劉永超

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

空心板梁橋，因其具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在中小跨徑橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在實(shí)際管養(yǎng)過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)形式具有最明顯的一個(gè)缺陷就是橫向聯(lián)系容易破壞，削弱了上部結(jié)構(gòu)的整體性。空心板梁橋是通過(guò)橫向連接構(gòu)造組合在一起的，最常用的連接方式就是企口式混凝土鉸連接。設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)預(yù)制板之間只傳遞剪力而不傳遞彎矩[1]。實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，重載車較多，交通量增長(zhǎng)較快，超出設(shè)計(jì)水平，導(dǎo)致鉸縫破壞。當(dāng)鉸縫破壞后，橫向聯(lián)系削弱，導(dǎo)致某些板橫向分布系數(shù)增大，抗彎或抗剪承載能力不足。以某簡(jiǎn)支空心板梁橋?yàn)槔?，結(jié)合外觀病害情況，建立有限元模型對(duì)鉸縫破損后主梁受力性能進(jìn)行分析，試圖為類似橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作提供定性判斷的參考，同時(shí)也為承載能力評(píng)定提供分析方法。

1 有限元模型的建立

某橋跨徑布置為7×16.0m，橋梁全長(zhǎng)為116.2m，交角為90°。橋面凈寬為9.0m，雙向兩車道。左、右側(cè)各設(shè)置1.0m寬的人行道，支座采用板式橡膠支座。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支無(wú)翼緣空心板，每孔10片板。設(shè)計(jì)荷載：汽車-20級(jí)。該橋第2～5孔橋面存在縱向裂縫或縱向裂縫帶，主要分布在第2、4、5、6、8號(hào)鉸縫對(duì)應(yīng)位置。

利用有限元軟件建立上部結(jié)構(gòu)分析模型。只分析汽車荷載的作用效應(yīng)，車道加載位置分為偏載和對(duì)稱布載兩種情況，車道間距依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)置[2]。

圖1 車道偏載示意圖(單位：mm)

鉸縫采用虛擬橫梁來(lái)模擬，其截面特性按頂、底板厚度組成的二字型截面計(jì)算[3]。虛擬橫梁在主梁之間即鉸縫處釋放梁端約束，使其只傳遞剪力而不傳遞彎矩，以此來(lái)模擬空心板受力狀態(tài)。虛擬橫梁的間距大致等于主梁間距。支座采用一般支撐來(lái)模擬，支座節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)采用彈性連接里的剛性連接進(jìn)行模擬。由于只對(duì)主梁進(jìn)行分析，故未建立下部結(jié)構(gòu)模型。建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

2 鉸縫破損對(duì)主梁受力性能影響分析

2.1 單一鉸縫破壞程度對(duì)主梁受力性能影響分析

結(jié)合該橋病害情況及車道布置情況，選取4號(hào)鉸縫進(jìn)行分析。分別假設(shè)其完好、破壞1/3、破壞2/3及全部破壞，分析鉸縫破壞不同程度對(duì)主梁受力性能的影響，其余鉸縫完好。鉸縫破壞部位的虛擬橫梁，釋放豎向剪力約束，即該部位鉸縫完全失去聯(lián)系。分析的結(jié)果數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 偏載各主梁跨中彎矩、撓度結(jié)果表

表2 對(duì)稱布載各主梁跨中彎矩、撓度結(jié)果表

第4號(hào)鉸縫破壞不同程度下各主梁跨中彎矩分布圖如圖4、圖5所示。

圖4 偏載各主梁跨中彎矩圖

圖5 對(duì)稱布載各主梁跨中彎矩圖

從圖4可以看出，在偏載情況下，隨著4號(hào)鉸縫破壞長(zhǎng)度的增加，右側(cè)主梁跨中彎矩逐漸增大，5號(hào)梁增大最明顯，而左側(cè)主梁跨中彎矩逐漸減小，4號(hào)梁減小最明顯。當(dāng)鉸縫由完好發(fā)展到破壞1/3過(guò)程中，彎矩變化幅度最大；當(dāng)鉸縫破壞1/3之后，彎矩變化不是很明顯。所以可以看出，當(dāng)鉸縫僅破壞一部分時(shí)相鄰主梁的內(nèi)力就會(huì)有很大增加，這就需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)鉸縫滲漏提高重視，早發(fā)現(xiàn)，早處置?？缰袚隙扔蓄愃频淖兓?guī)律，不再闡述。

