劉旭政，郭 維，吳 剛，荊偉偉

（1. 華東交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2. 華東交通大學(xué)土木工程國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330013；3. 嘉善縣交通運(yùn)輸局，浙江 嘉興 314100）

裝配式空心板橋具有經(jīng)濟(jì)適用、 結(jié)構(gòu)簡單和施工方便等特點(diǎn)， 在中小跨徑公路橋梁當(dāng)中廣泛應(yīng)用[1]。 鉸縫作為裝配式空心板梁橋的重要構(gòu)件，起到橫向連接與傳遞荷載的作用。 但由于施工工藝缺陷和超載車輛的影響， 在役空心板橋在鉸縫處普遍容易產(chǎn)生病害，如勾縫脫落、鉸縫滲水析白等常規(guī)病害，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生“單板受力”，在鉸縫位置處鋪裝層出現(xiàn)縱向裂縫或破碎帶、相鄰梁板垂直方向錯(cuò)位等病害[2]。 近年來，由于鉸縫損傷導(dǎo)致橋梁發(fā)生安全事故時(shí)有發(fā)生， 例如2011 年錢塘江三橋南引橋邊板鉸縫損壞，導(dǎo)致邊板單板受力，在某重載掛車作用下2 塊梁板斷裂，引發(fā)側(cè)翻；2018 年意大利卡拉拉大橋由于鉸縫損壞導(dǎo)致橋梁坍塌， 對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響；2021年， 武漢市長豐橋某梁板在存在鉸縫損傷病害情況下， 一超載車輛滿載砂石通過時(shí)， 造成該梁斷裂，橋面塌陷。

國內(nèi)學(xué)者對于空心板橋鉸縫病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響開展了相關(guān)研究。 冷艷玲等[3]針對不同鉸縫開裂長度對橫向分布系數(shù)的影響展開研究，得出單板受力效應(yīng)下的鉸縫開裂長度臨界值。 Al-Saidy[4]研究了損傷構(gòu)件對橋梁整體受力性能的影響， 并分析了梁板損傷后橫向分布影響線的變化，李春良等[5]認(rèn)為板與鉸縫共同損傷相較于鉸縫損傷更容易導(dǎo)致完好的板出現(xiàn)損傷。 張麗芳[6]通過引入橫向受力分配比的概念，可以很好的描述單板受力現(xiàn)象。 秦小杰[7]對不同工況下的單處鉸縫損傷的橫向分布系數(shù)影響展開了具體論述研究。 吳國強(qiáng)[8]分析了鉸縫受不同損傷情況時(shí)空心板梁位移的變化規(guī)律。 現(xiàn)有的研究多注重于鉸縫損傷對橫向分布系數(shù)的影響，而對不同鉸縫損傷類型下的結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律研究較少，本文以現(xiàn)場調(diào)研為基礎(chǔ)，以20 m 跨徑標(biāo)準(zhǔn)空心板橋?yàn)槔捎猛ㄓ糜邢拊浖⒘焊穹Ｐ?，?jì)算分析了鉸縫在不同的損傷工況及類型下對空心板橋受力性能影響。

1 鉸縫病害調(diào)研

對浙江省某縣道橋梁進(jìn)行定期檢查，該線路設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級，服役年限集中在10～30 a，橋型主要包括預(yù)應(yīng)力空心板梁橋，現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁和變截面連續(xù)箱梁等。 檢查發(fā)現(xiàn)空心板梁橋鉸縫損傷病害相對普遍，破壞嚴(yán)重程度不一且破損形式多樣，對在役橋梁正常使用帶來一定影響。 本次調(diào)研僅針對空心板梁橋進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注鉸縫相關(guān)病害， 共選取80 余座公路空心板橋進(jìn)行對比分析，其中約60%橋梁鉸縫存在損傷病害[2]。

調(diào)研方法包括： 按鉸縫損傷長度進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，損傷長度按跨徑占比表示；按照鉸縫外觀損傷程度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，鉸縫外觀損傷程度分為：勾縫脫落、滲水鹽析、梁板錯(cuò)臺(tái)、橋面縱向裂縫4 種類型；按照不同損傷位置進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，損傷位置包括跨中，四分點(diǎn)，八分點(diǎn)等；共統(tǒng)計(jì)到病害鉸縫90條，鉸縫病害分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

圖1 鉸縫損傷病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistical results of joint damage investigation

結(jié)果表明：對于服役20 a 左右橋梁而言，雖然鉸縫損傷病害普遍存在， 但是從外觀損傷程度判斷，勾縫脫落和滲水鹽析兩者占比72.3%，說明病害多處于發(fā)展初期階段， 鉸縫損傷長度集中在0.4～0.8L，損傷過短或過長都相對較少，鉸縫破損位置主要位于跨中附近，跨中位置占比86.7%，這與簡支空心板橋受力特點(diǎn)也是相符合的。 根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)，本文采用有限元模擬方式，針對鉸縫不同損傷類型下的梁板受力影響展開分析。

