簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)縫受力機(jī)理及影響因素研究

單婷婷

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海市200031）

簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)縫受力機(jī)理及影響因素研究

單婷婷

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海市200031）

將簡(jiǎn)支梁橋縱向相鄰兩片板梁及中間的橋面連續(xù)縫模擬為一變跨度、變剛度的三跨連續(xù)梁，計(jì)算其中跨（即橋面連續(xù)縫處）的跨中彎矩影響線方程，計(jì)算橋面連續(xù)縫在活載和支座沉降下的開裂彎矩。將其中一個(gè)參數(shù)作為變值，其余參數(shù)取定值，研究該變值對(duì)彎矩值的影響。由此得出橋面連續(xù)縫開裂彎矩的影響因素，并據(jù)此提出橋面連續(xù)縫開裂的改善措施。

簡(jiǎn)支梁橋；橋面連續(xù)縫；開裂彎矩；彎矩影響線；倒T蓋梁結(jié)構(gòu)

0　引言

目前，上海內(nèi)環(huán)高架橋梁等簡(jiǎn)支梁橋的連續(xù)縫處破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為橫向裂縫。裂縫的長(zhǎng)短不一，有的甚至貫穿整幅橋面。

本文將從橋面連續(xù)縫受力機(jī)理的角度分析其開裂機(jī)理及其影響因素，并提出減少連續(xù)縫開裂的若干建議措施。

1　橋面連續(xù)縫處開裂彎矩

若以鋼筋混凝土鋪裝層的開裂作為橋面連續(xù)縫處開裂的標(biāo)志，則根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）［1］規(guī)定，其開裂彎矩為：

Mcr=γftkW0=2S0ftk式中：S0為全截面換算截面重心軸以上（或以下）部分面積對(duì)重心軸的面積矩；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

以圖1所示頗具一般性的連續(xù)縫厚度及配筋為例（8 cm厚C30防水混凝土，上下雙層Φ12@100的縱向鋼筋），計(jì)及該連續(xù)縫處橋面鋪裝鋼筋，其開裂彎矩為Mcr=2Softk=2×2.31×106×2.01/l×106= 9.28（kN·m），即當(dāng)連續(xù)縫處彎矩超過(guò)該值時(shí)，其鋼筋混凝土鋪裝層開裂，這也是橋面連續(xù)縫破壞的先兆。

2　簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)縫受力分析模型

為研究簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)縫的受力機(jī)理，取簡(jiǎn)支梁橋縱橋向相鄰的兩片簡(jiǎn)支板梁（寬1 m）及其中間的橋面連續(xù)縫作為研究對(duì)象，并將其模擬為一變跨度、變剛度的三跨連續(xù)梁。其中中跨為橋面連續(xù)縫，跨度較小，剛度僅計(jì)連續(xù)縫處橋面鋪裝的實(shí)際厚度及配筋；兩個(gè)邊跨為縱橋向相鄰的簡(jiǎn)支板梁，剛度計(jì)及簡(jiǎn)支板梁實(shí)際鋼筋混凝土截面及其上橋面鋪裝。

為研究推導(dǎo)方便，假定左右邊跨的剛度及跨度相等，其彈性模量為E、截面慣性矩為I、計(jì)算長(zhǎng)度為L(zhǎng)，令該跨線剛度為i，則；而中跨（橋面連續(xù)縫）彈性模量為E′、截面慣性矩為I′、計(jì)算長(zhǎng)度為L(zhǎng)′，令該跨線剛度為i′，則，見圖2所示。

3　活載作用下簡(jiǎn)支梁橋面連續(xù)縫受力分析

3.1影響線方程及計(jì)算假定

如圖2所示計(jì)算圖式，其中跨（橋面連續(xù)縫處）跨中彎矩影響線方程為［2］：

圖1　橋面連續(xù)縫處的一般構(gòu)造形式示意圖（單位：mm）

圖2　簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)縫受力分析模型示意圖

若不考慮具體數(shù)值，則該影響線的大致形狀如圖3所示。

圖3　中跨（橋面連續(xù)縫處）跨中彎矩影響線圖形示意圖

按公路-I級(jí)的車道荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，由影響線圖形可知，當(dāng)車道荷載布置于左右邊跨時(shí)，中跨跨中截面負(fù)彎矩達(dá)到最大。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2015）》4.3.1［3］，公路-I級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值取Pk=200 kN。令均布荷載滿布左右邊跨，集中荷載作用于左右跨跨中，橫向分布系數(shù)取0.33。此時(shí)中跨跨中截面彎矩為：

3.2主要參數(shù)分析

由以上橋面連續(xù)縫處彎矩M計(jì)算可知，活載作用下M值與簡(jiǎn)支梁及橋面連續(xù)縫處計(jì)算長(zhǎng)度及剛度有關(guān)，即與k，B值有關(guān)。

首先，擬定一般情況下E、I、L及E′、I′、L′取值如下：

擬定簡(jiǎn)支梁橋采用C40混凝土，彈性模量E=3.25×104MPa。因內(nèi)環(huán)線高架上一般采用22 m空心板梁橋，因此根據(jù)先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板標(biāo)準(zhǔn)圖，采用22 m空心板中梁截面慣性矩?cái)?shù)值，同時(shí)計(jì)入8 cm混凝土鋪裝，截面慣性矩I=0.063 76 m4，則EI=2.072×106kN·m2。

