橋面混凝土鋪裝層對空心板橋橫向剛度影響試驗

梁瑞卿， 姜燕玲， 王振宇， 史文華， 耿正君， 譚志勇

(1. 漯河市公路事業發展中心， 河南 漯河 462000； 2. 武漢正華建筑設計有限公司， 湖北 武漢 430014；3. 華中科技大學 土木與水利工程學院， 湖北 武漢 430074)

截止2020年末，我國僅公路橋梁數量就高達91.28萬座[1]，其中中小橋78.6421萬座(占86.15%)，加上市政、鐵路和水利等各類橋梁，數量龐大。在眾多中小跨度橋梁中，由于空心板橋結構體系簡單，施工方便，被廣泛應用。大量的工程實踐反饋，鉸縫失效和支座脫空及由此加劇的橋面鋪裝開裂、破損成為這類橋梁的通病[2,3]。橋面鋪裝的開裂和破損不僅影響行車舒適性，甚至引發交通和橋梁安全事故。

鑒于空心板橋設計、施工相對簡單，橋梁各參與方大多聚焦于空心板自身質量的控制，而實際施工中對空心板鉸縫和橋面鋪裝的把控相對偏弱。然而，鉸縫和橋面鋪裝的病害除了影響行車狀況，威脅結構安全外，甚至使空心板荷載橫向分布計算理論的前提條件發生改變，導致鉸接板梁法所假定的前提條件與實際不相符[4,5]，其荷載(內力)橫向分布并不符合預期，致使空心板實際承載可能大于理論值，造成結構不安全。

為克服這類橋梁的常見病害，實際工程中往往采取加厚橋面混凝土鋪裝層和配置雙層鋼筋網等措施來提高空心板的橫向剛度與整體性，盡可能分散橋面荷載分布。但目前存在以下傾向[6]：一方面對鉸縫和橋面鋪裝重視程度相對不足，一旦出現病害，大多憑借經驗大幅增加橋面混凝土鋪裝層的厚度和層內鋼筋，不僅增加了二期恒載，而且層內鋼筋增多，影響混凝土澆筑質量甚至導致鋼筋保護層或鋼筋層間距過??；另一方面，橋面混凝土鋪裝的剛度相比空心板自身剛度小很多，通常忽略其參與主梁受力和荷載橫向分配[7]，僅視之為載荷而不計入其左右荷載橫向分布。

為弄清橋面混凝土鋪裝層如何影響空心板橋的結構力學性能，也為上述兩種傾向提供合理依據，李志洪[8]基于數值分析，研究認為橋面混凝土鋪裝層厚度對空心板鉸縫的開裂荷載、破壞模態以及空心板自身的效應和承載力均有較大影響。其中混凝土鋪裝層厚度對提高鉸縫開裂載荷和空心板抗力的影響呈現先上升后平緩的趨勢。當橋面混凝土層厚度從0增大到10 cm時，明顯改善了空心板自身和鉸縫受力，很大程度上抑制了鉸縫與空心板裂縫，抗裂載荷平均增幅高達45.5%。而鋪裝層厚度大于10 cm之后，上述影響顯著降低。但趙偉光[9]基于一座實橋的研究結論與上述規律卻不盡相同，其針對一座3孔13 m空心板橋橋面混凝土鋪裝層由8 cm增加到20 cm，并在其中設置雙層Φ16(HRB400)鋼筋網。研究認為，混凝土鋪裝層厚度的增加可以提升空心板承載力和橋梁整體性，二者呈線性遞增關系；并且認為層內配置的雙層鋼筋網有效提高了橋梁整體性，加強了橫向聯系及改善了荷載橫向分布均勻性。文獻[7]與[9]研究得出混凝土鋪裝的影響規律基本一致，但層內鋼筋的作用效果二者卻不盡相同。