2 橋梁概況及有限元模型

2.1 算例橋梁概況

選取交通部頒布的《裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板標(biāo)準(zhǔn)圖》 中的20 m 跨徑裝配式空心板橋?yàn)檠芯繉ο蟆?標(biāo)準(zhǔn)跨徑20 m，計(jì)算跨徑19.26 m；橫向全寬12.4 m，共10 片板梁，9 個(gè)鉸縫?？招陌灏甯?.95 m，板寬1.24 m，橫截面尺寸如圖2 所示。 鉸縫構(gòu)造為深鉸縫形式；鋼筋混凝土容重26 kN/m3，主梁采用C50 混凝土，彈性模量3.45×104MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm 的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線， 橋面鋪裝按70%厚度折算為結(jié)構(gòu)參與承載， 其余部分與人行道鋪裝及兩側(cè)護(hù)欄按二期荷載考慮。

圖2 空心板橫截面（單位：mm）Fig.2 Cross section of hollow slab beam (unit: mm)

2.2 有限元模型的建立

設(shè)計(jì)上一般通過橫向分布系數(shù)的計(jì)算來進(jìn)行多片梁的偏載效應(yīng)的求解，該方法適合于鉸縫完好時(shí)的受力分析， 不能對鉸縫破壞的情況進(jìn)行模擬?？紤]鉸縫破損的空心板橋梁的分析方法可采用梁格法或者空間有限元法。 其中梁格法易于進(jìn)行活載布置且計(jì)算精度能夠滿足實(shí)際精度要求，是一種裝配式空心板橋應(yīng)用廣泛的數(shù)值分析方法[9-10]，大量的研究結(jié)果表明采用梁格法分析裝配式空心板梁具有較高的精度[11-13]。 梁格法主要思路是將上部結(jié)構(gòu)用一個(gè)等效梁格進(jìn)行替代模擬，將分布于空間板上的每一區(qū)段的抗扭剛度和彎曲剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格內(nèi)，橫向剛度集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)，當(dāng)結(jié)構(gòu)原型和等效梁格承受相同荷載時(shí)，兩者撓曲將是相等的，并且任一梁格內(nèi)的彎矩、扭矩和剪力等于該梁格代表的實(shí)際結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)力[13]。

運(yùn)用Midas Civil 有限元程序，采用梁格法建立有限元分析模型。 空心板橫向聯(lián)系只計(jì)剛度，忽略重量，通過在截面設(shè)置中把容重設(shè)置為“0”來實(shí)現(xiàn)；虛擬橫梁剛度依據(jù)空心板截面的頂、 底板厚度取值；每個(gè)虛擬橫梁分別用兩個(gè)單元模擬，通過釋放其中一個(gè)單元的梁端彎矩約束，模擬鉸接縫只傳遞剪力，不傳遞彎矩。 建立全橋有限元模型（圖3），共578 個(gè)單元，419 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 空心板橋梁格法有限元模型Fig.3 Finite element model of the hollow slab beam bridge with the grillage method

3 鉸縫損傷模擬

空心板鉸縫在外界荷載和運(yùn)營環(huán)境等綜合作用下，產(chǎn)生損傷情況往往比較復(fù)雜的[14-15]。 根據(jù)現(xiàn)場大量空心板橋梁檢查結(jié)果，本文考慮3 種鉸縫損傷工況下的不同損傷深度、損傷長度和損傷位置對橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和撓度影響，如表1 所示。

表1 鉸縫損傷模擬工況及類型Tab.1 Hinge damage simulation conditions and types

鉸縫損傷長度及位置模擬通過選取相關(guān)單元釋放梁端約束進(jìn)行模擬，損傷深度通過釋放梁端約束比例來實(shí)現(xiàn)。 為探究鉸縫破損狀態(tài)下的橋梁最不利受力情況，選取與損傷鉸縫相鄰的梁板進(jìn)行分析（工況1 取1# 板，工況2 和工況3 取5# 板），因?yàn)榕c損傷鉸縫相鄰的梁板受力變化影響最大[5]。 其中車輛荷載布置按使所分析梁板最不利受力進(jìn)行加載，采用公路Ⅰ級車道，車道線通過所分析梁板中心線，橫橋向間距按規(guī)范取值，滿布4 個(gè)車道，工況及車輛布置（半幅橋?qū)挘┤鐖D4 所示。

