梁瑞卿， 姜燕玲， 王振宇， 史文华， 耿正君， 谭志勇

(1. 漯河市公路事业发展中心， 河南 漯河 462000； 2. 武汉正华建筑设计有限公司， 湖北 武汉 430014；3. 华中科技大学 土木与水利工程学院， 湖北 武汉 430074)

截止2020年末，我国仅公路桥梁数量就高达91.28万座[1]，其中中小桥78.6421万座(占86.15%)，加上市政、铁路和水利等各类桥梁，数量庞大。在众多中小跨度桥梁中，由于空心板桥结构体系简单，施工方便，被广泛应用。大量的工程实践反馈，铰缝失效和支座脱空及由此加剧的桥面铺装开裂、破损成为这类桥梁的通病[2,3]。桥面铺装的开裂和破损不仅影响行车舒适性，甚至引发交通和桥梁安全事故。

鉴于空心板桥设计、施工相对简单，桥梁各参与方大多聚焦于空心板自身质量的控制，而实际施工中对空心板铰缝和桥面铺装的把控相对偏弱。然而，铰缝和桥面铺装的病害除了影响行车状况，威胁结构安全外，甚至使空心板荷载横向分布计算理论的前提条件发生改变，导致铰接板梁法所假定的前提条件与实际不相符[4,5]，其荷载(内力)横向分布并不符合预期，致使空心板实际承载可能大于理论值，造成结构不安全。

为克服这类桥梁的常见病害，实际工程中往往采取加厚桥面混凝土铺装层和配置双层钢筋网等措施来提高空心板的横向刚度与整体性，尽可能分散桥面荷载分布。但目前存在以下倾向[6]：一方面对铰缝和桥面铺装重视程度相对不足，一旦出现病害，大多凭借经验大幅增加桥面混凝土铺装层的厚度和层内钢筋，不仅增加了二期恒载，而且层内钢筋增多，影响混凝土浇筑质量甚至导致钢筋保护层或钢筋层间距过小；另一方面，桥面混凝土铺装的刚度相比空心板自身刚度小很多，通常忽略其参与主梁受力和荷载横向分配[7]，仅视之为载荷而不计入其左右荷载横向分布。

为弄清桥面混凝土铺装层如何影响空心板桥的结构力学性能，也为上述两种倾向提供合理依据，李志洪[8]基于数值分析，研究认为桥面混凝土铺装层厚度对空心板铰缝的开裂荷载、破坏模态以及空心板自身的效应和承载力均有较大影响。其中混凝土铺装层厚度对提高铰缝开裂载荷和空心板抗力的影响呈现先上升后平缓的趋势。当桥面混凝土层厚度从0增大到10 cm时，明显改善了空心板自身和铰缝受力，很大程度上抑制了铰缝与空心板裂缝，抗裂载荷平均增幅高达45.5%。而铺装层厚度大于10 cm之后，上述影响显著降低。但赵伟光[9]基于一座实桥的研究结论与上述规律却不尽相同，其针对一座3孔13 m空心板桥桥面混凝土铺装层由8 cm增加到20 cm，并在其中设置双层Φ16(HRB400)钢筋网。研究认为，混凝土铺装层厚度的增加可以提升空心板承载力和桥梁整体性，二者呈线性递增关系；并且认为层内配置的双层钢筋网有效提高了桥梁整体性，加强了横向联系及改善了荷载横向分布均匀性。文献[7]与[9]研究得出混凝土铺装的影响规律基本一致，但层内钢筋的作用效果二者却不尽相同。

尽管在空心板桥载荷分布计算中不计入桥面混凝土铺装层的影响，既有研究大多肯定了桥面混凝土现浇层在荷载分布中的积极作用[10～12]，但得出的影响规律并不尽相同，多数研究成果主要依托数值手段，物理模型与实际结构难免存在差异。此外，基于实桥静载试验所测得的空心板挠度[13]，直接反映了荷载效应的横向分布特性，但仅限于材料弹性工作阶段，无法深入探讨混凝土开裂的后期阶段结构特性。而对于装配式空心板桥而言，混凝土铺装层的损坏将较大程度削弱桥梁横向刚度而加速出现单板受力现象，进而威胁桥梁安全。因此，在桥面混凝土铺装层对空心板桥的影响尚未达成一致性认识的前提下，本文依托试验研究，深入开展不同层厚、混凝土强度和层内配筋对空心板受力横向分布特性的影响，将有利于数值模型的修正和真实反映结构不同受力阶段的横向载荷分布效应，以及深入了解桥面混凝土现浇层对装配式空心板桥的荷载及其效应的横向分布规律，为合理确定混凝土铺装层厚、混凝土强度等级及层内钢筋设置提供依据。

