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摘要：以实际工程为原型，按三种铰缝形式建立有限元模型，分析各种铰缝真实的受力特性，对铰缝进行优化设计。结果表明，只配铰缝抗剪钢筋的结构受力与混凝土铰缝结构受力基本一致，其横向传递荷载能力较差，各板受力比较离散；铰缝配有横向联接钢筋的结构整体性能良好，各板受力均匀，是一种理想的铰缝型式。
关键词：装配式板桥；铰缝；受力分析；优化设计
1 引言
装配式铰接板桥以其建筑高度小、外形简单、制作方便等特点而在桥梁建设中得到广泛的应用。它是现浇预留铰缝，将各预制板连接一起形成空间桥梁结构体系，通过铰缝横向传递荷载，使所有板块共同参与受力[1]。通常装配式板桥设计理念是将空间结构体系通过荷载横向分布系数转化为平面结构进行分析，计算车辆荷载作用下的荷载横向分布系数采用铰接板力学模型，认为铰缝只传递剪力，而忽略弯矩的影响[2]。按照铰接板理论，铰缝仅仅承受竖向剪力时，较小尺寸的铰缝就能满足结构抗剪要求[3]。而空间结构分析表明，铰接板桥在承受纵向弯矩的同时还承受一定的横向弯矩，尤其在宽跨比较大的桥梁结构和斜交桥梁结构中，横向弯矩显得尤为突出[4]，那么板桥结构铰缝就不仅仅只是传递剪力，还需承受一个比较大的横向弯矩荷载，出现了与设计受力状态不一致的情形，而导致铰缝在弯矩和剪力的耦合作用下出现不同程度的破损、剥落、铰缝间距增大等病害，铰缝破坏后桥梁横向刚度减小，整体受力性能变差，铰缝处相应的桥面开裂，单板受力突出导致整体结构出现病害，承载力降低[5]。为了避免铰接板桥由于设计上的不足而早期出现各种病害影响结构的正常使用，本文按结构实际受力状态分析铰缝受力，在分析基础上对装配式板桥铰缝进行优化设计，改善整体结构受力特性。
2 铰缝型式
大量实际桥梁病害调查结果显示，铰接板桥病害一般始于铰缝的破坏，而以往铰接板桥按铰缝只传递剪力进行设计，将铰缝尺寸做的很小，且不设置钢筋，于是导致了早期修建铰接板桥出现了各式各样的病害。针对这种现状，国内许多学者开始注意到铰缝重要性，逐渐对铰缝型式进行了改进和完善。以交通部历年来标准图为例，铰缝大致经过了三种型式，第一种是早期铰接板桥多采用的一种型式，主要考虑铰缝抗剪作用的小铰缝，图1为该类铰缝的代表型式；第二种铰缝型式加大了铰缝尺寸，在铰缝内设置了抗剪钢筋，但是没有重视铰缝抗弯能力，而忽略了横向连接钢筋的设置，其型式如图2所示；第三类铰缝充分注意到了铰缝的受力特点，在第二类铰缝的基础上增加了横向连接钢筋，是目前最常用的一种铰缝型式，其截面如图3所示。
图1混凝土铰缝图2 抗剪钢筋铰缝图3 横向抗弯钢筋铰缝
3. 铰缝受力特点
为了分析各类铰缝的受力特点，本文以一实际桥梁结构为原型，分别按三种铰缝型式建立有限元模型进行计算。原型桥梁单孔跨径为16m，桥宽11.5m，横向共11块板，将板从左到右进行编号为1～11，相应的铰缝编号为1～10，其横断面如图4所示。分别按图1～图3所示的三种铰缝型式建立有限元模型进行对比分析，为了获得较好的计算精度，将空心板内圆形等效为矩形中空，并将边板翼板折算到矩形边板进行计算，有限元模型如图5所示。
按铰缝实际尺寸和配筋率分别计算铰缝单元的参数，设置整体刚度矩阵中各个系数，模拟铰缝的真实的抗弯能力和竖向抗剪能力。建立模型时，考虑水泥混凝土调平层参与空心板整体受力，将其与空心板在节点固结连接，沥青混凝土面层不考虑其抗力作用，按均布恒载加载在桥梁结构上面。对各有限元模型按车辆荷载加载偏载和中载两种工况进行分析。三种模型计算结果列于表1～表2，相应的结果比较见图6和图7
图4 模型横断面
图5 有限元模型
表1 荷载作用下铰缝横向应变
