1 緒論

1.1 研究背景及意義
橋梁是道路的重要部分。根據(jù)交通運輸部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至 2015 年底，全國等級公路里程達(dá) 457.73 萬 km，其中高速公路里程 12.35 萬 km。全國公路橋梁達(dá) 77.92 萬座、4592.77 萬 m，其中，特大橋梁 3894 座、690.54 萬 m，大橋 79512座、2060.85 萬 m。與 2014 年相比，特大橋梁同比增長 14.4%，大橋增長 8.95%[1]。鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式空心板橋是我國諸多橋梁形式中常用的橋型，裝配式空心板橋具有預(yù)制方便、施工簡單、用材經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點�，F(xiàn)今，裝配式簡支空心板橋在我國得到了廣泛的應(yīng)用。對于我國現(xiàn)役的裝配式預(yù)應(yīng)力空心板梁橋,各板之間多采用現(xiàn)澆的混凝土鉸接縫來進(jìn)行橫向連接,這樣可以保證各板梁共同承擔(dān)橋面板傳遞的車輛荷載，我國 20 世紀(jì) 90 年代中期以前設(shè)計的裝配式空心板橋多使用淺企口縫連接，鉸縫破壞后橋面會出現(xiàn)順橋向裂縫、坑槽和塌陷等現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時會致使板間橫向聯(lián)系失效，出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象，導(dǎo)致板梁撓度過大，影響橋梁安全[2]。隨后裝配式空心板橋的企口縫形式逐步改為深企口縫，但裝配式空心板橋所存在的問題并沒有得到徹底的解決。就目前而言，鉸縫損壞仍是威脅空心板橋安全運營的首要問題。

目前，國內(nèi)外現(xiàn)役的裝配式空心板橋由于車輛超載、施工工藝落后、運營時間較長以及局部設(shè)計不合理和惡劣的自然環(huán)境等多重因素的影響，或多或少都出現(xiàn)了的橋梁病害，其中鉸縫破壞引起空心板橫向連接失效的問題已成為威脅裝配式空心板橋安全運營的首要問題。針對目前裝配式空心板橋鉸縫容易破壞的問題，課題組提出一種采用工型鋼橫向連接的裝配式空心板橋的連接方式，這種工型鋼橫向連接方式與鉸縫連接方式相比，具有施工簡單、構(gòu)件破壞之后拆換方便、易于工廠加工等特點，由于取消了鉸縫，不會因為鉸縫破壞而降低橋梁的橫向整體性。本文研究這種新型工型鋼橫向連接方式對裝配式空心板橋空間整體性的影響。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
裝配式空心板橋各空心板間通過鉸縫連成整體，在車輛荷載作用下鉸縫易發(fā)生破壞，橋梁整體性受到嚴(yán)重影響，容易產(chǎn)生“單板受力”情況，受力單板的撓度增大，承載力明顯下降，橋梁跨中會開裂。目前國內(nèi)外學(xué)者的研究多側(cè)重于橫向連接方式、鉸縫的破壞機(jī)理、空心板的加固、空心板的優(yōu)化設(shè)計等方面。下面分類簡單總結(jié)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。
1.2.1 裝配式空心板橋橫向連接形式研究現(xiàn)狀
裝配式空心板橋的空間整體性取決于各板之間橫向連接的安全性和可靠性。合理可靠的鉸縫鏈接方式能夠使橋梁受力合理，行車安全，保證橋梁使用年限。因此，鉸縫形式的優(yōu)劣在相當(dāng)大程度上就決定了空心板橋質(zhì)量的好壞。我國目前常用的橫向連接方式有企口縫混凝土連接、鋼板焊接連接、施加橫向預(yù)應(yīng)力連接、現(xiàn)澆混凝土連接等方式，其中企口縫混凝土連接和鋼板焊接連接方式在是在我國應(yīng)用較多的兩種空心板連接形式。