1 试验研究

变化空心板桥面混凝土铺装层厚度、混凝土强度和层内配筋率三个参数，基于静力试验探讨空心板桥横向刚度变化规律。

1.1 试验方案

参照部颁空心板标准图[14]和相关研究[15]，为方便试件制作，将空心截面简化为实心截面，且保证两者刚度相同，试件尺寸和配筋如图1，共制作了36块钢筋混凝土板。

图1 单片板尺寸及配筋/cm

以三块板为一小组横向拼在一起模拟空心板实桥状态(图2)，为聚焦桥面混凝土铺装层对空心板桥横向刚度的贡献，试验研究规避铰缝传力影响，假定铰缝完全损坏，桥梁横向刚度的分布完全由桥面混凝土铺装层提供。

图2 试验组断面/cm

根据研究目标，试验共设置混凝土铺装层厚度、混凝土强度和配筋率三个参数组，分别开展了5个、3个、4个三块板拼在一起的小组试验，共计12组36块板，详细信息如表1。

表1 各组试验信息

1.2 材料性能

参照相关规范[16,17]，试验用混凝土配合比如表2，实测混凝土强度如表3(试件制作在冬季室外作业，受天气、养护条件等因素的影响，试件实际抗压强度整体偏低)。

表2 铺装层混凝土配合比

表3 试验用混凝土实际抗压强度

试验试件顶、底面均布置2φ12的HPB300钢筋，箍筋采用φ6@100 mm的HPB300钢筋。铺装层内采用成品钢筋网，由低碳钢丝Q195制成，钢丝直径3 mm。

1.3 加载及测试

除了一组试件采用对称加载作为对照外，其余加载工况均为偏心受力。为避免集中荷载下铺装层局部提前破坏，加载点下方设置100 mm×100 mm的钢垫块。

测试内容：各板跨中截面挠度、板底钢筋应变。

具体加载和测试方案见图3。

图3 试验梁加载及测试方案/cm

2 数值分析

与上述试验方案及条件相同，基于Willam-Warnke五参数强度准则模型(混凝土单轴抗拉强度ft，单轴抗压强度fc，双轴抗压强度fcb，围压下双轴抗压强度f1和围压下单轴抗压强度f2)，采用可分析混凝土裂缝发展和压碎的solid65单元模拟混凝土板与桥面铺装层，混凝土材料本构基于MISO(Multi-linear Isotropic Hardening)模型，如式(1)：

(1)

式中：fc为混凝土单轴抗压强度；ε0为对应于fc的混凝土峰值应变；εcu为混凝土极限压应变；根据文献[18]，n=2,ε0=0.002,εcu=0.0033。

钢筋采用LINK8单元模拟，其应力应变基于双线性等向强化BISO(Bilinear Isotropic Hardening)模型，如式(2)：

(2)

式中：σs，εs，εu分别为钢筋应力、应变、极限应变；Es为钢筋弹性模量；fy为钢筋屈服强度；εy为钢筋屈服应变；具体取值为：杨氏弹性模量Es=2.1×105MPa，泊松比0.3，钢筋屈服强度fy=270 MPa。铺装层钢筋网片采用低碳钢丝Q195，弹性模量Es=2.1×105MPa，泊松比取0.3，屈服强度fy=195 MPa。

桥面混凝土铺装层与板顶面之间采用面面接触，单元边长约50 mm，有限元模型如图4，其中混凝土采用solid65单元，钢筋采用link8单元。对应模型试验的加载方式，将集中荷载施加于100 mm×100 mm的方形区域上，边界条件等如同试验条件设置。

图4 不同桥面混凝土铺装参数下的空心板有限元模型

在材料、边界条件和加载与试验完全一致的基础上，基于数值模型对不同铺装层厚度、混凝土强度以及配筋率下的空心板桥横向刚度分布进行分析，并与试验结果对比研究。

3 结果及讨论

3.1 变化混凝土铺装层厚度

3.1.1 空心板力学特性

试验测试和数值分析表明，随着混凝土铺装层厚度增加，空心板自身的承载力和刚度均得到提高。当铺装层厚度由20 mm提高至50 mm时，实测开裂荷载由15 kN升至18 kN，极限承载力由24 kN升至46 kN(数值分析结果由38 kN升至52 kN)，分别提高了20%和91.7%。同时，空心板刚度也得到大幅度提高，从图5，6可见，由于混凝土铺装层增厚，空心板延性得到改善，结构破坏时的挠度由最初的2.9 mm提高至8.8 mm(提高了203.4%)。另一方面，试验测试发现，随着铺装层厚度增加，其作为一个整体板的自身刚度得到相应提高，若板顶面与铺装层接触面结合不佳，当偏心荷载增加到一定程度后，铺装层与板顶结合面之间的破坏可能早于梁体或铰缝对应处桥面的破坏(图7)，铺装层不再参与结构受力，荷载 - 挠度曲线进入平缓阶段，此后板体挠度快速增加。

