摘要：本文以武咸公路（三环线-红霞村）改造工程中的青菱河桥帮宽桥实体工程为例，对桥梁空心板铰缝连接新技术及其力学性能等进行了研究，并提出了一种装配式钢筋混凝土或预应力混凝土空心板的板间铰缝剪力连接构造，分析了其结构特点及优势。借助有限元软件，对新型铰接及常规铰接受力状态进行了模拟计算及对比分析。最终结果表明，新型铰缝具有受力更为均匀、传递荷载能力好的特点，适用于市政工程老桥帮宽项目。
关键字：空心板；铰缝；施工工艺；荷载试验
1.引言
武咸公路（三环线-红霞村）改造工程中的关键节点工程-青菱河桥帮宽工程，老桥全长82米，桥面宽43米，下部结构为桩柱式墩，均采用钻孔灌注桩形式；上部结构采用混凝土简支空心板形式。设计拟对其东侧帮宽12米，西侧帮宽9m，下部结构与上部结构均采用与老桥一致的形式。在所有帮宽形式中，上部结构相互连接、下部结构不连接的方式在实际应用中较为普遍且效果较好，因此青菱河帮宽桥采用了新旧桥的连接采用上部结构绞接，下部结构分离的方式。
常规混凝土空心板混凝土的铰缝的安全储备远低于预制板结构本身，由于铰缝过于狭小的空间使得铰缝浇筑质量不易保证，且新旧混凝土之间粘结力也会弱化，通常板间铰缝的钢筋布置太少，其中的预埋横向的连接钢筋的强度性能不足，钢筋的抗拉性能较低，起不到良好的横向连接作用，造成空心板桥桥梁的刚度不足，进而桥梁整体性能较差。当空心板板间铰缝破损出现时，进而造成桥梁结构出现病害问题，一般常见桥面会沿铰缝纵向方向出现开裂后，造成出现单个空心板受力状态等问题，最终造成了桥梁结构承载力整体降低。因此，有必要设计一种结构合理、经济安全、施工便利、连接性能优良及受力明确的空心板铰缝剪力连接构造形式，使得空心板桥梁结构具有良好的整体性和耐久性。
2.新型空心板铰缝连接构造形式
针对装配式钢筋混凝土或预应力混凝土空心板桥梁工程中所出现的板间铰缝连接技术问题，青菱河桥帮宽工程采用了一种设计新颖、结构合理、受力明确、性能优良、施工便利、经济安全且抗疲劳性及耐久性好，能够使空心板桥梁结构形成良好整体的板间铰缝剪力连接构造形式。
新型空心板铰缝连接构造，主要包括：PBL剪力键、剪力栓钉、预埋钢壁板、贯穿钢筋。剪力栓钉与预埋钢壁板3焊接后预埋在空心板的横向连接侧壁上，PBL剪力键在板间铰缝处单侧焊接在空心板的预埋钢壁板外侧上并通过贯穿钢筋交叉相连形成空心板板间铰缝剪力连接件。
空心板板间铰缝剪力连接件主要是由PBL剪力键、剪力栓钉、预埋钢壁板和贯穿钢筋组成的刚柔结合连接结构，并按照一定间距沿空心板纵向方向进行布置，通常根据空心板铰缝结构受力等情况设置纵向间距。
其中PBL剪力键是一种开孔钢板刚性剪力连接件，布置具有方向性，在板间铰缝两侧交叉对应设置且留有一定间距，开孔通常为圆形，孔位沿板间铰缝纵向且两侧相交连接贯通布设，圆孔中布设贯穿钢筋。
PBL剪力键通常与剪力栓钉在预埋钢壁板两侧对称布设，且每组空心板铰缝剪力连接件采用双剪力连接钢板结构形式，并根据板间铰缝的企口尺寸确定PBL剪力键的尺寸。其中剪力栓钉是一种柔性剪力连接件，布置方便灵活，可根据空心板侧壁尺寸及受力情况选择栓钉型号及布设方式。
板间铰缝和整体化层后浇混凝土，一般采用钢纤维UEA补偿收缩混凝土，混凝土材料的时变特性的改变，进而会达到降低混凝土收缩效应、徐变效应的最终目的。同时，可分段跳跃浇筑，避免整体通长现浇后混凝土收缩变形较大的弊端。
另外，板间铰缝在两组剪力连接件之间可设置上部抗剪钢筋、下部抗剪钢筋和交叉钢筋及其纵向钢筋。上部抗剪钢筋和下部抗剪钢筋是穿过空心板与板间铰缝混凝土结合面的钢筋，并预埋在空心板5中，交叉钢筋及其纵向钢筋是板间铰缝的混凝土加强钢筋。
3.计算分析
3.1计算参数
以20m简支空心板为例，对新型铰缝连接形式和常规铰缝连接形式进行模拟,分析其受力特性，计算参数如下:混凝土C40,弹性模量3.30×104MPa，泊松比1/6。
设计荷载：汽车为城－A级，按照《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）的规定计算。
车道荷载均布荷载标准值为：
qk=10.5kN/m
车道荷载集中荷载标准值为：
Pk=180+180÷45×15=240kN
3.2受力分析比较
根据空心板梁桥结构的受力特点，采用大型通用有限元软件ABAQUS建立了空心板桥梁上部结构的空间有限元模型，对不同连接形式的受力情况进行了仿真分析。
空间有限元模型采用C3D8R实体单元，板梁、铰缝设置了不同的材料属性。模型为结构简支，桥面连续的空心板梁桥，横桥向4片空心板梁，跨径为20m。车道荷载均布荷载在横桥向长度1/4和3/4处沿纵向布载，并分别在跨中布设车道荷载集中荷载。
通过计算，常规铰缝连接形式与新型铰缝连接形式的同样的车道荷载作用下的应力分布云图情况如下图所示。
图1 常规铰缝连接空心板桥的应力分布云图
从图1和图2可以看出，新型铰缝整体受力较为均匀，新型铰缝传递荷载的能力比较好，新型铰缝形式的空心板梁的最大应力为9.303MPa，常规铰缝形式的空心板梁的最大应力为9.979MPa，对比通过对比可以得出，新型铰缝在性能上比常规铰缝有了提升。在车道荷载均布荷载和集中荷载作用下，对于跨中截面新型铰缝整体受力比常规铰缝连接受力较为均匀，新型铰缝传递荷载的能力比较好。
图2 新型铰缝连接空心板桥的应力分布云图
通过对跨中截面在桥面位置沿相同路径的变化曲线分析可知，在车道荷载均布荷载和集中荷载作用下，常规铰缝连接形式的空心板桥与新型铰缝形式相比，其应力变化幅度较大，传递荷载的能力较弱。而新型铰缝形式的空心板桥则有较好的传递荷载的能力。
4.结束语
随着我国城市化进程不断加快，该类工程将会更加普遍。怎样在安全、美观、经济、适用等原则下，做好老桥帮宽改造的工作是当前应该思考的重要课题。本文介绍的新型铰缝连接形式可大幅改善和提高其抗剪性能以及空心板的结构整体性，无疑为帮宽桥工程的推广提供了新的思路。
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论文作者:蔡尚,胡鑫海,胡华峰,王晨,郁海鹏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/10/1
标签：剪力论文; 荷载论文; 结构论文; 钢筋论文; 板桥论文; 形式论文; 混凝土论文; 《基层建设》2018年第23期论文;