盡管在空心板橋載荷分布計算中不計入橋面混凝土鋪裝層的影響，既有研究大多肯定了橋面混凝土現澆層在荷載分布中的積極作用[10～12]，但得出的影響規律并不盡相同，多數研究成果主要依托數值手段，物理模型與實際結構難免存在差異。此外，基于實橋靜載試驗所測得的空心板撓度[13]，直接反映了荷載效應的橫向分布特性，但僅限于材料彈性工作階段，無法深入探討混凝土開裂的后期階段結構特性。而對于裝配式空心板橋而言，混凝土鋪裝層的損壞將較大程度削弱橋梁橫向剛度而加速出現單板受力現象，進而威脅橋梁安全。因此，在橋面混凝土鋪裝層對空心板橋的影響尚未達成一致性認識的前提下，本文依托試驗研究，深入開展不同層厚、混凝土強度和層內配筋對空心板受力橫向分布特性的影響，將有利于數值模型的修正和真實反映結構不同受力階段的橫向載荷分布效應，以及深入了解橋面混凝土現澆層對裝配式空心板橋的荷載及其效應的橫向分布規律，為合理確定混凝土鋪裝層厚、混凝土強度等級及層內鋼筋設置提供依據。

1 試驗研究

變化空心板橋面混凝土鋪裝層厚度、混凝土強度和層內配筋率三個參數，基于靜力試驗探討空心板橋橫向剛度變化規律。

1.1 試驗方案

參照部頒空心板標準圖[14]和相關研究[15]，為方便試件制作，將空心截面簡化為實心截面，且保證兩者剛度相同，試件尺寸和配筋如圖1，共制作了36塊鋼筋混凝土板。

圖1 單片板尺寸及配筋/cm

以三塊板為一小組橫向拼在一起模擬空心板實橋狀態(圖2)，為聚焦橋面混凝土鋪裝層對空心板橋橫向剛度的貢獻，試驗研究規避鉸縫傳力影響，假定鉸縫完全損壞，橋梁橫向剛度的分布完全由橋面混凝土鋪裝層提供。

圖2 試驗組斷面/cm

根據研究目標，試驗共設置混凝土鋪裝層厚度、混凝土強度和配筋率三個參數組，分別開展了5個、3個、4個三塊板拼在一起的小組試驗，共計12組36塊板，詳細信息如表1。

表1 各組試驗信息

1.2 材料性能

參照相關規范[16,17]，試驗用混凝土配合比如表2，實測混凝土強度如表3(試件制作在冬季室外作業，受天氣、養護條件等因素的影響，試件實際抗壓強度整體偏低)。

表2 鋪裝層混凝土配合比

表3 試驗用混凝土實際抗壓強度

試驗試件頂、底面均布置2φ12的HPB300鋼筋，箍筋采用φ6@100 mm的HPB300鋼筋。鋪裝層內采用成品鋼筋網，由低碳鋼絲Q195制成，鋼絲直徑3 mm。

1.3 加載及測試

除了一組試件采用對稱加載作為對照外，其余加載工況均為偏心受力。為避免集中荷載下鋪裝層局部提前破壞，加載點下方設置100 mm×100 mm的鋼墊塊。

測試內容：各板跨中截面撓度、板底鋼筋應變。

具體加載和測試方案見圖3。

圖3 試驗梁加載及測試方案/cm

2 數值分析

與上述試驗方案及條件相同，基于Willam-Warnke五參數強度準則模型(混凝土單軸抗拉強度ft，單軸抗壓強度fc，雙軸抗壓強度fcb，圍壓下雙軸抗壓強度f1和圍壓下單軸抗壓強度f2)，采用可分析混凝土裂縫發展和壓碎的solid65單元模擬混凝土板與橋面鋪裝層，混凝土材料本構基于MISO(Multi-linear Isotropic Hardening)模型，如式(1)：

(1)

式中：fc為混凝土單軸抗壓強度；ε0為對應于fc的混凝土峰值應變；εcu為混凝土極限壓應變；根據文獻[18]，n=2,ε0=0.002,εcu=0.0033。

鋼筋采用LINK8單元模擬，其應力應變基于雙線性等向強化BISO(Bilinear Isotropic Hardening)模型，如式(2)：

(2)