图5 实测铺装厚度变化空心板桥荷载 - 挠度曲线

图6 1#板跨中截面荷载 - 位移对比

图7 1#板试验破坏模态及裂缝形态

此外，铺装层厚度增加对结构性能的提升，虽然总体表现为持续改善，但试验和数值分析显现，当铺装层厚度由20 mm提高至30 mm(根据试验缩尺比例，对应实际桥面铺装厚度约为10 cm至15 cm)，空心板力学特性改善较为显著。若继续增大铺装层厚度，不仅二期恒载加重板体负荷，其对空心板自身力学性能的改善程度逐渐减缓甚至不利，原因在于此时主梁的开裂和破坏全部由板底受拉钢筋控制。

3.1.2 荷载横向分布

混凝土铺装层厚度的增加明显提升了空心板桥横向连接的紧密程度，提高了空心板横向连接刚度，直接改善了荷载横向分布特性。破坏前，不同铺装层厚度下实测及数值分析得到的各板跨中截面挠度横向分布影响线(实测和数值分析挠度，经归一化处理)见图8。

图8 不同铺装层厚度下的荷载横向分布影响线

由图8可见，混凝土铺装层有利于荷载横向分布，随着铺装厚度增加，各板荷载横向分布逐渐趋于均匀，实测和有限元结果也反映，当铺装层厚度由20 mm增至30 mm时，横向分布的改善幅度明显，此后变化不大。尤其铺装层厚度大于40 mm后(对应于实际工程中铺装层厚度约20 cm)，荷载横向分布影响线变化趋弱，表明持续增大铺装层厚度对改善空心板横向刚度并不显著。此外，相比偏心加载，中载作用下的空心板荷载横向均匀度较好，表明即便铰缝不参与横向传力，桥面混凝土层对荷载横向分布也起着非常重要作用。

为了进一步明晰不同混凝土铺装层厚度下的荷载横向分布均匀性，以荷载横向分布影响线的均值与最大值比(荷载横向分布均匀性系数κ)来评价横向分布的均匀性，并以铺装层厚度变化前后的均匀性系数差Δκ(%)评估不同混凝土铺装层厚度对空心板桥横向刚度的影响效果，二者计算如式(3)，(4)：

(3)

Δκ=κj-κi

(4)

式中：μ为横向分布影响线的均值；ηmax为横向分布影响线最大值；κi为混凝土铺装层变化前横向分布影响线均匀性系数；κj为混凝土铺装层变化后横向分布影响线均匀性系数。

根据式(3)，(4)，不同混凝土铺装层厚度下试验所测的荷载横向分布均匀性系数κ和对应的均匀性系数差Δκ，如表4，5和图9所示。

由表4，5和图9可知，随着混凝土铺装层厚度增大，各板的荷载横向分布均匀性系数也逐渐递增，相应的荷载横向分布均匀性系数差Δκ在铺装层厚度介于20～30 mm(对应实际桥面铺装约为10～15 cm)之间快速降低，之后趋于平缓。表明各板荷载横向分布随混凝土铺装层厚度增加越趋均匀。另外，混凝土铺装层厚度存在一合理区间，荷载横向分布的均匀程度并不随混凝土铺装层厚度呈线性增加。

表4 荷载横向分布均匀性系数κ

表5 荷载横向分布均匀性系数变化差Δκ %

图9 铺装层厚度变化下的Δκ曲线

由破坏前各板板底跨中截面纵向钢筋实测应变(图10)可知，随着铺装层厚度增加，偏心载荷作用下，各组横向3块板的钢筋应变也在逐渐提高，表明桥面混凝土铺装层厚度增加有利于各板参与受荷。但从不同厚度组的各板底钢筋应变变化速率(图中曲线斜率)可知，当铺装层厚度介于20～30 mm(对应实际桥面铺装厚度约为10～15 cm)之间时，各板钢筋应变变化速率相对较为平缓，表明各板参与受荷的程度更为均匀，荷载横向分布效果较佳。

图10 不同铺装厚度下的板底钢筋应变

3.2 变化铺装层混凝土强度等级

改变混凝土强度等级，并归一化处理各板测试和数值分析得到的挠度后，获得不同混凝土强度等级下的跨中截面荷载横向分布影响线如图11。从图11可见，试验测试和数值分析结果表明，随着铺装层混凝土强度提高，荷载横向分布略趋于均匀，但并未显著提高荷载横向分布刚度。

