交通世界TRANSPOWORLD空心板桥支座脱空与铰缝受力关系
有限元分析
蒋远辉1，崔毅2
（1.重庆市市政设施管理局，重庆 400015；2.北京特希达科技有限公司，北京 100011）
摘要：以带有深铰缝构造的空心板桥为研究对象，采用空间有限元软件建立了1跨13m空心板桥实体模型，通过设置不同支座刚度来模拟支座脱空程度，计算了在公路—Ⅰ级车辆荷载作用下，支座脱空对铰缝在跨中和梁端处的受力影响。结果表明：支座在不同脱空程度下，对铰缝在跨中处受力几乎无影响，对铰缝在梁端处受力影响较大，因而支座脱空易造成铰缝梁端处应力超限，加上汽车荷载特别是重车的反复作用，易造成梁端铰缝开裂失效，加速整个铰缝破坏。关键词：空心板桥；支座脱空；支座刚度；铰缝受力；有限元法中图分类号：U443.36
文献标识码：B
0 引言
空心板桥结构具有预制工艺简单、施工安装方便、造价低、易施工等优点，在公路工程中得到广泛应用。
支座作为桥梁结构受力体系中的重要一环，起着联系上部梁板和下部墩台的重要作用。空心板桥多采用板式橡胶支座，即采用橡胶或在橡胶内嵌入多层加劲材料（钢材）制成的平板式支座，每片空心板梁设置4块板式橡胶支座。
脱空是常见的一种支座病害，尤其是空心板梁这种4点受力支撑的结构，任何一个支座的脱空都会造成上部结构梁板受力的改变。
本文以1跨13m带有深铰缝构造的空心板桥为研究对象，采用空间有限元软件建立实体单元全桥模型，通过设置不同刚度模拟支座脱空程度，从而得出支座脱空对铰缝受力的影响。
图2 空心板横截面（单位：cm）图1 全桥跨中横断面布置（单位：cm）
1 有限元模型的建立
以浙江省某国道中具有代表性的13m装配式空心板桥为研究对象进行有限元分析。全桥由10片后张法预制空心板梁组成，单片空心板梁高0.7m，梁宽1.24m，跨中横断面布置图和空心板横截面图分别如图1、图2所示；桥面为10cm厚C50现浇层上加铺10cm厚沥青铺装。
空心板梁和铰缝混凝土强度均为C50，均采用实体单元来模拟。空心板梁、铰缝和全桥网格划分分别如图3~图5所示。
每片空心板梁端设置2个GYZ 200mm×42mm的板式橡胶支座，由于单个支座脱空程度的不同，按照百分比取其刚度进行计算，详见表1。
收稿日期：2017-02-20
图4 铰缝网格划分图3 空心板网格划分
67总2017422年第期
8期（3月 中）
图5 全桥网格划分
表1 支座刚度取值表
支座刚度SDxSDy
SDSRxSRySRzz
脱空程度
(kN/m)(kN/m)(kN/m)(kN·m/(kN·m/(kN·m/rad)rad)rad)03295 675 675 3.00 742 742 25%246746 506 506 2.25 557 557 50%1498 338 338 1.50 371 371 75%82249 169 169 0.75 186 186 100%
0
0
0
0
0
0
2 车辆荷载和加载工况
2.1 车辆荷载
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中4.3.1节的规定，桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。本文研究对象是铰缝，故采用车辆荷载加载。公路—Ⅰ级汽车荷载所采用车辆荷载的标准立面布置和横向布置分别见图6、图7。
图6 车辆荷载立面布置（尺寸单位：cm，荷载单位：kN）
图7 车辆荷载横向布置（单位：cm）
2.2 加载工况
本文研究对象是单跨13m的空心板梁，将车辆荷载等效为集中力加载，当研究铰缝在跨中的受力状况时，车辆荷载纵桥向作用位置见图8（a）；当研究铰缝在梁端的受力状况时，车辆荷载纵桥向作用位置见图8（b）；横桥向布置2辆车，见图8（c）。
3 计算分析
单片空心板梁设置有4块支座，3点确定1个平面，故单片空心板梁上最多1个支座完全脱空。本文研究对象为5
68（a）纵桥向作用位置（跨中）
（b）纵桥向作用位置（梁端）
（c）横桥向作用位置
