摘要: 介紹了淺鉸縫空心板橋病害類型及病害原因，用有限單元法分析了淺鉸縫空心板橋的橫向聯系受力特點，并根據受力分析結果提出加強橋面鋪裝配筋和加厚橋面鋪裝兩種改善空心板橫向聯系的方法，通過詳細計算評價了兩種方法對改善鉸縫受力的效果，為工程項目提供技術參考。
1 概述
空心板橋采用先預制后安裝的施工方法，施工進度快、費用低，在橋梁建造中得到廣泛應用。20 世紀80 年代～ 90 年代建造的部分空心板梁橋橫向聯系采用淺鉸縫，縫內配置少量鋼筋或不配置鋼筋，橫向聯系較弱，在已建成公路的橋梁調查中發現，空心板梁橋的鉸縫發生病害和破壞現象十分嚴重，常見病害: 1) 鉸縫開裂、脫落; 2) 空心板橫向裂縫; 3) 鉸縫處橋面鋪裝縱向裂縫。
根據淺鉸縫空心板橋面的病害現象及受力特點，可知其主要病因: 淺鉸縫橫向聯系較弱，鉸縫開裂脫落后僅由橋面鋪裝承擔橫向聯系，在重車作用下橋面鋪裝在鉸縫處容易出現縱向裂縫，從而導致單板受力，促進空心板橫向裂縫的產生，嚴重者甚至引起塌板，危及行車安全。下文以某拱橋為例，介紹該橋橋面系病害情況，分析橋面系空心板的橫向聯系受力特點，并提出加強空心板橫向聯系剛度、改善鉸縫處橋面鋪裝受力狀態的加固方法。
2 橋梁概況
某橋梁主橋為11 跨鋼筋混凝土雙肋箱拱橋，凈跨徑90 m，拱軸系數m = 1． 543 m，矢跨比f0 /l0 = 1 /6。主橋橋面系為淺鉸縫空心板，每一主拱的拱上建筑由15 小跨簡支空心板組成。橋面鋪裝為8 cm 厚C50 混凝土，橋面鋪裝內配置間距100 mm × 100 mm
的
10 mm 鋼筋。橋面寬度為16． 5 m∶ 0． 5 m( 人行道護欄) +2． 75 m( 人行道) + 0． 5 m( 防撞墻) + 9． 0 m( 車行道) + 0． 5 m( 防撞墻) + 2． 75 m( 人行道) + 0． 5 m( 人行道護欄) ，行車道板與人行道板無結構連續，行車道板為鋼筋混凝土空心板，各拱上每小跨橫向布置9 片，行車道板板寬均為0． 99 m，板厚均為0． 33 m。主橋單跨立面見圖1，橋面系橫斷面見圖2。
橋梁在運營期橋面發生了塌板，見圖3，圖4。經檢測，該橋主橋行車道板共發現橫向裂縫7 670 道，單塊空心板橫向裂縫最多達27 條，部分橫向裂縫已貫穿空心板板底，縫寬范圍0． 04 mm ～0． 3 mm; 行車道板鉸縫共發現159 處鉸縫開縫、局部砂漿剝落和151 處通長砂漿剝落; 橋面鋪裝共發現528 道縱向裂縫，縫寬范圍0． 1 mm ～ 3 mm。由病害類型及發生部位初步推斷本橋橋面系病害原因為: 1) 行車道板橫向聯系為淺鉸縫，運營中鉸縫容易發生開裂脫落，削弱空心板橫向聯系; 2) 橋面鋪裝僅8 cm，厚度偏薄，鉸縫破壞后容易發生縱向裂縫; 3) 鉸縫、橋面鋪裝破壞后，空心板橫向聯系受到削弱，單板受力嚴重，從而導致空心板橫向裂縫甚至塌板。為進一步探究橋面系病因，下文將建立精細的結構計算模型，對行車道板橫向聯系進行詳細分析。
3 淺鉸縫空心板橋鉸縫處橋面鋪裝受力分析
用大型通用有限元軟件ANSYS 建立橋梁行車道空心板計算模型，由于淺鉸縫內未配置鋼筋，不考慮鉸縫參與受力，空心板僅以橋面鋪裝作為橫向聯系，考慮橋面鋪裝內縱、橫向鋼筋。用Sol-id45模擬混凝土，用Beam44 模擬鋼筋，上部結構離散圖見圖5，橋面鋪裝鋼筋離散圖見圖6。為探究鉸縫處橋面鋪裝受力特點，查明鉸縫處橋面鋪裝的破壞病因，設置以下兩個工況:
1) 鉸縫處橋面鋪裝最大剪應力工況;
2) 鉸縫處橋面鋪裝最大拉應力工況。
由于拱上每小跨跨徑小( 標準跨徑6． 32 m) 、橋面寬( 行車道寬9 m) 、單塊空心板寬度小( 0． 99 m) ，局部分析時車輪間的相互影響小，因此鉸縫處橋面鋪裝混凝土的受力分析以單個標準車后輪施加于結構。兩個工況均受一個標準車后輪輪重作用，標準車后輪輪重70 kN，沖擊系數μ = 0． 3，著地面積0． 6 m( 橫向) ×0． 2 m( 縱向) ，根據文獻的研究成果，鉸縫處剪力最大值縱向上位于跨中，荷載作用點縱向上位于跨中，橫向上作用于橋面外緣。根據本橋的結構特點，本文兩個計算工況輪位中心縱向上均布置于跨中，車輪荷載縱向布置見圖7; 鉸縫處最大剪應力工況車輪荷載橫向布置見圖8，橋面鋪裝最大剪應力發生在1 號鉸縫處; 鉸縫處最大拉應力工況車輪荷載橫向布置見圖9，橋面鋪裝最大拉應力發生在5 號鉸縫處。