式中：σs，εs，εu分別為鋼筋應力、應變、極限應變；Es為鋼筋彈性模量；fy為鋼筋屈服強度；εy為鋼筋屈服應變；具體取值為：楊氏彈性模量Es=2.1×105MPa，泊松比0.3，鋼筋屈服強度fy=270 MPa。鋪裝層鋼筋網片采用低碳鋼絲Q195，彈性模量Es=2.1×105MPa，泊松比取0.3，屈服強度fy=195 MPa。

橋面混凝土鋪裝層與板頂面之間采用面面接觸，單元邊長約50 mm，有限元模型如圖4，其中混凝土采用solid65單元，鋼筋采用link8單元。對應模型試驗的加載方式，將集中荷載施加于100 mm×100 mm的方形區域上，邊界條件等如同試驗條件設置。

圖4 不同橋面混凝土鋪裝參數下的空心板有限元模型

在材料、邊界條件和加載與試驗完全一致的基礎上，基于數值模型對不同鋪裝層厚度、混凝土強度以及配筋率下的空心板橋橫向剛度分布進行分析，并與試驗結果對比研究。

3 結果及討論

3.1 變化混凝土鋪裝層厚度

3.1.1 空心板力學特性

試驗測試和數值分析表明，隨著混凝土鋪裝層厚度增加，空心板自身的承載力和剛度均得到提高。當鋪裝層厚度由20 mm提高至50 mm時，實測開裂荷載由15 kN升至18 kN，極限承載力由24 kN升至46 kN(數值分析結果由38 kN升至52 kN)，分別提高了20%和91.7%。同時，空心板剛度也得到大幅度提高，從圖5，6可見，由于混凝土鋪裝層增厚，空心板延性得到改善，結構破壞時的撓度由最初的2.9 mm提高至8.8 mm(提高了203.4%)。另一方面，試驗測試發現，隨著鋪裝層厚度增加，其作為一個整體板的自身剛度得到相應提高，若板頂面與鋪裝層接觸面結合不佳，當偏心荷載增加到一定程度后，鋪裝層與板頂結合面之間的破壞可能早于梁體或鉸縫對應處橋面的破壞(圖7)，鋪裝層不再參與結構受力，荷載 - 撓度曲線進入平緩階段，此后板體撓度快速增加。

圖5 實測鋪裝厚度變化空心板橋荷載 - 撓度曲線

圖6 1#板跨中截面荷載 - 位移對比

圖7 1#板試驗破壞模態及裂縫形態

此外，鋪裝層厚度增加對結構性能的提升，雖然總體表現為持續改善，但試驗和數值分析顯現，當鋪裝層厚度由20 mm提高至30 mm(根據試驗縮尺比例，對應實際橋面鋪裝厚度約為10 cm至15 cm)，空心板力學特性改善較為顯著。若繼續增大鋪裝層厚度，不僅二期恒載加重板體負荷，其對空心板自身力學性能的改善程度逐漸減緩甚至不利，原因在于此時主梁的開裂和破壞全部由板底受拉鋼筋控制。

3.1.2 荷載橫向分布

混凝土鋪裝層厚度的增加明顯提升了空心板橋橫向連接的緊密程度，提高了空心板橫向連接剛度，直接改善了荷載橫向分布特性。破壞前，不同鋪裝層厚度下實測及數值分析得到的各板跨中截面撓度橫向分布影響線(實測和數值分析撓度，經歸一化處理)見圖8。

圖8 不同鋪裝層厚度下的荷載橫向分布影響線

由圖8可見，混凝土鋪裝層有利于荷載橫向分布，隨著鋪裝厚度增加，各板荷載橫向分布逐漸趨于均勻，實測和有限元結果也反映，當鋪裝層厚度由20 mm增至30 mm時，橫向分布的改善幅度明顯，此后變化不大。尤其鋪裝層厚度大于40 mm后(對應于實際工程中鋪裝層厚度約20 cm)，荷載橫向分布影響線變化趨弱，表明持續增大鋪裝層厚度對改善空心板橫向剛度并不顯著。此外，相比偏心加載，中載作用下的空心板荷載橫向均勻度較好，表明即便鉸縫不參與橫向傳力，橋面混凝土層對荷載橫向分布也起著非常重要作用。