(1) 企口縫混凝土連接。企口縫式空心板橫向連接形式在我國應(yīng)用廣泛，20世紀(jì) 70 年代小鉸縫連接形式普遍應(yīng)用于公路裝配式空心板橋建設(shè)當(dāng)中，采用小鉸縫的空心板橋在運營過程當(dāng)中，經(jīng)常因為鉸縫問題出現(xiàn)“單板受力”現(xiàn)象�；谏鲜鰡栴}我國提出了采用深鉸縫構(gòu)造代替小鉸縫構(gòu)造，自 90 年代起，在空心板橋當(dāng)中深鉸縫構(gòu)造得到推廣，1993 年編制的空心板標(biāo)準(zhǔn)圖集中對鉸縫的連接形式在高度上進(jìn)一步加深，目前空心板鉸縫的設(shè)計逐漸向著寬和深的方向發(fā)展。具體的連接形式如圖 1.1 所示。

(2) 鋼板焊接連接。在 20 世紀(jì) 80 年代之前，鋼板焊接連接方法應(yīng)用較為普遍，常用于需要快速通車的橋梁，節(jié)省了混凝土鉸縫的養(yǎng)護(hù)時間。鋼板焊接連接方式與混凝土鉸縫相比相對較弱，目前很少采用。

目前國內(nèi)外學(xué)者對裝配式空心板橋的橫向連接形式作了許多研究，提出了一些針對于鉸縫連接形式的改進(jìn)方法和新型的連接方式。Wonseok Chung 等人對目前橋梁上采用的各種鉸縫的連接形式都做了分析研究，對目前采用較為廣泛的深口鉸接縫連接形式做了重點詳細(xì)的研究，采用深鉸縫進(jìn)行連接更加安全可靠[3]。Omar Challis, Guillaume Sieprawski 對鉸接縫所采用的材料進(jìn)行了研究，對鉸縫混凝土材料的選取有一定達(dá)參考意義[4]。種永峰對三種不同鉸接縫型式制作模型進(jìn)行試驗，通過試驗得出增加鋼筋和門筋有利于提高鉸接鋒的整體性和抗剪能力[5]。劉晨光通過 Ansys 有限元分析軟件，分別對采用小鉸縫和深鉸縫進(jìn)行橫向連接的裝配式空心板橋的鉸縫應(yīng)力分布情況情況進(jìn)行計算。對目前使用的接縫形式提出了若干改進(jìn)措施[6]。

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2 工型鋼橫向連接構(gòu)造特點及有限元模型

2.1 裝配式空心板橋工型鋼橫向連接構(gòu)造特點
2.1.1 新型空心板間橫向連接方式
裝配式空心板橋在使用過程中空心板之間橫向連接部位易于破壞。目前，國內(nèi)外研究者提出了多種裝配式空心板橋新型連接形式，例如：采用牛腿代替企口縫連接、采用榫卯結(jié)構(gòu)代替企口縫連接形式和企口縫增設(shè)抗剪塊連接形式[35-37]。如圖 2.1 所示。其目的是增加板間的剪力傳遞能力。
2.1.2 工型鋼橫向連接方式構(gòu)造
課題組提出了一種采用工型鋼連接構(gòu)件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉸縫混凝土的裝配式空心板橋工型鋼橫向連接形式。這種工型鋼橫向連接形式在相鄰空心板之間通過工型鋼進(jìn)行連接，工型鋼的兩側(cè)槽口內(nèi)分別卡入相鄰兩塊空心板的側(cè)邊，即以工型鋼代替鉸縫連接各空心板，這種連接不僅可以增強(qiáng)板間剪力傳遞能力，而且空心板的縱向側(cè)邊可以做成直邊，方便空心板預(yù)制施工�？招陌暹B接形式見圖2.2。圖中 1 表示空心板橋；2 表示孔洞，4 表示工型鋼。
由圖 2.2 可知，空心板的縱向側(cè)邊為直邊，就需要對新截面形式的空心板進(jìn)行設(shè)計。對于空心板工型鋼橫向連接截面的設(shè)計，可以按照等效截面的方法進(jìn)行[38]。新老空心板截面形式和連接方式如圖 2.3 所示。
截面等效的原則：
（1）新老兩個截面的面積相等；
（2）兩個截面的 y 軸慣性矩相等；
（3）頂?shù)装宓暮穸�，外輪廓尺寸相等�?br />

