摘要: 介绍了浅铰缝空心板桥病害类型及病害原因，用有限单元法分析了浅铰缝空心板桥的横向联系受力特点，并根据受力分析结果提出加强桥面铺装配筋和加厚桥面铺装两种改善空心板横向联系的方法，通过详细计算评价了两种方法对改善铰缝受力的效果，为工程项目提供技术参考。

1 概述

空心板桥采用先预制后安装的施工方法，施工进度快、费用低，在桥梁建造中得到广泛应用。20 世纪80 年代～ 90 年代建造的部分空心板梁桥横向联系采用浅铰缝，缝内配置少量钢筋或不配置钢筋，横向联系较弱，在已建成公路的桥梁调查中发现，空心板梁桥的铰缝发生病害和破坏现象十分严重，常见病害: 1) 铰缝开裂、脱落; 2) 空心板横向裂缝; 3) 铰缝处桥面铺装纵向裂缝。

根据浅铰缝空心板桥面的病害现象及受力特点，可知其主要病因: 浅铰缝横向联系较弱，铰缝开裂脱落后仅由桥面铺装承担横向联系，在重车作用下桥面铺装在铰缝处容易出现纵向裂缝，从而导致单板受力，促进空心板横向裂缝的产生，严重者甚至引起塌板，危及行车安全。下文以某拱桥为例，介绍该桥桥面系病害情况，分析桥面系空心板的横向联系受力特点，并提出加强空心板横向联系刚度、改善铰缝处桥面铺装受力状态的加固方法。

2 桥梁概况

某桥梁主桥为11 跨钢筋混凝土双肋箱拱桥，净跨径90 m，拱轴系数m = 1． 543 m，矢跨比f0 /l0 = 1 /6。主桥桥面系为浅铰缝空心板，每一主拱的拱上建筑由15 小跨简支空心板组成。桥面铺装为8 cm 厚C50 混凝土，桥面铺装内配置间距100 mm × 100 mm

的10 mm 钢筋。桥面宽度为16． 5 m∶ 0． 5 m( 人行道护栏) +2． 75 m( 人行道) + 0． 5 m( 防撞墙) + 9． 0 m( 车行道) + 0． 5 m( 防撞墙) + 2． 75 m( 人行道) + 0． 5 m( 人行道护栏) ，行车道板与人行道板无结构连续，行车道板为钢筋混凝土空心板，各拱上每小跨横向布置9 片，行车道板板宽均为0． 99 m，板厚均为0． 33 m。主桥单跨立面见图1，桥面系横断面见图2。

桥梁在运营期桥面发生了塌板，见图3，图4。经检测，该桥主桥行车道板共发现横向裂缝7 670 道，单块空心板横向裂缝最多达27 条，部分横向裂缝已贯穿空心板板底，缝宽范围0． 04 mm ～0． 3 mm; 行车道板铰缝共发现159 处铰缝开缝、局部砂浆剥落和151 处通长砂浆剥落; 桥面铺装共发现528 道纵向裂缝，缝宽范围0． 1 mm ～ 3 mm。由病害类型及发生部位初步推断本桥桥面系病害原因为: 1) 行车道板横向联系为浅铰缝，运营中铰缝容易发生开裂脱落，削弱空心板横向联系; 2) 桥面铺装仅8 cm，厚度偏薄，铰缝破坏后容易发生纵向裂缝; 3) 铰缝、桥面铺装破坏后，空心板横向联系受到削弱，单板受力严重，从而导致空心板横向裂缝甚至塌板。为进一步探究桥面系病因，下文将建立精细的结构计算模型，对行车道板横向联系进行详细分析。

3 浅铰缝空心板桥铰缝处桥面铺装受力分析

用大型通用有限元软件ANSYS 建立桥梁行车道空心板计算模型，由于浅铰缝内未配置钢筋，不考虑铰缝参与受力，空心板仅以桥面铺装作为横向联系，考虑桥面铺装内纵、横向钢筋。用Sol-id45模拟混凝土，用Beam44 模拟钢筋，上部结构离散图见图5，桥面铺装钢筋离散图见图6。为探究铰缝处桥面铺装受力特点，查明铰缝处桥面铺装的破坏病因，设置以下两个工况:

1) 铰缝处桥面铺装最大剪应力工况;

2) 铰缝处桥面铺装最大拉应力工况。

由于拱上每小跨跨径小( 标准跨径6． 32 m) 、桥面宽( 行车道宽9 m) 、单块空心板宽度小( 0． 99 m) ，局部分析时车轮间的相互影响小，因此铰缝处桥面铺装混凝土的受力分析以单个标准车后轮施加于结构。两个工况均受一个标准车后轮轮重作用，标准车后轮轮重70 kN，冲击系数μ = 0． 3，着地面积0． 6 m( 横向) ×0． 2 m( 纵向) ，根据文献的研究成果，铰缝处剪力最大值纵向上位于跨中，荷载作用点纵向上位于跨中，横向上作用于桥面外缘。根据本桥的结构特点，本文两个计算工况轮位中心纵向上均布置于跨中，车轮荷载纵向布置见图7; 铰缝处最大剪应力工况车轮荷载横向布置见图8，桥面铺装最大剪应力发生在1 号铰缝处; 铰缝处最大拉应力工况车轮荷载横向布置见图9，桥面铺装最大拉应力发生在5 号铰缝处。