從圖5可以看出，在對(duì)稱布載情況下，隨著4號(hào)鉸縫破壞長(zhǎng)度的增加，右側(cè)主梁跨中彎矩逐漸增大，5號(hào)梁增大最明顯，而左側(cè)主梁跨中彎矩逐漸減小，4號(hào)梁減小最明顯。對(duì)比兩種布載情況，對(duì)稱布載時(shí)鉸縫破壞對(duì)主梁的影響范圍更大。偏載情況下，影響較大的是鉸縫相鄰主梁，而對(duì)稱布載時(shí)，幾乎所有板都會(huì)受到較大影響。實(shí)際運(yùn)行情況下，雙向兩車道這兩種布載形式均能發(fā)生。所以，要特別注意破壞鉸縫相鄰主梁，同時(shí)也應(yīng)該兼顧其他主梁，不要遺漏。跨中撓度有類似的變化規(guī)律，不再闡述。

2.2 多鉸縫破壞對(duì)主梁受力性能影響分析

根據(jù)平時(shí)養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)可知，空心板鉸縫破壞多發(fā)生在車輪軌跡附近。為此，有針對(duì)性地進(jìn)行分析，不僅能夠減少計(jì)算工作量，又能把握住重點(diǎn)，與實(shí)際情況相符。

由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只分析第2、4、5號(hào)鉸縫滲漏時(shí)，對(duì)主梁的受力性能影響。共分5個(gè)工況，具體含義如下：

工況1：所有鉸縫完好。

工況2：2號(hào)鉸縫滲漏。

工況3：4號(hào)鉸縫滲漏。

工況4：5號(hào)鉸縫滲漏。

工況5：2、4、5號(hào)鉸縫均滲漏。

其中，工況1、工況3分析結(jié)果已經(jīng)在表1、表2中給出，在此不再給出，僅給出工況2、工況4和工況5分析數(shù)據(jù)。具體分析的結(jié)果數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 偏載各工況主梁跨中彎矩、撓度結(jié)果表

表4 對(duì)稱布載各工況主梁跨中彎矩、撓度結(jié)果表

各工況各主梁跨中彎矩分布圖如圖6、圖7所示。

圖6 偏載各工況主梁跨中彎矩圖

圖7 對(duì)稱布載各工況主梁跨中彎矩圖

從圖6可以看出，在偏載情況下，2號(hào)鉸縫滲漏、4號(hào)鉸縫滲漏、5號(hào)鉸縫滲漏、2、4、5號(hào)鉸縫均滲漏，依次對(duì)主梁受力性能影響越來(lái)越大。即鉸縫破壞位置越靠中間，主梁跨中彎矩變化幅度越大，影響的主梁范圍也越大。而當(dāng)多鉸縫破壞時(shí)，對(duì)主梁的受力影響是顯著的，比如5號(hào)梁，單一鉸縫破壞時(shí)彎矩增長(zhǎng)23.8%，而多鉸縫破壞時(shí)，彎矩增長(zhǎng)為105.5%，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全?？缰袚隙扔蓄愃频淖兓?guī)律，不再闡述。

從圖7可以看出，在對(duì)稱布載情況下，5號(hào)鉸縫滲漏對(duì)主梁受力性能影響最小，4號(hào)鉸縫滲漏時(shí)，5號(hào)主梁受力最大，跨中彎矩增長(zhǎng)31.7%，2號(hào)鉸縫滲漏時(shí)，3號(hào)主梁受力最大，跨中彎矩增長(zhǎng)40%?？梢?jiàn)，鉸縫破壞位置由中間向兩邊，主梁跨中彎矩變化幅度越來(lái)越大。而當(dāng)多鉸縫破壞時(shí)，對(duì)主梁的受力影響是顯著的，比如5號(hào)梁跨中彎矩增長(zhǎng)105.5%，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全?？缰袚隙扔蓄愃频淖兓?guī)律，不再闡述。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)鉸縫由完好發(fā)展到破壞1/3過(guò)程中，彎矩變化幅度最大；當(dāng)鉸縫破壞1/3之后，彎矩變化不是很明顯。這就需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)鉸縫滲漏提高重視，早發(fā)現(xiàn)，早處置。

(2)單一鉸縫破壞，鉸縫相鄰主梁跨中彎矩最大增加40%。

(3)在偏載情況下，鉸縫破壞位置越靠中間，主梁跨中彎矩變化幅度越大，影響的主梁范圍也越大。在對(duì)稱布載情況下，鉸縫破壞位置由中間向兩邊，主梁跨中彎矩變化幅度越來(lái)越大。

(4)多鉸縫破壞時(shí)，對(duì)主梁的受力影響最顯著，主梁彎矩增長(zhǎng)最大為105.5%，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。