（4）中截面腹板寬度與邊截面較窄的腹板寬度相等。

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2.2 裝配式空心板橋有限元計算模型的建立
本文采用 Ansys 有限元軟件分別建立 16m 跨徑的新舊兩種連接方式的先張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式空心板橋的實體有限元模型。由于工型鋼連接件和空心板之間的變形并不協(xié)調(diào)，要模擬兩者之間的接觸關(guān)系，需要采用接觸單元來模擬。同時，需要分析工型鋼頂板下部對應(yīng)的空心板部位的混凝土應(yīng)力是否超出限值，混凝土是否會發(fā)生破壞，連接件的變形是否會導(dǎo)致橋面鋪裝層的破壞。
2.2.1 模型的基本材料屬性
本文以 2007 年公布的空心板橋標(biāo)準(zhǔn)圖集為參考，以標(biāo)準(zhǔn)圖集中跨徑為 10m，13m，16m，20m 的先張法空心板橋的圖紙為例，對這 4 種跨徑的空心板橋梁分別建立各空心板間橫向采用 I 型鋼連接和空心板間橫向采用傳統(tǒng)鉸縫連接的有限元計算模型[39]�？招陌鍢虻闹饕牧蠘�(biāo)準(zhǔn)：
2.2.2 有限元模型

本文采用荷載橫向分布影響線來判斷不同連接形式的裝配式空心板橋整體性能的優(yōu)劣。影響荷載橫向分布影響線的因素主要有：截面特性、板間連接方式的模擬、荷載作用位置等，這些參數(shù)都對計算結(jié)果有影響。因此，在保證截面等效合理的基礎(chǔ)上，要合理模擬鉸縫和空心板之間的連接，以及工型鋼與空心板之間的接觸關(guān)系。在建立有限元模型時，兩類連接的裝配式空心板橋有限元模型都采用三維實體單元進(jìn)行模擬，采用六面體網(wǎng)格、手動劃分網(wǎng)格的方法離散裝配式空心板橋，對于空心板和工型鋼接觸部位的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。對于鉸縫連接的空心板橋，空心板混凝土、鉸縫混凝土采用 Solid65 單元，預(yù)應(yīng)力鋼束采用 Link8 單元模擬。在確定鉸縫混凝土的彈性模量時，要考慮到鉸縫處新老混凝土的結(jié)合面，需對鉸縫處混凝土的彈性模量進(jìn)行一定的折減。因為，鉸接板梁法是在假定鉸縫完全傳遞剪力的基礎(chǔ)上得出的，通過理論計算所得的空心板橫向荷載分布系數(shù)與有限元軟件計算結(jié)果相比，對企口縫混凝土的彈性模量進(jìn)行折減，最終確定企口縫處混凝土彈性模量比實際彈性模量折減 300 倍，可以得到一個相對合理的計算結(jié)果。

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3 工型鋼尺寸變化對裝配式空心板橋整體性影響分析.......... 23
3.1 全橋有限元模型的建立.......................................23
3.2 工型鋼腹板厚度 b 變化時對空心板橋空間整體性的影響 ..........25
4 采用工型鋼橫向連接的斜交空心板橋整體性能分析.......... 50
4.1 斜交裝配式空心板橋計算模型 ................................50
4.2 斜交裝配式空心板橋分析.....................................52
5 橋面鋪裝對裝配式空心板橋橫向傳力能力的影響............ 70
5.1 橋面鋪裝的有限元計算模型建立 ..............................70