两个工况下5 号铰缝处桥面铺装第一主应力最大值均发生在底面。两个工况下的受力分析结果汇总于表1。

经分析，两个工况下铰缝处混凝土第一主应力最大值均超过C50 的抗拉强度设计值( 1． 83 MPa) ; 最大拉应力工况作用下铰缝处桥面铺装底面第一主应力最大值比最大剪应力工况大，由此可见最大拉应力工况作用下铰缝处桥面铺装底面混凝土受力较不利。

4 加强浅铰缝空心板桥横向联系的加固设计方法

浅铰缝空心板桥桥面系病害的根本原因在于横向联系较弱，在车轮荷载作用下铰缝容易脱落，铰缝处桥面铺装容易产生纵向裂缝，从而导致空心板单板受力。对浅铰缝空心板桥进行加固的首要任务是加强空心板的横向联系。由于浅铰缝空心板铰缝较狭窄，要在铰缝内植筋浇筑混凝土显然行不通，增大桥面铺装刚度、改善铰缝处桥面铺装受力状态是加强空心板横向联系的有效途径。加强桥面铺装配筋和增加桥面铺装层厚度均能达到增大桥面铺装刚度、改善铰缝处桥面铺装受力状态的目的，本节通过有限元分析探究桥面铺装配筋和桥面铺装厚度两个因素对铰缝处桥面铺装受力状态的影响，在此基础上提出增大桥面铺装刚度、改善铰缝处桥面铺装受力状态的有效方法。

设置以下15 个分析工况，用有限单元法进行不同桥面铺装厚度、不同配筋情况下的铰缝处混凝土受力分析。15 个工况的荷载均为标准车单个后轮轮重对称作用于5 号铰缝跨中位置，荷载横向布置图见图8。各工况内容见表2，各工况计算结果见表3。

由表3 可见，桥面铺装厚度不变的情况下，钢筋直径越大5 号铰缝处混凝土最大第一主拉应力越小，但减小幅度并不明显:桥面铺装厚度为8 cm 情况下，钢筋直径由10 mm 增加至14 mm，最大第一主拉应力减小0． 014 MPa; 桥面铺装厚度为10 cm 情况下，钢筋直径由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉应力减小0． 048 MPa; 桥面铺装厚度为12 cm 情况下，钢筋直径由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉应力减小0． 060 MPa; 桥面铺装厚度为15 cm 情况下，钢筋直径由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉应力减小0． 064 MPa; 桥面铺装厚度为20 cm 情况下，钢筋直径由10 mm 增加至16 mm，最大第一主拉应力减小0． 058 MPa。

桥面铺装钢筋直径不变情况下，桥面铺装厚度越大5 号铰缝处混凝土最大第一主拉应力越小，且减小幅度较明显: 桥面铺装钢筋直径为10 mm 情况下，铺装层厚度由8 cm 增加至20 cm，最大第一主拉应力减小1． 169 MPa; 桥面铺装钢筋直径为12 mm 情况下，铺装层厚度由8 cm 增加至20 cm，最大第一主拉应力减小1． 179 MPa; 桥面铺装钢筋直径为14 mm 情况下，铺装层厚度由8 cm 增加至20 cm，最大第一主拉应力减小1． 192 MPa; 桥面铺装钢筋直径为16 mm 情况下，铺装层厚度由10 cm 增加至20 cm，最大第一主拉应力减小0． 968 MPa。

桥面铺装厚度为20 cm 情况下，配置双层间距100 mm ×100 mm的Φ16 钢筋，铰缝处桥面铺装底面第一主拉应力1． 837 MPa，接近C50 抗拉强度设计值1． 83 MPa。

5 结语

1) 浅铰缝空心板桥上部结构病害发生的主要原因为横向联系较弱，铰缝容易开裂、脱落，桥面铺装厚度不够的情况下容易发生破坏，导致单板受力。 

2) 对浅铰缝空心板桥上部结构进行加固改造时，加强空心板横向联系是解决问题的根本。

3) 增大桥面铺装配筋对减小铰缝处桥面铺装底面第一主拉应力效果不明显，增大桥面铺装层厚度可有效减小铰缝处桥面铺装底面的主拉应力。

4) 桥面铺装厚度为20 cm 时，配置上、下两层网格尺寸100 mm ×100 mm 的Φ16 钢筋，铰缝处桥面铺装底面混凝土第一主拉应力1． 837 MPa，接近C50 抗拉强度设计值，为提高桥梁结构使用性能及耐久性，建议桥面铺装改造后的厚度应大于20 cm，配置上、下两层网格尺寸100 mm × 100 mm 的Φ16钢筋。