图11 铺装层不同混凝土强度下的荷载横向分布影响线

从图12荷载横向分布均匀性系数变化差Δκ曲线(图中Δκ1，Δκ2，Δκ3分别为铺装层混凝土采用C20，C30，C35，C40时，求得的荷载横向分布均匀性系数依次两两差)可见，当铺装层混凝土强度等级由C20增至C30时，Δκ取值最小，强度等级高于C30(主梁的混凝土强度等级为C30)后，荷载横向分布均匀性系数差增幅显著放缓(L/2截面)，甚至降低(L/4和3L/4截面)。说明桥面混凝土强度等级不宜过低，不宜低于主梁混凝土强度。但从提高荷载横向分布能力而言，过高的混凝土强度等级实际作用有限。

图12 铺装层混凝土强度变化下的Δκ曲线

图13为实测不同混凝土强度等级下的板底钢筋应变，从图13可知，提高铺装层混凝土强度等级，各板底部纵向钢筋的拉应变也逐渐提高，说明铺装层混凝土强度等级提高有利于改善荷载横向分布。但从荷载分布的均摊程度考虑，曲线斜率越小，则横向分布效果越显著。就本试验而言，混凝土强度等级介于C20～C40之间效果较佳。

图13 不同混凝土强度等级下的板底钢筋应变

3.3 变化铺装层内配筋率

改变铺装层内的配筋情况，由图14的实测和数值分析结果可知，随着铺装层配筋率逐渐提高，沿跨径方向各截面的荷载横向分布影响线略趋于平缓，表明增加铺装层内钢筋数量，小幅度提高了桥梁结构横向刚度，对改善结构荷载横向分布略有帮助。然而，对于铺装层内设置单层钢筋网(钢筋网间距分别为4 cm和2 cm)时，空心板桥各截面的荷载横向分布影响线基本保持重合(图14)，说明铺装层内配筋率增至一定量后，继续增加钢筋数量对结构横向刚度作用甚微。而相比较于单层钢筋网，铺装层内采用双层钢筋网片，则可以更大程度上提高结构荷载横向分布，促进荷载横向分布趋向均匀。

图14 不同层内配筋率下的空心板挠度影响线

图15为铺装层内配筋率变化下的Δκ曲线。由图15可知，当铺装层内钢筋网间距由6 cm变为4 cm且为单层钢筋网片时，其Δκ值Δκ′6-4达到最大，表明结构横向刚度增强显著。随着铺装层内配筋率继续提高，荷载横向分布均匀性系数变化差Δκ迅速减小至Δκ′4-2，意味着层内钢筋网间距从4 cm降至2 cm时，配筋率虽然提高，但空心板桥横向刚度增强并不明显。当层内配置双层钢筋网时，网间距为4 cm下求得其荷载横向分布均匀性系数差Δκ*达到峰值，表明桥面铺装层布置双层钢筋网对提高空心板桥横向连接刚度的效果较佳。

图15 铺装层内配筋率变化下的Δκ曲线

图16为实测铺装层不同配筋率下各板板底钢筋拉应变，由图可见，增大铺装层内钢筋配筋率有利于空心板桥荷载横向分布，但钢筋网格间距提高至2 cm×2 cm和4 cm×4 cm时，二者所对应的板底钢筋拉应变基本一致，说明层内配筋不是越多越好，但是双层钢筋网对荷载横向分布的效果显著好于单层钢筋网。

图16 铺装层内不同配筋率下的板底钢筋应变

4 结 论

(1)桥面混凝土铺装层可以有效改善空心板桥的荷载横向分布，提高空心板桥的横向连接刚度，与铰缝共同承担该类桥梁的内力横向分布。

(2)对应装配式空心板结构，增加混凝土铺装层厚度可显著提高荷载横向分布均匀性，提高其横向刚度。但混凝土铺装层厚不宜增加过大，否则反而加重结构负担，降低结构承受活载的能力，且桥梁横向刚度的增幅不再明显。实际工程中，建议桥面混凝土铺装层厚度宜介于10～15 cm。

(3)桥面铺装层的混凝土强度等级建议取大于等于主梁自身混凝土强度，继续提高混凝土强度，对改善载荷横向分布并不显著。

(4)桥面混凝土铺装层内配筋率不宜过高，太大的配筋率对其改善空心板桥的横向刚度并不明显。但相比单层网，适当加大钢筋网间距而设置双层钢筋网，更有利于改善荷载横向分布。