框架结构桥面板受力性能分析

陈伟健 李波 韩福洲

摘要：桁架及系杆拱等框架结构应用广泛，其桥面板多采用预制板结构。文章以某省道系杆拱桥为例，从桥面板梁横向分布系数影响因素及找平层协同作用两方面，针对这种短小跨径构件受力性能开展了计算分析。结果表明：（1）找平层协同作用对板梁横向分布系数影响较小;（2）考虑找平层的协同作用可以显著提高桥面板工作刚度，改善桥面板承载状态;（3）桥面板几何参数对找平层协同作用效果的影响较小。

关键词：桥梁结构;横向分布系数;找平层;协同作用

文献标识码：U443.31-A-23-075-3

0 引言

在役橋梁在长期气候环境等因素影响下结构材料性能会逐步退化，且在役桥梁面临的交通荷载环境日益严峻。交通运输部发布的统计数据[1]表明，2010—2019年我国公路货运周转总量增长约37%，单位里程公路货运周转量增长约10%。文献资料表明[2]，交通荷载是在役桥梁产生重大责任事故的主要诱因之一。中小跨结构由于其受力响应特征对重车荷载更为敏感。框架结构桥面板梁作为直接承受车轮荷载的受力构件，梳理其受力性能特征是加强服役安全评估的重要举措。

1 既有分析研究

桁架桥、系杆拱等框架结构由于受力特征明晰、设计施工相对简单而被广泛采用。早期建成的框架体系桥梁桥面板多采用多个预制构件横向并列布置。

计算常规桥梁荷载横向分布的方法主要有杠杆原理法、偏心压力法、铰接板法、刚接板法以及比拟正交异性板法等[3]。相关研究[4-5]比较了各种方法对应计算结果之间的差异，阐述了误差产生的原因，探讨了各计算方法的准确性和适用性，并给出了合理的建议。2015年石雄伟等[6]以114座预应力混凝土连续箱梁及空心板桥作样本，对桥面铺装对多主梁间横向分布计算影响进行了系统研究，计算了在不考虑桥面铺装、考虑一半铺装和考虑全部铺装下桥梁结构横向分布系数的变化。研究结果表明桥面铺装对中小跨径梁桥的荷载横向分布影响基本可以忽略，对主梁试验校验系数影响较大。

针对在役桥梁结构损伤对结构受力性能变化的影响，行业学者也陆续开展了模拟分析及实桥对比分析研究。2012年潘桂梅等[7]以一座在役简支小箱梁桥为背景，通过对现框架结构桥面板受力性能分析/陈伟健，李 波，韩福洲

场记载试验获得了该桥横向分布系数试验值，分析结果表明旧桥横向分布系数实测值与理论值结果相差比较大。2014年聂瑞锋等[8]通过建立不同参数组合的桥梁结构有限元模型，分析了不同跨径、不同铰缝损伤工况负弯矩横向传递的影响。2018年邬晓光等[9]考虑了在役装配式T梁桥梁体裂缝引起的刚度分配，在传统刚性横梁法的基础上考虑了刚度损伤部分引起的附加挠度，提出了修正刚性横梁算法并进行了有限元仿真及实桥荷载试验验证。2019年旷斌等[10]以5片空心板组成的装配式梁桥为研究对象，基于铰接板梁法，考虑铰缝损伤，提出修正铰接板梁法，并进行了桥梁荷载试验验证。

相关文献针对主梁横向分布系数计算理论、桥面铺装影响、结构运营损伤模拟分析等方面就多主梁受力性能分析开展了较为详尽的研究，但既有研究针对的是跨度相对较大的空心板、T梁、组合梁等结构，对应研究成果对于跨径约为5 m等更为短小的框架结构桥面板适用性需要进一步讨论。

2 工程计算

某省道桥梁建成于2001年，设计荷载为汽车-20级、挂车-100。结构主桥采用71 m跨下承式钢管混凝土系杆拱，引桥为20 m预应力混凝土T梁。单幅结构主桥采用2片钢管混凝土拱肋，系梁采用预应力混凝土结构。主桥单幅横桥向布置两排吊杆，每排共13根，吊杆间距为5 m。预制桥面板简支搭接于吊杆下锚头锚固位置横梁上，单块桥面板构造长度为4.5 m，横向宽度为1.38 m。桥面找平层沿桥跨通长浇筑并布置了面层钢筋网，最终形成桥面板简支、桥面找平层连续的结构形式。找平层在横梁前后1 m范围内布置局部加强钢筋。见图1。

桥梁所在省道重载交通特征明显，为分析桥面预制板梁实际承载能力，以便于对交通轴载进行有效管控，避免重车过桥导致桥面预制板垮塌事故，本文拟对桥面板受力性能特征进行分析。

本文选择重车车道下桥面板，采用Midas软件8节点实体单元进行有限元仿真分析，建模范围包括目标桥面板（4#板）及两侧桥面板、找平层。桥面沥青混凝土铺装仅考虑其对车轮荷载扩散效应。桥面板梁采用简支体系、找平层在横梁上方截面区域加载对称约束。结构计算模型如图2所示。