圖4 3 種鉸縫損傷工況及布載圖Fig.4 Three kinds of joint damage conditions and layout drawings

4 鉸縫損傷類型對結(jié)構(gòu)受力的影響

4.1 損傷位置影響

在荷載作用下，梁板跨中范圍受力最大，從受力上來說，跨中附近的鉸縫最容易發(fā)生損傷。 但是，鉸縫損傷除了受力因素外， 還與鉸縫施工質(zhì)量、鉸縫初始缺陷位置等密切相關(guān)，根據(jù)實(shí)橋現(xiàn)場檢查結(jié)果，鉸縫損傷位置并不一定在跨中先出現(xiàn)，存在其他位置先行損傷的情況。 為研究鉸縫不同位置損傷對結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律，取鉸縫在跨中、四分點(diǎn)和八分點(diǎn)位置分別損傷0.3L，損傷深度取100%，最不利活載作用下梁板跨中截面彎矩見圖5。

由圖5 可知，損傷位置越靠近跨中對于梁板受力的影響越大，四分點(diǎn)、八分點(diǎn)處出現(xiàn)損傷時(shí)，影響較小，與未損傷時(shí)較為接近，跨中位置出現(xiàn)損傷時(shí)，梁板的彎矩值相比未損傷時(shí)影響明顯。 其中彎矩增加15.7%，損傷長度為0.3L 時(shí)，邊板鉸縫損傷引起的彎矩值最大，說明在橋梁管養(yǎng)維護(hù)養(yǎng)護(hù)當(dāng)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注跨中部位鉸縫的病害情況。

圖5 鉸縫不同損傷位置的最不利活載跨中彎矩Tab.5 Bending moments for different damage locations at middle span section under the most adverse live load

4.2 損傷長度影響

為了研究鉸縫損傷長度對梁板受力影響規(guī)律，根據(jù)上節(jié)分析， 跨中位置鉸縫損傷受力影響最大，所以假定破損形式從跨中向兩側(cè)同步對稱開裂，損傷深度取100%。 表2 為3 種工況下的跨中截面在最不利活載作用下的彎矩、底板應(yīng)力和撓度值。

表2 不同損傷長度的最不利活載作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值Tab.2 Calculated structural effect for different damage length under the most adverse live load

對比表2 中鉸縫全長破損和未損傷時(shí)計(jì)算結(jié)果可知： 工況1 中1# 邊板跨中截面彎矩增加53.9%，底板應(yīng)力增加59.3%，撓度增加了60.3%。工況2 中5#中板跨中截面彎矩增加了49.8%，底板應(yīng)力增加了47.7%，撓度增加了50.9%。 工況3 中5#中板跨中截面彎矩增加了125.6%，底板應(yīng)力增加了120.5%，撓度增加了133.4%。

對比工況1，工況2 數(shù)據(jù)可知，相同鉸縫損傷長度下，邊板單側(cè)損傷對于結(jié)構(gòu)的影響大于中板單側(cè)損傷， 即邊板發(fā)生損傷時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)程度更大。對比工況2，工況3 數(shù)據(jù)可知，中板雙側(cè)損傷工況下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值大于中板單側(cè)損傷工況，且隨著損傷長度的增加， 增幅有遞增的趨勢； 在損傷長度為L時(shí)，中板雙側(cè)損傷彎矩、應(yīng)力、撓度分別超出單側(cè)損傷的50.6%，49.2%和54.7%。

由圖6 可知，對于中板單側(cè)鉸縫損傷（工況2），隨著損傷長度增加，彎矩增幅呈線性遞增。 對于工況1 和工況3，在損傷初期即損傷長度較小時(shí)，彎矩值呈線性遞增。 當(dāng)損傷長度分別超過12，14 m 之后呈曲線快速遞增趨勢，結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響突增，表明邊板單側(cè)損傷和中板雙側(cè)損傷均會(huì)引起梁板產(chǎn)生“單板受力”效應(yīng)。其中邊板單側(cè)鉸縫損傷的“單板受力”臨界長度為0.6L，中板雙側(cè)鉸縫的“單板受力”臨界長度為0.7L。

圖6 各工況下不同鉸縫損傷長度的彎矩增長率Fig.6 The bending moment increase ratio of various damage length under three conditions

由圖7 可知，對于中板單側(cè)鉸縫損傷（工況2），隨著損傷長度增加，梁板縱向撓度平緩增大，對于工況1 和工況3 在鉸縫全長破損時(shí)，梁板縱向撓度值均有大幅劇增。

圖7 各工況下不同鉸縫損傷長度的梁板縱向撓度圖Fig.7 Longitudinal deflection diagrams of slabs with different hinge damage lengths under three conditions

