摘要：为掌握运营多年的空心板梁桥在横向连接失效后，单梁剩余承载力水平以及是否能够满足承载要求，采用弹塑性理论分析了某高速公路预应力混凝土空心板梁的剩余承载力。通过荷载-位移曲线、应力状态演化和微裂缝发展等方面，评估了板梁的失效全过程。研究表明：基于弹塑性理论分析，该在役空心板单梁在210kN时底板混凝土开始开裂，直到在436kN荷载下完全破坏，其剩余承载力并不足以满足JTG D60-2015中车辆荷载的加载；另一方面，在铺装层作用下的空心板单梁剩余承载力会有所提升。
关键词：在役空心板梁桥；弹塑性分析；剩余承载力评估
引言
装配式空心板梁桥由于其制作工艺简单、造价相对低廉和运输安装方便等优点，在我国中小跨径桥梁中得到广泛的应用。随着空心板桥梁运营使用多年，设计施工初始缺陷以及外部恶劣环境作用下，空心板梁桥出现了很多病害问题，例如：梁体间的铰缝失效、梁体受拉区开裂、钢筋锈蚀以及桥面板破损等 [1]。梁体间的铰缝失效和桥面板破损开裂，直接导致空心板梁桥的横向内力传递途径失效，极易出现“单板受力”的问题。
至今，学者们针对空心板梁桥病害开展了大量的原因分析和加固研究，目的是避免此类病害或恢复桥梁的整体性，使得桥梁能够继续安全承载。袁爱民[2] 通过对两片取自高速公路的预应力空心板梁进行破坏试验，研究腹板带纵向裂缝的空心板梁的剩余承载力和其破坏机理。吴颖恒[3] 通过有限元模型分析与静载试验分别分析铺装层对空心板受力特性的分析，研究表明铺装层可以改善空心板桥的受力。综上所述，在役空心板梁桥的受力性能问题引起了学者和工程师的重视。故本文基于弹塑性理论，对在役空心板梁桥横向连接失效后的单梁剩余承载力进行数值分析，呈现荷载作用下桥梁失效过程，为在役空心板梁的剩余承载力评估提供方法。
1依托工程概述
1.1工程背景
某高速公路采用双向四车道分幅设计，桥梁上部结构90%以上采用企口小铰缝空心板结构体系，下部结构基本采用盖梁和双柱墩形式。该桥梁在20世纪90年代投入运营使用，近年来该高速公路的货车流量十分巨大且超载重载车辆很多，使得空心板梁桥出现了诸多严重病害。为了掌握该空心板梁桥是否存在很大的安全隐患，需要对板梁的极限承载能力进行分析。
1.2在役空心板中梁构造
该高速公路在役空心板的中梁跨径为16m。截面具体尺寸与构造如下：梁宽155cm、高80cm，腹板厚12cm，底板和顶板厚分别为11cm、16cm；底板梁纵向受力筋布置11根15.2mm的预应力钢绞线，保护层厚度37mm；顶板梁纵向布置8根10mmHRB235，保护层厚度15mm；两腹板各布置3根10mmHRB235，距离顶板高度分别为h1=555mm，h2=365mm，h3=175mm。
2 弹塑性分析与结果
2.1分析模型
采用有限元软件ANSYS进行空心板弹塑性时程分析，选用多线性等向强化模型和双线性等向强化模型来表示混凝土和钢筋的应力-应变关系。混凝土材料采用solid65单元，钢绞线和钢筋采用link8单元，不考虑钢筋与混凝土的粘结滑移。为保证非线性计算容易迭代收敛，在支座处和加载位置处加上弹性钢垫板，垫板与混凝土固结处理，支座处采用线约束。
2.2 荷载-位移曲线
分级试验荷载作用下L/4、L/2 及 3L/4截面位移发展趋势是一致的。随着荷载等级的增加，位移均在增大。图1为跨中截面的荷载-位移曲线图，荷载在0~210kN时，荷载位移曲线呈现线性，结构处于弹性状态。当荷载到达210kN结构开裂，结构刚度降低，荷载位移曲线呈现非线性。随着位移的进一步增加，将导致开裂现象加剧，梁体刚度逐渐变小，导致位移增长速率增大，最后位移无限增大，最终结构破坏（见图2）。由荷载位移曲线可以得到中梁空心板的抗弯试验的开裂荷载为210kN，极限承载力为436kN。
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图1 荷载-位移曲线
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图2 结构变形
2.3 应力状态演化