5.1.1 鋪裝層的基本材料屬性 ......................................... 71

5 橋面鋪裝對裝配式空心板橋橫向傳力能力的影響

對于裝配式空心板橋，橋面鋪裝層既是橋梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，同時又參與結(jié)構(gòu)受力，它一方面分散荷載并參與結(jié)構(gòu)的受力, 另一方面起聯(lián)絡(luò)各空心板共同受力的作用。在橋梁設(shè)計計算時，通常不考慮橋面鋪裝層的作用，僅將鋪裝層作為參與結(jié)構(gòu)受力的安全儲備。當(dāng)橋面鋪裝層與行車道板之間結(jié)合良好時，可以認(rèn)為鋪裝層和橋面板構(gòu)成了疊合結(jié)構(gòu)，這種二次受力與一次受力構(gòu)件在受力性能上有很大的區(qū)別。對于工型鋼橫向連接裝配式空心板橋，與采用鉸接縫連接的裝配式空心板橋相比，鋪裝層的作用更加重要，一方面加強(qiáng)了空心板間的橫向連接作用，另一方面能夠保證工型鋼連接件與橋面板之間的接觸，保證連接件更好地參與結(jié)構(gòu)受力[46~48]。由于工型鋼連接件與混凝土之間是搭接在一起的，空心板橋在受荷時，兩者的變形并不協(xié)調(diào)。因此，有必要分析橋面鋪裝層對裝配式空心板橋傳力效果的影響。

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5.1 橋面鋪裝的有限元計算模型建立
在防水混凝土中配筋的主要目的是保證承受的載荷能均勻擴(kuò)散分布，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能。本文為了簡化，在建立橋面鋪裝層時不考慮鋪裝層內(nèi)的鋼筋網(wǎng)。工型鋼橫向連接空心板橋的橋面鋪裝層與主梁的橋面板以及工型鋼連接件的頂板是緊密結(jié)合在一起的，采用共節(jié)點的形式進(jìn)行連接，保證兩者之間的變形協(xié)調(diào)，因此采用與主梁相同的網(wǎng)格劃分。

采用 Ansys 有限元軟件建立包含鋪裝層的橋梁有限元計算模型，瀝青混凝土和防水混凝土均采用 Solid65 模擬。橋面鋪裝層建模時，通過 mesh200 單元在橋面板上生成一層新的面網(wǎng)格，通過對面網(wǎng)格進(jìn)行擴(kuò)展，生成橋面鋪裝層，鋪裝層的節(jié)點和主梁的節(jié)點采用共節(jié)點處理。由于鋪裝層本身的應(yīng)力狀態(tài)不是本文研究的重點內(nèi)容，在鋪裝層內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)片在建立模型時不予考慮。以斜交30°跨徑 20m 裝配式鉸接縫裝配式空心板橋為例，在增設(shè)橋面鋪裝層之后的全橋有限元計算模型如圖 5.1 所示。

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6 結(jié)論和展望

6.1 本文主要結(jié)論
本文分別建立空心板間橫向采用工型鋼連接和鉸縫連接的裝配式空心板橋有限元計算模型，對比計算結(jié)果，對工型鋼橫向連接方式的適用性進(jìn)行評判。所完成的主要工作和取得的結(jié)論如下：
（1）采用工型鋼連接代替鉸縫連接，解決了因為鉸縫混凝土破壞導(dǎo)致橋梁病害的問題。采用工型鋼連接的工作機(jī)理如下：當(dāng)橋面作用荷載時，空心板和工型鋼連接件之間發(fā)生相互錯動的趨勢，從而通過相互擠壓和靜摩擦力傳遞剪力，進(jìn)而保證裝配式空心板的空間整體性。
（2）采用Ansys有限元軟件建立裝配式空心板橋?qū)嶓w有限元模型，通過對比采用兩種不同連接形式的正交裝配式空心板橋的荷載橫向分布影響線，可知采用工型鋼連接的裝配空心板橋其橫向傳力介于鉸接空心板和剛接空心板之間，保證了單個空心板為單向板，不用雙向配筋，滿足了設(shè)計初衷。

（3）得到了采用工型鋼連接時，不同跨徑正交裝配式空心板橋的連接件布置形式，，工型鋼的頂?shù)装搴穸葹?0mm，腹板厚度為15mm，單個連接件長0.5m，對于跨徑10m、16m、20m正交空心板橋，連接件采用均勻布置的形式，連接件布置個數(shù)分別為7個、9個、15個。當(dāng)跨徑為13m時工型鋼連接件均勻布置7個，單個連接件長度0.6m。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：220516