表2 荷载作用下板块跨中截面挠度
图6 中载作用下铰缝应变 图7 偏载作用下铰缝应变
由表1和图6、图7可以看出，一类和二类铰缝在外荷载作用下，铰缝应变相差不大，这主要是两类铰缝都是考虑抗剪作用，而没有加入较强的横向联结钢筋。如果仅仅考虑铰缝抗剪作用，那么混凝土铰缝在完好的情况下与配置抗剪钢筋的铰缝的传递剪力能力相差不大，只是抗剪钢筋加强了铰缝强度，而不致于导致铰缝容易破损，所以以上结果显示一、二类铰缝的应变基本一致。但是它们同第三类铰缝相比较，荷载作用点下各板块间横向应变较大，而远离荷载作用点处板块间横向应变相对较小，即板间横向应变变化较大，说明这两类铰缝横向传力较差；第三类铰缝相比前面两类铰缝在相应位置的铰缝横向应变要小很多，且整个横断面内各板间横向应变相差不大，说明各板在外荷载作用下受力比较均匀。主要是由于三类铰缝横向联接钢筋的存在加强了结构横向刚度，增强了铰缝的抗弯能力，改善了结构的整体受力特性，使得各板和铰缝受力更加均匀。
表2中各板在荷载作用下的挠度比较可以看出，第一、第二类铰缝桥梁结构无论在中载还是偏载作用下各板挠度都比相应的第三类铰缝的要大。而且，第一、二类铰缝形成结构各板挠度离散程度较大，第一类铰缝板在偏载作用下远离荷载作用点处板块（11号板）的挠度只为荷载作用点下板块（1号板）挠度的32.2％，中载作用下边板挠度为中板挠度的69.8％；第二类铰缝板在偏载作用下11号板挠度为1号板挠度的32.4％，中载作用下边板挠度为中板挠度的72.7％；第三类铰缝结构在偏载作用下11号板挠度为1号板挠度的86.6％，中载作用下，边板挠度为中班挠度的85.4％。可见，第三类铰缝形成的桥梁结构体系各板块内力更加均匀，受力更加合理。
4 结论
只配铰缝抗剪钢筋的结构受力与混凝土铰缝结构受力基本一致，其横向传递荷载能力较差，各板受力比较离散；配有横向联接钢筋的铰缝形成的结构整体性能良好，各板受力均勻，是一种理想的铰缝型式。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词：装配式板桥；铰缝；受力分析；优化设计
1 引言
装配式铰接板桥以其建筑高度小、外形简单、制作方便等特点而在桥梁建设中得到广泛的应用。它是现浇预留铰缝，将各预制板连接一起形成空间桥梁结构体系，通过铰缝横向传递荷载，使所有板块共同参与受力[1]。通常装配式板桥设计理念是将空间结构体系通过荷载横向分布系数转化为平面结构进行分析，计算车辆荷载作用下的荷载横向分布系数采用铰接板力学模型，认为铰缝只传递剪力，而忽略弯矩的影响[2]。按照铰接板理论，铰缝仅仅承受竖向剪力时，较小尺寸的铰缝就能满足结构抗剪要求[3]。而空间结构分析表明，铰接板桥在承受纵向弯矩的同时还承受一定的横向弯矩，尤其在宽跨比较大的桥梁结构和斜交桥梁结构中，横向弯矩显得尤为突出[4]，那么板桥结构铰缝就不仅仅只是传递剪力，还需承受一个比较大的横向弯矩荷载，出现了与设计受力状态不一致的情形，而导致铰缝在弯矩和剪力的耦合作用下出现不同程度的破损、剥落、铰缝间距增大等病害，铰缝破坏后桥梁横向刚度减小，整体受力性能变差，铰缝处相应的桥面开裂，单板受力突出导致整体结构出现病害，承载力降低[5]。为了避免铰接板桥由于设计上的不足而早期出现各种病害影响结构的正常使用，本文按结构实际受力状态分析铰缝受力，在分析基础上对装配式板桥铰缝进行优化设计，改善整体结构受力特性。
2 铰缝型式