随着荷载的增大，空心板混凝土的应力逐渐增大。荷载加载初期，跨中顶板处混凝土于受压状态，跨中底板混凝土处于受拉状态。随着荷载增加，跨中底板的受拉范围逐渐增大。在开裂荷载作用下，底板最大拉应力为1.35MPa。破坏时顶板的最大压应力达到22.4MPa。
在破坏时的钢绞线和钢筋云图中可以得出，处于跨中附件钢绞线受拉达到屈服；破坏时空心板梁腹板钢筋也受拉达到屈服，屈服钢筋段分布在跨中附近；顶板钢筋两边受压达到屈服，而中间钢筋并未达到屈服点。
2.4 裂缝发展过程
随着荷载的增加，裂缝首先出现在空心板腹板的下缘，并逐渐向上延伸。随着弯矩增大，裂缝发展速度逐渐加快，并出现横向贯通裂缝，最终以跨中裂缝宽度过大且出现数条倒U形贯通裂缝而宣告结构破坏。如图3空心板中梁裂缝发展图所示，图（a）为加载210kN时，腹板跨中下缘附近出现少数几条裂缝。图（b）为加载240kN时，腹板跨中附近裂缝数量增多，且裂缝向上发展。图（c）当加载300kN时，裂缝已经发展到了支座附近，此时，不仅有竖向裂缝，同时在腹板上出现纵向裂缝。此后，随着荷载的进一步增加裂缝数量也在快速增加，同时顶板混凝土的压碎数量也在增加。最后，如图（d）所示全梁充满裂缝。
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（a）P=210kN
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（b）P=240kN
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（c）P=300kN
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（d）梁最终破坏图
图3 裂缝发展过程
3讨论
3.1 铺装层的影响
在考虑铺装层情况下，基于弹塑性理论建立具有铺装层的空心板梁有限元模型分析同一空心板梁的剩余承载能力。考虑铺装层情况下，施加荷载在0~240kN时，空心板梁荷载位移曲线呈现线性，结构处于弹性状态。当荷载到达240kN结构开裂，结构刚度降低，荷载位移曲线呈现非线性。即由荷载位移曲线可以得到中梁空心板的抗弯试验的开裂荷载为240kN，极限承载力为486kN。
综上可以看出，铺装层对空心板梁开裂荷载提高14%，极限承载力提高11%，即考虑铺装层的情况下空心板梁的剩余承载力会得到一定程度的提升。
3.2 与规范计算对比
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，钢筋和混凝土均采用经典二折现弹塑性本构模型，按照形心高度、面积和惯性矩不变的原则，将空心板等效为工字形截面，按截面抗弯承载力的计算得到中梁空心板的极限承载力为388.7kN。相较于弹塑性有限元计算得出的极限承载力436kN，其承载力相差10%，即基于弹塑性理论的有限元分析能较好的反应出空心板梁的剩余承载力，克服弹性理论计算的偏保守问题。
4 结论
（1）利用弹塑性理论分析得出的空心板梁的剩余承载能力与按规范正截面承载能力计算得出的结果相近，但是空心板单梁的剩余承载能力也不足以承受JTG D60-2015规范的车辆荷载55吨车的单边加载。故该高速公路对运行车辆的限重措施非常必要。
（2）在有铺装层的情况下，空心板梁的剩余承载力比不考虑铺装层的情况要大，即铺装层能提高空心板梁承载力，必要时可以增加铺装层厚度提高其承载能力。
参考文献：
[1]杨敏，靲欣华. 混凝土空心板梁桥典型病害成因分析及防治策略[J]. 城市道桥与防洪，2008，08：112-115
[2]袁爱民，沙洋峰，何雨. 腹板带纵向裂缝的预应力混凝土空心板梁剩余承载力试验研究[J]. 土木工程学报，2015，48（1）：22-28
[3]吴颖恒，张俊平. 桥面铺装对简支空心板受力行为的影响研究[J]. 广州大学学报：自然科学版，2011，10（1）：60-64
论文作者:陈志星
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：荷载论文; 承载力论文; 裂缝论文; 位移论文; 塑性论文; 腹板论文; 混凝土论文; 《基层建设》2019年第32期论文;