图8 车辆荷载作用位置（尺寸单位：cm，荷载单位：kN）
号铰缝，为了充分反映出支座脱空对铰缝受力的影响，选取同一桥墩上紧挨5号铰缝的2个支座（支座A、支座B，如图9所示）的刚度为变量。模拟支座脱空程度分别为0、25%、50%、75%和100%，对应的支座刚度取值见表1。
图9 脱空支座位置
在支座A、支座B不同脱空程度组合下，5号铰缝跨中单元x方向轴向应力值和z方向剪力值分别见表2、表3。
表2 铰缝跨中单元x方向轴向应力值
x方向轴向应力A支座脱空程度
（MPa）
025%50%75%100%0
0.848 ----B支25%
0.850 0.851 ---座脱50%0.852 0.854 0.856--空程75%0.855 0.857 0.8590.863-度
100%0.859
0.861
0.865
0.870
0.877
表3 铰缝跨中单元z方向剪力值
A支座脱空程度
z方向单元内力(N)
0
25%50%75%100%0
5511
----
B支25%
5510
5508
---座脱50%
5508
5507
5505
--空程75%
5507
5505
5503
5501
-度
100%
5504
5502
5500
5497
5491
由表2、表3可知，铰缝跨中单元x方向轴向应力最大值为0.877MPa，最小值为0.848MPa，相差仅为0.029MPa；z方向剪力最大值为5511N，最小值为5491N，相差仅为20N。故支座脱空对铰缝在跨中处受力几乎无影响。
在支座A、支座B不同脱空程度组合下，5号铰缝梁端单元x方向轴向应力值和z方向剪力值分别见表4、表5。
表4 铰缝梁端单元x方向轴向应力值
x方向轴向应力(MPa)A支座脱空程度
025%50%75%100%B00.553----支座25%0.6390.723---脱50%0.7540.8470.972--空75%0.9161.0221.1661.373-程度
100%
1.160
1.2
1.4
1.720
2.124
交通世界TRANSPOWORLD表5 铰缝梁端单元z方向剪力值
z方向单元内力（N）A支座脱空程度
025%50%75%100%B01101 ----支座25%1717 1027 ---脱50%2541 1850 919 --空75%3699 3012 2080 744 -程度
100%
5448
4779
3862
2530
416
由表4、表5可知，铰缝梁端单元x方向轴向应力随着支座A、支座B脱空程度的增大而增大，最大值达到最小值的3.8倍；z方向剪力随着支座A、支座B脱空程度差值的增大而增大，最大值达到最小值的13.1倍。故支座脱空对铰缝在梁端处受力影响较大。
4 结论
（1）建立了1跨13m空心板桥实体模型，由10片带有深铰缝的空心板梁组成。根据支座脱空程度的不同，模拟与之相对应的支座刚度进行计算，重点关注铰缝在跨中和梁端截面的受力特点。
（2）通过模拟不同支座刚度组合，发现支座在不同脱空程度下，对铰缝在跨中处受力几乎无影响，对铰缝在梁端处受力影响较大。
（3）支座脱空会造成铰缝梁端处应力成倍增加，加上汽车荷载特别是重车的反复作用，易造成梁端铰缝开裂失效，从而加速整个铰缝破坏。
参考文献：
[1] 陈悦驰，吴庆雄，陈宝春. 装配式空心板桥铰缝破坏模
式有限元分析[J]. 工程力学，2014，31（S1）：51-58.[2] 胡盛华. 支座脱空对装配式简支空心板桥受力性能影响
分析及处理措施[J]. 林业建筑，2016（2）：39-42.[3] 张萍. 空心板桥铰缝缺陷评定与处治方法研究[D]. 重
庆：重庆交通大学，2013.
[4] 中交公路规划设计院. 公路桥涵设计通用规范：JTG
D60—2004[S]. 北京：人民交通出版社，2004.
[5] 中交公路规划设计院. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土
桥涵设计规范：JTG D62—2004[S]. 北京：人民交通出版社，2004.
（编辑：付修竹）
69