大量实际桥梁病害调查结果显示，铰接板桥病害一般始于铰缝的破坏，而以往铰接板桥按铰缝只传递剪力进行设计，将铰缝尺寸做的很小，且不设置钢筋，于是导致了早期修建铰接板桥出现了各式各样的病害。针对这种现状，国内许多学者开始注意到铰缝重要性，逐渐对铰缝型式进行了改进和完善。以交通部历年来标准图为例，铰缝大致经过了三种型式，第一种是早期铰接板桥多采用的一种型式，主要考虑铰缝抗剪作用的小铰缝，图1为该类铰缝的代表型式；第二种铰缝型式加大了铰缝尺寸，在铰缝内设置了抗剪钢筋，但是没有重视铰缝抗弯能力，而忽略了横向连接钢筋的设置，其型式如图2所示；第三类铰缝充分注意到了铰缝的受力特点，在第二类铰缝的基础上增加了横向连接钢筋，是目前最常用的一种铰缝型式，其截面如图3所示。
图1混凝土铰缝图2 抗剪钢筋铰缝图3 横向抗弯钢筋铰缝
3. 铰缝受力特点
为了分析各类铰缝的受力特点，本文以一实际桥梁结构为原型，分别按三种铰缝型式建立有限元模型进行计算。原型桥梁单孔跨径为16m，桥宽11.5m，横向共11块板，将板从左到右进行编号为1～11，相应的铰缝编号为1～10，其横断面如图4所示。分别按图1～图3所示的三种铰缝型式建立有限元模型进行对比分析，为了获得较好的计算精度，将空心板内圆形等效为矩形中空，并将边板翼板折算到矩形边板进行计算，有限元模型如图5所示。
按铰缝实际尺寸和配筋率分别计算铰缝单元的参数，设置整体刚度矩阵中各个系数，模拟铰缝的真实的抗弯能力和竖向抗剪能力。建立模型时，考虑水泥混凝土调平层参与空心板整体受力，将其与空心板在节点固结连接，沥青混凝土面层不考虑其抗力作用，按均布恒载加载在桥梁结构上面。对各有限元模型按车辆荷载加载偏载和中载两种工况进行分析。三种模型计算结果列于表1～表2，相应的结果比较见图6和图7
图4 模型横断面
图5 有限元模型
表1 荷载作用下铰缝横向应变
表2 荷载作用下板块跨中截面挠度
图6 中载作用下铰缝应变 图7 偏载作用下铰缝应变
由表1和图6、图7可以看出，一类和二类铰缝在外荷载作用下，铰缝应变相差不大，这主要是两类铰缝都是考虑抗剪作用，而没有加入较强的横向联结钢筋。如果仅仅考虑铰缝抗剪作用，那么混凝土铰缝在完好的情况下与配置抗剪钢筋的铰缝的传递剪力能力相差不大，只是抗剪钢筋加强了铰缝强度，而不致于导致铰缝容易破损，所以以上结果显示一、二类铰缝的应变基本一致。但是它们同第三类铰缝相比较，荷载作用点下各板块间横向应变较大，而远离荷载作用点处板块间横向应变相对较小，即板间横向应变变化较大，说明这两类铰缝横向传力较差；第三类铰缝相比前面两类铰缝在相应位置的铰缝横向应变要小很多，且整个横断面内各板间横向应变相差不大，说明各板在外荷载作用下受力比较均匀。主要是由于三类铰缝横向联接钢筋的存在加强了结构横向刚度，增强了铰缝的抗弯能力，改善了结构的整体受力特性，使得各板和铰缝受力更加均匀。
表2中各板在荷载作用下的挠度比较可以看出，第一、第二类铰缝桥梁结构无论在中载还是偏载作用下各板挠度都比相应的第三类铰缝的要大。而且，第一、二类铰缝形成结构各板挠度离散程度较大，第一类铰缝板在偏载作用下远离荷载作用点处板块（11号板）的挠度只为荷载作用点下板块（1号板）挠度的32.2％，中载作用下边板挠度为中板挠度的69.8％；第二类铰缝板在偏载作用下11号板挠度为1号板挠度的32.4％，中载作用下边板挠度为中板挠度的72.7％；第三类铰缝结构在偏载作用下11号板挠度为1号板挠度的86.6％，中载作用下，边板挠度为中班挠度的85.4％。可见，第三类铰缝形成的桥梁结构体系各板块内力更加均匀，受力更加合理。
4 结论
只配铰缝抗剪钢筋的结构受力与混凝土铰缝结构受力基本一致，其横向传递荷载能力较差，各板受力比较离散；配有横向联接钢筋的铰缝形成的结构整体性能良好，各板受力均勻，是一种理想的铰缝型式。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看