種形式的橋的力學(xué)原則是比較簡單的：由不同的板和梁構(gòu)成的不同的構(gòu)件通過水平的組合而構(gòu)成一個完整的整體。橋梁載荷作用于車輛平板時，由板梁間的鉸接處的水平方向傳遞載荷，使其在不同的板梁處得到平均分布，使其得到總體的受力。所以，本文重點分析了中空板梁橋的荷載水平分配規(guī)律。在實際的橋梁工程中，由于結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的差異，其橫向聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)也各有差異。所以，要更精確地求出各種結(jié)構(gòu)的側(cè)向載荷，就必須建立適合這種特點的簡化計算模式。

這種板形構(gòu)件受力狀況類似于幾塊平行的、橫向鉸鏈的扁平平板，盡管它們之間有一定的橫向聯(lián)系，但它們的剛度要比剛性的構(gòu)件要差得多。在載荷 P 的作用下，板件會發(fā)生垂直的下彎矩。但是，由于接縫處的出現(xiàn)，導(dǎo)致了不同的板梁會在同一時間受到應(yīng)力，從而產(chǎn)生對應(yīng)的垂直彎曲。在連接接頭中，一般會有垂直向剪力 g（x）、橫向彎矩 m （x）、縱向剪切力 t （x）和法向力 n （x）。而對橋面產(chǎn)生的載荷一般都是通過汽車來完成的，垂直方向的剪切應(yīng)力 g （x）對橋面的影響更為明顯；而在垂直方向上，垂直剪切力 t （x）和法向作用力 n （x）的作用相對較小。此外，由于連結(jié)部位結(jié)構(gòu)的剛性很低，一般將各板和梁視為鉸鏈，所以對承載力的傳遞幾乎沒有什么影響。因此，當(dāng)使用連接板方法進(jìn)行分析時，往往假定垂直加載時，每個板之間只有垂直剪切應(yīng)力 g （x）的傳輸，無水平反向的變化。

圖2 空心梁板橋梁受力示意圖

2.2 檢測方法分析

為了精確研究實例對象，對分析單元進(jìn)行拆分。以實例對象的橋軸線為基本軸，將實例對象拆分成左右對稱的多個單元體，每個單元體長度相同，均記錄為d。每個單元體的編號也以中軸線為終點，向兩側(cè)順序編號。在橋梁橫向應(yīng)力整體性分布良好時，集中應(yīng)力作用在對稱點（如1 點與'1 點）時，兩側(cè)邊板處產(chǎn)生的位移值差（即集中應(yīng)力作用在1 點時左側(cè)邊板處位移值－即集中應(yīng)力作用在'1 點時右側(cè)邊板處位移值，記為?x）近似于0。若?x值與0 差距較大（臨界值為±0.1m），則可認(rèn)為該對稱點出現(xiàn)鉸縫破壞（位移值值大的點為破壞點）。

圖3 橋梁研究單元虛擬分割及損傷分析

2.3 檢測步驟

本文從試驗方法的基本原則出發(fā)，結(jié)合多年的實際工作，歸納出了中空梁的整體性能快速測試程序：

（1）對被測橋梁的具體狀況進(jìn)行調(diào)查，確定應(yīng)檢查的合頁的定位；

（2）距離步長 d 由下列原理進(jìn)行組合；①可以通過橋梁的長度和每一時刻的加載力的移動速率進(jìn)行整除；②隨著間距的減小，計算工作量增加，需要同時兼顧運算力和計算時間；

（3）按照2.1 節(jié)的程序，增加一個活動負(fù)載（通常是車輛），并且從橋梁的一頭逐步地移到另外一頭，并且在運動期間將測定結(jié)果進(jìn)行記錄；

（4）按照2.1 部分的程序，對發(fā)生的部位和發(fā)生的時刻進(jìn)行探測。

3 實例工程應(yīng)用分析

選擇江蘇鹽城某小型公路實例橋梁進(jìn)行檢測分析，主橋采用C40 混凝土澆筑，橋梁截面布置見圖4。

圖4 橋梁截面尺寸示意圖

采用三維有限元分析軟件（ANSYS）進(jìn)行建模計算，為保證計算精度，按照下圖對橋梁整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；網(wǎng)格間距原則上取0.5m，局部復(fù)雜區(qū)域加密至0.2～0.3m。模型建好后，共有1325 個網(wǎng)格和2240個網(wǎng)格節(jié)點。

在實驗的基礎(chǔ)上，分析了在荷載作用下，兩邊的邊板相對位移的變化規(guī)律：

（1）1～4 個工作點為全無害帶，1～4 個載荷和它們的對稱性位置分別為0。

（2）當(dāng)5 個工作點時，相對位移量的變化幅度較小，故將4～5 稱為過渡區(qū)。

（3）在5～10 之間，各影響區(qū)的相對位移量有明顯差異。

（4）10～11 點的作用點，其相對位移量再一次減小。遠(yuǎn)離損傷區(qū).

（5）因為左邊的面板的相對移動都比右邊的面板要大，所以可以看出，在5 到10 （在圖5中用紅色標(biāo)記的區(qū)域表示）的橋損區(qū)。

圖5 實例橋梁工程三維有限元模型示意圖

圖6 實例橋梁工程虛擬節(jié)點劃分示意圖

結(jié)果表明：車輛荷載作用下，主梁的最大變形量約為-15.0 毫米，比最大跨中允許的-33.0 毫米要小。在荷載作用下，變形量可以逐步反彈，但反彈的幅度很小，說明實際施工中的橋面有不同的破壞；然而，現(xiàn)有的橋面仍能正常運行，對其進(jìn)行維修加固處理，確保其運行的安全性。

表1 荷載移動過程中兩側(cè)邊板相對位移值變化過程

圖7 實例橋梁工程相對位移差變化過程

圖8 加載過程中橋梁撓度曲線變化

4 結(jié)論

分析總結(jié)了中空板梁橋的結(jié)構(gòu)特點和破壞機理，提出了一種以水平分布效應(yīng)線為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)整體水平測試法，并利用空間有限元數(shù)值計算的方法，對其進(jìn)行了數(shù)值仿真；本文從荷載作用下，從橫向偏移的角度，對橋梁的損傷進(jìn)行了研究。最后，以江蘇鹽城一座小規(guī)模的道路工程為例，采用有限元仿真方法，對該工程的總體性能進(jìn)行了仿真計算；通過實例分析，發(fā)現(xiàn)5～10 號節(jié)點出現(xiàn)了明顯的結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象。

該成果對我國小規(guī)模高速公路橋梁的快速測試工作有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。