兩個工況下5 號鉸縫處橋面鋪裝第一主應力最大值均發生在底面。兩個工況下的受力分析結果匯總于表1。
經分析，兩個工況下鉸縫處混凝土第一主應力最大值均超過C50 的抗拉強度設計值( 1． 83 MPa) ; 最大拉應力工況作用下鉸縫處橋面鋪裝底面第一主應力最大值比最大剪應力工況大，由此可見最大拉應力工況作用下鉸縫處橋面鋪裝底面混凝土受力較不利。
4 加強淺鉸縫空心板橋橫向聯系的加固設計方法
淺鉸縫空心板橋橋面系病害的根本原因在于橫向聯系較弱，在車輪荷載作用下鉸縫容易脫落，鉸縫處橋面鋪裝容易產生縱向裂縫，從而導致空心板單板受力。對淺鉸縫空心板橋進行加固的首要任務是加強空心板的橫向聯系。由于淺鉸縫空心板鉸縫較狹窄，要在鉸縫內植筋澆筑混凝土顯然行不通，增大橋面鋪裝剛度、改善鉸縫處橋面鋪裝受力狀態是加強空心板橫向聯系的有效途徑。加強橋面鋪裝配筋和增加橋面鋪裝層厚度均能達到增大橋面鋪裝剛度、改善鉸縫處橋面鋪裝受力狀態的目的，本節通過有限元分析探究橋面鋪裝配筋和橋面鋪裝厚度兩個因素對鉸縫處橋面鋪裝受力狀態的影響，在此基礎上提出增大橋面鋪裝剛度、改善鉸縫處橋面鋪裝受力狀態的有效方法。
設置以下15 個分析工況，用有限單元法進行不同橋面鋪裝厚度、不同配筋情況下的鉸縫處混凝土受力分析。15 個工況的荷載均為標準車單個后輪輪重對稱作用于5 號鉸縫跨中位置，荷載橫向布置圖見圖8。各工況內容見表2，各工況計算結果見表3。
由表3 可見，橋面鋪裝厚度不變的情況下，鋼筋直徑越大5 號鉸縫處混凝土最大第一主拉應力越小，但減小幅度并不明顯:橋面鋪裝厚度為8 cm 情況下，鋼筋直徑由10 mm 增加至14 mm，最大第一主拉應力減小0． 014 MPa; 橋面鋪裝厚度為10 cm 情況下，鋼筋直徑由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉應力減小0． 048 MPa; 橋面鋪裝厚度為12 cm 情況下，鋼筋直徑由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉應力減小0． 060 MPa; 橋面鋪裝厚度為15 cm 情況下，鋼筋直徑由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉應力減小0． 064 MPa; 橋面鋪裝厚度為20 cm 情況下，鋼筋直徑由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉應力減小0． 058 MPa。
橋面鋪裝鋼筋直徑不變情況下，橋面鋪裝厚度越大5 號鉸縫處混凝土最大第一主拉應力越小，且減小幅度較明顯: 橋面鋪裝鋼筋直徑為10 mm 情況下，鋪裝層厚度由8 cm 增加至20 cm，最大第一主拉應力減小1． 169 MPa; 橋面鋪裝鋼筋直徑為12 mm 情況下，鋪裝層厚度由8 cm 增加至20 cm，最大第一主拉應力減小1． 179 MPa; 橋面鋪裝鋼筋直徑為14 mm 情況下，鋪裝層厚度由8 cm 增加至20 cm，最大第一主拉應力減小1． 192 MPa; 橋面鋪裝鋼筋直徑為16 mm 情況下，鋪裝層厚度由10 cm 增加至20 cm，最大第一主拉應力減小0． 968 MPa。
橋面鋪裝厚度為20 cm 情況下，配置雙層間距100 mm ×100 mm的Φ16 鋼筋，鉸縫處橋面鋪裝底面第一主拉應力1． 837 MPa，接近C50 抗拉強度設計值1． 83 MPa。
5 結語
1) 淺鉸縫空心板橋上部結構病害發生的主要原因為橫向聯系較弱，鉸縫容易開裂、脫落，橋面鋪裝厚度不夠的情況下容易發生破壞，導致單板受力。
2) 對淺鉸縫空心板橋上部結構進行加固改造時，加強空心板橫向聯系是解決問題的根本。
3) 增大橋面鋪裝配筋對減小鉸縫處橋面鋪裝底面第一主拉應力效果不明顯，增大橋面鋪裝層厚度可有效減小鉸縫處橋面鋪裝底面的主拉應力。
4) 橋面鋪裝厚度為20 cm 時，配置上、下兩層網格尺寸100 mm ×100 mm 的Φ16 鋼筋，鉸縫處橋面鋪裝底面混凝土第一主拉應力1． 837 MPa，接近C50 抗拉強度設計值，為提高橋梁結構使用性能及耐久性，建議橋面鋪裝改造后的厚度應大于20 cm，配置上、下兩層網格尺寸100 mm × 100 mm 的Φ16鋼筋。
