空心板荷載橫向分布影響因素分析

李駿

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)合肥有限公司 安徽 合肥 230001

引言

空心板是中小跨徑常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)計(jì)算過程中一般偏保守考慮忽略橋面鋪裝對(duì)主梁剛度的貢獻(xiàn)，但實(shí)際工程中橋面鋪裝和空心板主梁作為疊合構(gòu)件共同受力，因此，其對(duì)主梁承載力具有一定的貢獻(xiàn)?？招陌灏彘g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(lái)，大量研究表明，空心板設(shè)計(jì)及老橋病害處理中不僅要加強(qiáng)鉸縫連接，加強(qiáng)橋面鋪裝的整體性對(duì)板梁整體受力更加重要。下文結(jié)合工程實(shí)例，從計(jì)算理論及有限元法兩個(gè)角度分析橋面鋪裝及鉸縫對(duì)板梁荷載橫向分布的影響[1]。

1 工程概述

圖1為一孔標(biāo)準(zhǔn)跨徑13m空心板橋標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)澆縱向企口縫橫向達(dá)到連接各板的作用，這種連接可以使各梁板形成一個(gè)整體而不是單獨(dú)受力，但是其剛度不高，計(jì)算中僅考慮其傳遞剪力的作用，對(duì)傳遞彎矩沒有貢獻(xiàn)[2]。

N片板梁通過鉸縫連接成整體，計(jì)算模型為N-1次超靜定問題，可以利用鉸縫處兩梁板相對(duì)豎向位移為零這一變形協(xié)調(diào)條件得到各縫鉸接力，進(jìn)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(duì)板梁受力的貢獻(xiàn)，由于橋面鋪裝為整體澆筑，固認(rèn)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(gè)豎向力考慮，其余計(jì)算理論均可以參考剛接板梁法。

圖2 剛接板梁法計(jì)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?jiǎn)卧M主梁及板間鉸縫，其中鉸縫連接通過釋放梁端彎矩約束來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(shù)計(jì)算

3.1 不考慮橋面鋪裝計(jì)算結(jié)果

3.1.1 鉸接板梁法理論計(jì)算結(jié)果

3.1.2 不考慮橋面鋪裝有限元軟件計(jì)算結(jié)果

對(duì)比表1、表2不難發(fā)現(xiàn)，鉸接板梁法理論計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算得到的結(jié)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(shù)值

表2 有限元法 各梁板橫向影響線數(shù)值

3.2 考慮橋面鋪裝計(jì)算結(jié)果

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

表3 有限元法 各梁板橫向影響線數(shù)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(shù)（如下表4所示）。

表4 有限元法 兩種工況橫向分布系數(shù)對(duì)比

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

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

表5 有限元法與剛接板梁法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表5中計(jì)算方法1為剛接板梁法，方法2為有限元法，對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩種方法計(jì)算結(jié)果接近，這說明考慮了橋面鋪裝效應(yīng)的有限元法模型是合理的。

4 鋪裝厚度對(duì)荷載橫向分布的影響

為了反應(yīng)鋪裝厚度對(duì)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(jì)算得到上述例題1號(hào)梁板橫向分布影響線相對(duì)數(shù)值，如下圖所示：

由圖3可以看出，1號(hào)梁板橫向影響線隨著鋪裝厚的增加有變緩的趨勢(shì)，說明適當(dāng)增加橋面鋪裝厚度，可以減小梁板的橫向分布系數(shù)，增大梁板的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備[6]。

圖3 不同鋪裝厚度橫向影響線數(shù)值對(duì)比圖

5 鉸縫破壞狀態(tài)下受力分析

空心板鉸縫處往往是整個(gè)結(jié)構(gòu)最為薄弱的部分，會(huì)在運(yùn)營(yíng)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(fā)生破壞。若不考慮橋面鋪裝的剛度貢獻(xiàn)，空心板鉸縫破壞后，原多片梁板共同受力轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹邯?dú)立受力模式。但是，實(shí)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(xiàn)取橋面鋪裝厚度15cm進(jìn)行計(jì)算，考慮如下兩種工況：

工況1：6號(hào)、7號(hào)鉸縫破壞后與橋面鋪裝共同受力，計(jì)算結(jié)果見表6；

表6 工況1各梁板橫向分布系數(shù)

工況2：4、5、6號(hào)鉸縫破壞后與橋面鋪裝共同受力，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 工況2各梁板橫向分布系數(shù)

上述鉸縫按照標(biāo)準(zhǔn)斷面從左至右依次編號(hào)。

表6、表7均列出了不考慮橋面鋪裝，空心板鉸縫完好時(shí)各梁板橫向分布系數(shù)，通過對(duì)比可知當(dāng)考慮橋面鋪裝效應(yīng)，空心板鉸縫局部破壞時(shí)各板梁橫向分布系數(shù)并沒有發(fā)生突變，說明鉸縫破壞后，由于橋面鋪裝的貢獻(xiàn)，各梁板仍能共同承擔(dān)荷載且各梁板橫向分布系數(shù)仍然滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過梁板橫向分布影響數(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)使得各梁板橫向分布系數(shù)有所降低。

在一定范圍內(nèi)，隨著鋪裝厚度的增加各梁板橫向分布系數(shù)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(xiàn)，各梁板橫向分布系數(shù)沒有發(fā)生突變，仍然滿足設(shè)計(jì)要求。