支座脫空狀態(tài)下鋼筋混凝土空心板橋面形態(tài)變化研究

衛(wèi)高紅

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

引言

作為橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)重要的傳力連接構(gòu)件，橋梁支座可將上部結(jié)構(gòu)所受荷載與形變傳遞至下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)，因此其質(zhì)量及工作狀態(tài)的優(yōu)劣將直接決定結(jié)構(gòu)的使用壽命與運(yùn)營安全[1]。但在設(shè)計(jì)過程中支座布置形式考慮不周、施工過程中支座安裝質(zhì)量控制不足以及后期養(yǎng)護(hù)過程中橋梁結(jié)構(gòu)的超限運(yùn)營均可使支座產(chǎn)生一定程度的病害，最終導(dǎo)致支撐剛度不足而發(fā)生脫空現(xiàn)象[2]。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)橋梁支座是否脫空便具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)及工程應(yīng)用價(jià)值。徐忠陽[3]在橋梁施工時(shí)通過提前在支座位置處安裝壓力傳感器以進(jìn)行損傷識(shí)別，但針對(duì)在役橋梁需進(jìn)行支座位置處的頂升安裝；周偉[4]結(jié)合一種可伸縮的變焦攝像機(jī)與數(shù)碼攝像技術(shù)提出一種支座觀測儀裝置，進(jìn)而完成對(duì)橋梁支座的日常監(jiān)測，然而在安裝攝像頭時(shí)存在一定困難；梁棟[5]通過理論與試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)支座處的高斯曲率模態(tài)相關(guān)性系數(shù)與支座損傷位置與程度存在一定關(guān)聯(lián)；喬振[6]以橋梁的固有頻率變化率作為支座的損傷識(shí)別指標(biāo)，但該指標(biāo)對(duì)小損傷的識(shí)別準(zhǔn)確率較低；戰(zhàn)家旺[7]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于沖擊荷載下的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)受沖擊點(diǎn)位置的影響較大。

為研究支座脫空與橋面形態(tài)特征（邊梁、中梁及跨中截面）變化之間的一般關(guān)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(xì)化實(shí)體模型，同時(shí)進(jìn)行不同支座脫空工況的影響因素研究，從而為支座脫空識(shí)別提供一種新判斷準(zhǔn)則。

1 空心板橋概況

由于現(xiàn)役橋梁中鋼筋混凝土梁橋數(shù)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(duì)象以滿足實(shí)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(duì)不同工況的支座損傷反應(yīng)更敏感且更易研究。鋼筋混凝土空心板橋橫斷面構(gòu)造形式見圖1。

圖1 空心板橋橫斷面構(gòu)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(hù)欄）+10.5 m（行車道）+0.5 m（護(hù)欄）=11.5 m。其混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C50，鋼筋型號(hào)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(gòu)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(gòu)造（mm）

圖3 中梁構(gòu)造（mm）

2 數(shù)值化模擬

2.1 空心板橋模型

為分析橫橋向不同支座狀態(tài)變化對(duì)橋梁的特征形態(tài)影響，利用數(shù)值化分析軟件分別建立空心板橋精細(xì)化實(shí)體模型。該模型中混凝土與鋼筋材料的相關(guān)參數(shù)見表1，建模過程中混凝土與鋼筋實(shí)體單元分別采用C3D8R與T31類型，利用Embedded模塊以實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間黏結(jié)作用；網(wǎng)格劃分過程中分別利用0.5 m單元尺寸進(jìn)行梁體的自由網(wǎng)格劃分，采用0.1 m的單元尺寸進(jìn)行濕接縫的映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的模型共有565 490個(gè)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(gè)截面，見圖5。模型中X坐標(biāo)軸為橫橋向，Y坐標(biāo)軸為豎向，Z坐標(biāo)軸為縱橋向方向。

表1 模型材料參數(shù)

圖4 空心板橋網(wǎng)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(dòng)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(jìn)行支座映射網(wǎng)格劃分，其支座編號(hào)見圖6。

圖6 空心板橋支座編號(hào)

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(tài)之間的關(guān)系，選取4種橋梁支座脫空工況以分析單、多支座脫空狀態(tài)對(duì)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(jì)算空心板在無支座脫空情況下的撓度變形，通過此撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)不同形式支座脫空的形態(tài)對(duì)比來測試橋梁支座脫空與撓度之間的一般關(guān)系。

3 結(jié)果分析

在進(jìn)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(shù)據(jù)，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(tài)變化主要取決于各橋面位置剛度大小，對(duì)比正常工作與脫空狀態(tài)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(huì)產(chǎn)生較大剛度。正常工作狀態(tài)下橋面形態(tài)變化規(guī)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(tài)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(shí)的撓度進(jìn)行比較，結(jié)果見圖8～圖10?？芍?，針對(duì)工況1中無支座脫空時(shí)的橋面形態(tài)，其邊梁與中梁的撓度值曲線變化相對(duì)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(guān)于跨中截面對(duì)稱。在三種不同單、多支座脫空工況狀態(tài)下（工況2～工況4），其對(duì)應(yīng)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(shí)其整體撓度變形隨著單邊支座脫空數(shù)量的增多而加大；若局部區(qū)域支座脫空數(shù)量越多，則剛度折減越大，該區(qū)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(duì)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(xiàn)單個(gè)或多個(gè)的支座脫空現(xiàn)象，其對(duì)跨中截面的撓度變形影響都比較大，但是對(duì)邊梁和中梁沿縱橋向的撓度變化，僅在跨中區(qū)段有較大的影響，而在其他區(qū)域影響較小。

對(duì)20 m跨徑空心板橋的數(shù)值化分析可知：不同種類的支座脫空工況會(huì)導(dǎo)致橋梁形態(tài)特征的不同變化，且其跨中截面與臨近區(qū)域的變化程度會(huì)隨著支座脫空數(shù)量的增多而加深，但對(duì)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(shè)置了支座脫空的數(shù)量參數(shù)，因此可認(rèn)為該橋面形態(tài)的變化與支座脫空具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。至于支座脫空形式和數(shù)量與撓度值變化量之間具體關(guān)系還有待進(jìn)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(jié)語

（1）空心板橋面的形態(tài)變化與支座脫空存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同形式的支座脫空會(huì)導(dǎo)致橋面形態(tài)的變化；（2）支座脫空對(duì)空心板橋跨中截面的撓度影響較大，但對(duì)邊梁與中梁沿縱橋向撓度變化影響較??；（3）空心板橋的整體撓度變形與支座位置處的局部區(qū)域位移會(huì)隨著支座脫空數(shù)量增多而加大，說明支座脫空會(huì)對(duì)空心板橋的整體及局部區(qū)域進(jìn)行剛度折減。