為了進一步明晰不同混凝土鋪裝層厚度下的荷載橫向分布均勻性，以荷載橫向分布影響線的均值與最大值比(荷載橫向分布均勻性系數κ)來評價橫向分布的均勻性，并以鋪裝層厚度變化前后的均勻性系數差Δκ(%)評估不同混凝土鋪裝層厚度對空心板橋橫向剛度的影響效果，二者計算如式(3)，(4)：

(3)

Δκ=κj-κi

(4)

式中：μ為橫向分布影響線的均值；ηmax為橫向分布影響線最大值；κi為混凝土鋪裝層變化前橫向分布影響線均勻性系數；κj為混凝土鋪裝層變化后橫向分布影響線均勻性系數。

根據式(3)，(4)，不同混凝土鋪裝層厚度下試驗所測的荷載橫向分布均勻性系數κ和對應的均勻性系數差Δκ，如表4，5和圖9所示。

由表4，5和圖9可知，隨著混凝土鋪裝層厚度增大，各板的荷載橫向分布均勻性系數也逐漸遞增，相應的荷載橫向分布均勻性系數差Δκ在鋪裝層厚度介于20～30 mm(對應實際橋面鋪裝約為10～15 cm)之間快速降低，之后趨于平緩。表明各板荷載橫向分布隨混凝土鋪裝層厚度增加越趨均勻。另外，混凝土鋪裝層厚度存在一合理區間，荷載橫向分布的均勻程度并不隨混凝土鋪裝層厚度呈線性增加。

表4 荷載橫向分布均勻性系數κ

表5 荷載橫向分布均勻性系數變化差Δκ %

圖9 鋪裝層厚度變化下的Δκ曲線

由破壞前各板板底跨中截面縱向鋼筋實測應變(圖10)可知，隨著鋪裝層厚度增加，偏心載荷作用下，各組橫向3塊板的鋼筋應變也在逐漸提高，表明橋面混凝土鋪裝層厚度增加有利于各板參與受荷。但從不同厚度組的各板底鋼筋應變變化速率(圖中曲線斜率)可知，當鋪裝層厚度介于20～30 mm(對應實際橋面鋪裝厚度約為10～15 cm)之間時，各板鋼筋應變變化速率相對較為平緩，表明各板參與受荷的程度更為均勻，荷載橫向分布效果較佳。

圖10 不同鋪裝厚度下的板底鋼筋應變

3.2 變化鋪裝層混凝土強度等級

改變混凝土強度等級，并歸一化處理各板測試和數值分析得到的撓度后，獲得不同混凝土強度等級下的跨中截面荷載橫向分布影響線如圖11。從圖11可見，試驗測試和數值分析結果表明，隨著鋪裝層混凝土強度提高，荷載橫向分布略趨于均勻，但并未顯著提高荷載橫向分布剛度。

圖11 鋪裝層不同混凝土強度下的荷載橫向分布影響線

從圖12荷載橫向分布均勻性系數變化差Δκ曲線(圖中Δκ1，Δκ2，Δκ3分別為鋪裝層混凝土采用C20，C30，C35，C40時，求得的荷載橫向分布均勻性系數依次兩兩差)可見，當鋪裝層混凝土強度等級由C20增至C30時，Δκ取值最小，強度等級高于C30(主梁的混凝土強度等級為C30)后，荷載橫向分布均勻性系數差增幅顯著放緩(L/2截面)，甚至降低(L/4和3L/4截面)。說明橋面混凝土強度等級不宜過低，不宜低于主梁混凝土強度。但從提高荷載橫向分布能力而言，過高的混凝土強度等級實際作用有限。