按照桥面板横向分布系数分析及找平层协同作用分析，分别设计计算模型组，同时考虑结构几何特性参数影响。对应加载工况的含义如下：

（1）考虑找平层是否协同受力，设计对比组“考虑找平层”“不考虑找平层”，其中“不考虑找平层”即不建立找平层模型单元，仅考虑其对车轮荷载扩散的效应。

（2）考虑铰缝混凝土是否完好，设计对比组“铰缝混凝土完好”“铰缝混凝土失效”。在考虑找平层协同作用情况下，铰缝区域对应找平层混凝土，如果考虑失效且桥面预制板铰缝混凝土同时失效，则增加设置“铰缝通长裂缝”对比模型。

（3）考虑桥面板梁厚度对计算结果的影响，增加设置“桥面板增厚”对比模型，对应桥面板厚度由20 cm增加至30 cm。

（4）考虑桥面板跨度对计算结果的影响，增加设置“桥面板加长”对比模型，对应桥面板构造长度由4.5 m增加至7 m。

3 结果分析

以在车轮最不利加载作用下桥面板跨中位置竖向位移作为受力性能分析目标参量进行对比分析。

3.1 荷载横向分布系数

荷载横向分布系数对比计算结果表明：（1）当铰缝位置混凝土工作性能完好的条件下，考虑找平层与桥面板协同作用对桥面板横向分布系数计算影响较小;（2）当找平层混凝土完好但是铰缝位置混凝土失效的条件下，考虑找平层与桥面板协同作用对桥面板横向分布系数计算更为有利，计算结果与桥面板铰缝位置混凝土工作性能完好时的数值偏差较小。

3.2 找平层协同作用

文献资料[11-12]针对新老混凝土结合面传力性能进行了系统试验设计。加载破坏试验数据表明：（1）不在交界面植入钢筋，新老混凝土结合面剪切应力<3 MPa时，新老混凝土协同受力特征完好，交界面未植入钢筋的素混凝土对应试验数据如表1所示;（2）在交界面植入钢筋后新老混凝土结合面抗剪切参数会显著增加。

在不考虑铰缝附近门式钢筋对新老混凝土结合面抗剪增强的作用，铰缝位置混凝土及找平层铰缝区域混凝土全部失效时，目标桥面板处于最为不利的单板受力状态，在此工况下提取找平层后浇筑混凝土与桥面板混凝土交界面应力约为0.9 MPa，对应数值远小于文献中加载破坏试验对应的强度限值。因此本文认为在计算桥面板承载能力时找平层混凝土与桥面板之间不会发生剥离，考虑找平层协同作用是合理的。见图4、图5。

本文找平层协同作用分析对比计算结果（见后页图6）表明：（1）考虑找平层的协同作用可以显著提高桥面板工作刚度，改善桥面板承载状态;（2）桥面板梁高及跨度等几何参数对找平层协同作用效果的影响较小。

4 結语

（1）计算结果表明，当桥面板梁铰缝区域混凝土工作性能完好时，找平层协同作用对桥面板梁间荷载横向分布系数影响较小;当桥面板梁铰缝区域混凝土失效而找平层混凝土工作性能完好时，桥面板梁间仍能保持相当的横向协同受力性能。

（2）依据新老混凝土界面破坏试验的文献资料数值成果，可以根据应力分析结果考虑找平层混凝土与桥面板的协同承载作用，以确保桥梁构件实际承载能力计算更接近实际。

（3）在框架结构体系设计施工过程中，建议桥面板尽量采用整体现浇结构构造，以尽量避免由于铰缝混凝土失效导致桥面板受力性能与设计状态存在较大偏离的现象。

（4）当框架结构桥面板采用预制板梁时，建议在施工期对桥面板上面层进行拉毛、轻微凿毛等能显著增加表面粗糙程度的施工处理措施，以利于找平层能更好地参与桥面板协同受力，提高结构实际安全风险抵抗能力。

参考文献

[1]交通运输部.2020年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].http：//www.mot.gov.cn/fenxigongbao/hangyegongbao，2021-05-19.

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[4]刘其伟，王成明，李 捷.装配式空心板桥荷载横向分布计算方法比较分析[J].建筑科学与工程学报，2011，28（2）：100-105.

[5]陈勇军，张会远.桥梁横向分布系数计算方法对比分析研究[J].公路工程，2015，40（3）：148-151.

[6]石雄伟，雷 丹，袁卓亚，等.桥面铺装对中小跨径PC梁桥校验系数影响分析[J].应用基础与工程科学学报，2015，23（4）：792-804.

[7]潘桂梅，李平杰，马牛静.旧铰接板梁桥横向分布系数现场试验研究[J].中外公路，2012，32（2）：163-168.

[8]聂瑞锋，石雪飞，阮 欣，等.在役多车道空心板梁桥弯矩横向分布系数计算方法研究[J].2014，44（2）：56-60.

[9]邬晓光，钱若霖，苏 佩.考虑刚度损伤的装配式T梁桥横向分布计算[J].公路交通科技，2018，35（6）：61-66.

[10]旷 斌，李院军.考虑铰缝损伤的装配式空心板梁桥荷载横向分布系数计算方法[J].世界桥梁，2019，47（5）：74-78.

[11]王振领.新老混凝土粘结理论与试验及在桥梁加固工程中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2006.

[12]刘传奇.新旧混凝土界面粘贴机理试验研究[D].西安：长安大学，2014.

收稿日期：2021-03-22

基金项目：

江苏省交通运输科技项目“桥梁建设养护标准化和智能化关键技术研究”（编号：2019Y69）

作者简介：

陈伟健（1987—），工程师，研究方向：在役桥梁安全性能评估与结构安全监测研究。