4.3 損傷深度與長度復(fù)合影響

根據(jù)上節(jié)分析， 工況3 作為梁板最不利的受力工況， 分析工況3 下不同損傷深度與損傷長度復(fù)合損傷下的結(jié)構(gòu)受力性能影響， 損傷深度分別取25%，50%，75%，100%， 表3 為工況3 下5# 板的跨中截面在最不利活載作用下的彎矩、 底板應(yīng)力和撓度值。 表3 計(jì)算了不同損傷長度和損傷深度的共同影響下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值， 結(jié)果表明當(dāng)損傷長度或損傷深度中有一方較小時(shí)， 梁板彎矩和撓度變化很小。 損傷長度為0.6L， 損傷深度為50%時(shí)，跨中彎矩僅增加了3.4%，撓度增加了0.7%。當(dāng)損傷長度和損傷深度均較大時(shí)， 活載作用下的梁板彎矩和撓度增幅明顯， 對于出現(xiàn)嚴(yán)重破損的鉸縫應(yīng)該及時(shí)予以病害處治維修。

表3 不同損傷深度的最不利活載作用下結(jié)構(gòu)效應(yīng)值Tab.3 Calculated structural effect for different damage degree under the most adverse live load

5 單板受力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

“單板受力” 作為鉸縫破損最為嚴(yán)重時(shí)的梁板受力狀態(tài)[16]，根據(jù)《JTG 3362-2018 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》分別計(jì)算出中板與邊板截面的截面允許值，并建立中板和邊板截面的單梁模型與鉸縫未損傷時(shí)的空心板原模型進(jìn)行對比驗(yàn)算。

5.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

持久狀況承載能力極限狀態(tài)下需對空心板正截面抗彎及斜截面抗剪承載力檢算，表4 有限元計(jì)算結(jié)果取承載能力極限狀態(tài)的基本組合。

表4 承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果Tab. 4 Checking results of the load capacity limit state

通過表4 可以看出： 對于中板，5# 單板跨中彎矩為2 970.3 kN·m，相比原模型增加46.2%，且大于截面彎矩抗力值， 抗彎承載能力不滿足要求；支點(diǎn)剪力為622.3 kN，對比增加13.8%。 對于邊板，1#單板跨中彎矩為3 917.1 kN·m， 相比原模型增加37.8%，且大于截面彎矩抗力值，抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求； 支點(diǎn)剪力為841.3 kN， 對比增加27.2%。

5.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

受彎構(gòu)件在使用階段撓度應(yīng)考慮長期效應(yīng)的影響，不允許超過計(jì)算跨徑的L/600=20/600=32.1 mm[17]?？沽羊?yàn)算應(yīng)該分別考慮長期效應(yīng)和短期效應(yīng)影響。 表4 有限元計(jì)算結(jié)果取正常使用極限狀態(tài)的頻遇組合和準(zhǔn)永久組合。

由表5 可知，單板相比原模型，撓度與應(yīng)力值均有一定幅度增加。 其中中板截面在正常使用極限狀態(tài)下的主梁內(nèi)力值均小于截面允許值，結(jié)構(gòu)偏安全。 根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力溫凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算可得，1# 板（邊板）長期效應(yīng)組合及短期效應(yīng)組合中混凝土抗裂性能不滿足要求，梁底板開裂。

表5 正常使用極限狀態(tài)檢算結(jié)果Tab. 5 Checking results of the service limit state

6 結(jié)論

本文針對現(xiàn)場調(diào)研統(tǒng)計(jì)情況，采用有限元軟件建立裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板模型，分析了不同鉸縫損傷工況及類型對結(jié)構(gòu)受力性能影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1） 鉸縫損傷位置對梁板彎矩和應(yīng)力值有一定影響，損傷位置越靠近跨中對于梁板受力的影響越大。

2） 隨著鉸縫損傷長度的增加，活載作用下的梁板內(nèi)力和撓度值也隨之增大。 對于中板單側(cè)鉸縫，彎矩增幅呈線性遞增，邊板單側(cè)損傷和中板雙側(cè)損傷均會(huì)引起梁板產(chǎn)生“單板受力”效應(yīng)，其“單板受力”臨界長度分別為0.6L，0.7L。對于中板雙側(cè)鉸縫損傷工況，鉸縫完全破損下跨中彎矩增加了125.6%，底板應(yīng)力增加了120.5%，撓度增加了133.4%。

3） 分析計(jì)算了不同損傷長度和損傷深度的共同影響下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)值，結(jié)果表明當(dāng)損傷長度和損傷深度二者之一較小時(shí)， 梁板彎矩和撓度變化很小。損傷長度為0.6L，損傷深度為50%時(shí)，跨中彎矩僅增加了3.4%，撓度增加了0.7%。當(dāng)損傷長度和損傷深度均較大時(shí)，活載作用下的梁板彎矩和撓度增幅明顯。

4） 空心板單板受力時(shí)，彎矩、剪力與撓度值和全橋共同受力相比均有一定程度增加。20 m 標(biāo)準(zhǔn)空心板算例表明：中板單板受力時(shí)抗彎承載能力不滿足規(guī)范要求，邊板單板受力時(shí)抗彎承載能力和抗裂驗(yàn)算不能滿足規(guī)范要求。