圖12 鋪裝層混凝土強度變化下的Δκ曲線

圖13為實測不同混凝土強度等級下的板底鋼筋應變，從圖13可知，提高鋪裝層混凝土強度等級，各板底部縱向鋼筋的拉應變也逐漸提高，說明鋪裝層混凝土強度等級提高有利于改善荷載橫向分布。但從荷載分布的均攤程度考慮，曲線斜率越小，則橫向分布效果越顯著。就本試驗而言，混凝土強度等級介于C20～C40之間效果較佳。

圖13 不同混凝土強度等級下的板底鋼筋應變

3.3 變化鋪裝層內配筋率

改變鋪裝層內的配筋情況，由圖14的實測和數值分析結果可知，隨著鋪裝層配筋率逐漸提高，沿跨徑方向各截面的荷載橫向分布影響線略趨于平緩，表明增加鋪裝層內鋼筋數量，小幅度提高了橋梁結構橫向剛度，對改善結構荷載橫向分布略有幫助。然而，對于鋪裝層內設置單層鋼筋網(鋼筋網間距分別為4 cm和2 cm)時，空心板橋各截面的荷載橫向分布影響線基本保持重合(圖14)，說明鋪裝層內配筋率增至一定量后，繼續增加鋼筋數量對結構橫向剛度作用甚微。而相比較于單層鋼筋網，鋪裝層內采用雙層鋼筋網片，則可以更大程度上提高結構荷載橫向分布，促進荷載橫向分布趨向均勻。

圖14 不同層內配筋率下的空心板撓度影響線

圖15為鋪裝層內配筋率變化下的Δκ曲線。由圖15可知，當鋪裝層內鋼筋網間距由6 cm變為4 cm且為單層鋼筋網片時，其Δκ值Δκ′6-4達到最大，表明結構橫向剛度增強顯著。隨著鋪裝層內配筋率繼續提高，荷載橫向分布均勻性系數變化差Δκ迅速減小至Δκ′4-2，意味著層內鋼筋網間距從4 cm降至2 cm時，配筋率雖然提高，但空心板橋橫向剛度增強并不明顯。當層內配置雙層鋼筋網時，網間距為4 cm下求得其荷載橫向分布均勻性系數差Δκ*達到峰值，表明橋面鋪裝層布置雙層鋼筋網對提高空心板橋橫向連接剛度的效果較佳。

圖15 鋪裝層內配筋率變化下的Δκ曲線

圖16為實測鋪裝層不同配筋率下各板板底鋼筋拉應變，由圖可見，增大鋪裝層內鋼筋配筋率有利于空心板橋荷載橫向分布，但鋼筋網格間距提高至2 cm×2 cm和4 cm×4 cm時，二者所對應的板底鋼筋拉應變基本一致，說明層內配筋不是越多越好，但是雙層鋼筋網對荷載橫向分布的效果顯著好于單層鋼筋網。

圖16 鋪裝層內不同配筋率下的板底鋼筋應變

4 結 論

(1)橋面混凝土鋪裝層可以有效改善空心板橋的荷載橫向分布，提高空心板橋的橫向連接剛度，與鉸縫共同承擔該類橋梁的內力橫向分布。

(2)對應裝配式空心板結構，增加混凝土鋪裝層厚度可顯著提高荷載橫向分布均勻性，提高其橫向剛度。但混凝土鋪裝層厚不宜增加過大，否則反而加重結構負擔，降低結構承受活載的能力，且橋梁橫向剛度的增幅不再明顯。實際工程中，建議橋面混凝土鋪裝層厚度宜介于10～15 cm。

(3)橋面鋪裝層的混凝土強度等級建議取大于等于主梁自身混凝土強度，繼續提高混凝土強度，對改善載荷橫向分布并不顯著。

(4)橋面混凝土鋪裝層內配筋率不宜過高，太大的配筋率對其改善空心板橋的橫向剛度并不明顯。但相比單層網，適當加大鋼筋網間距而設置雙層鋼筋網，更有利于改善荷載橫向分布。