擬定鋼筋混凝土鋪裝采用C30混凝土，彈性模量E′=3×104MPa。橋面鋪裝厚度假定8 cm，則1 m寬橋面鋪裝的截面慣性矩I′=4.27×10-5m4。則E′I′=1.28×103kN·m2。

擬定簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算長(zhǎng)度L=22 m，橋面連續(xù)縫寬度L′=0.04 m。

將以上數(shù)值代入上文橋面連續(xù)縫處截面彎矩公式，得M=-89.89 kN·m，即為一般情況下活載作用下橋面連續(xù)縫處彎矩。該值已遠(yuǎn)大于上文計(jì)算所得的橋面連續(xù)縫處開裂彎矩。

在進(jìn)行參數(shù)分析時(shí)，將其中一個(gè)參數(shù)作為變值，其余參數(shù)取定值，研究該變值對(duì)M值的影響，可得到如下結(jié)論：

（1）在其余條件相同的情況下，簡(jiǎn)支梁橋截面剛度EI越小，活載作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩越大。即橋面鋪裝與簡(jiǎn)支梁橋剛度比k越大，該負(fù)彎矩值越大。

（2）在其余條件相同的情況下，混凝土鋪裝截面剛度E′I′越大，活載作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩越大。即橋面鋪裝與簡(jiǎn)支梁橋剛度比k越大，該負(fù)彎矩值越大。

（3）在其余條件相同的情況下，簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算長(zhǎng)度L越大，活載作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩越大。當(dāng)然，這與荷載值隨橋跨的相應(yīng)增大也有關(guān)。即橋面連續(xù)縫與簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算長(zhǎng)度比B越小，該負(fù)彎矩值越大。

（4）在其余條件相同的情況下，橋面連續(xù)縫寬度L′越小，活載作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩越大。即橋面連續(xù)縫與簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算長(zhǎng)度比B越小，該負(fù)彎矩值越大。

3.3小結(jié)

除部分采用倒T蓋梁結(jié)構(gòu)形式的橋梁外，橋面連續(xù)縫處的彎矩一般已明顯超過(guò)其開裂彎矩，且該彎矩值主要與以下因素有關(guān)：

活載作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩隨橋面鋪裝與簡(jiǎn)支梁橋剛度比k的減小而減小；隨橋面連續(xù)縫與簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算長(zhǎng)度比B的增大而減小。

因此，若要減小橋面連續(xù)縫處受力，可適當(dāng)減小混凝土鋪裝截面剛度E′I′及簡(jiǎn)支梁橋跨度L，增大簡(jiǎn)支梁橋截面剛度EI及橋面連續(xù)縫寬度L′（采用倒T蓋梁結(jié)構(gòu)形式等）。

4　支座沉降作用下簡(jiǎn)支梁橋面連續(xù)縫受力分析

4.1支座沉降引起的橋面連續(xù)縫處內(nèi)力

仍然將橋面連續(xù)縫及與其相鄰兩跨簡(jiǎn)支梁橋模擬為三跨連續(xù)梁。下面對(duì)不同的沉降情況分別作分析。

4.1.1一個(gè)邊墩發(fā)生1 cm沉降

當(dāng)一個(gè)邊墩發(fā)生1 cm沉降時(shí)，該三跨連續(xù)梁的彎矩圖見圖4所示。

圖4　一個(gè)邊墩發(fā)生1 cm沉降時(shí)力學(xué)模型彎矩圖

4.1.2中墩發(fā)生1 cm沉降

當(dāng)中墩發(fā)生1 cm沉降時(shí)，該三跨連續(xù)梁的彎矩圖見圖5所示。

圖5　中墩發(fā)生1 cm沉降時(shí)力學(xué)模型彎矩圖

4.2主要參數(shù)分析

由以上橋面連續(xù)縫處彎矩M計(jì)算可知，不均勻沉降作用下M值與簡(jiǎn)支梁線剛度i、簡(jiǎn)支梁計(jì)算長(zhǎng)度L、k及B值有關(guān)，即與EI、E′I′、L、L′值有關(guān)。并可得出如下結(jié)論：

（1）在其余條件相同的情況下，簡(jiǎn)支梁橋截面剛度EI越大，不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩越大。

（2）在其余條件相同的情況下，混凝土鋪裝截面剛度E′I′越大，不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩越大。

（3）在其余條件相同的情況下，簡(jiǎn)支梁橋計(jì)算長(zhǎng)度L越小，不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩越大。

（4）在其余條件相同的情況下，橋面連續(xù)縫寬度越小L′，不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩越大。

4.3小結(jié)

根據(jù)前文對(duì)不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩計(jì)算分析可知：

除部分簡(jiǎn)支梁剛度較小的橋梁及采用倒T蓋梁結(jié)構(gòu)形式或連續(xù)縫寬度較大的情況外，橋面連續(xù)縫處的彎矩一般已明顯超過(guò)其開裂彎矩，且該彎矩值主要與以下因素有關(guān)：

不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩隨混凝土鋪裝截面剛度E′I′、簡(jiǎn)支梁橋截面剛度EI的減小而減小。

不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩隨簡(jiǎn)支梁橋跨度L、橋面連續(xù)縫寬度L′的增大而減小。

因此，若要減小不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處受力，可適當(dāng)減小混凝土鋪裝截面剛度及簡(jiǎn)支梁橋截面剛度E′I′，增大及簡(jiǎn)支梁橋跨度L橋面連續(xù)縫寬度L′（采用倒T蓋梁結(jié)構(gòu)形式等）。

5　橋面連續(xù)縫維修技術(shù)

通過(guò)上文分析，連續(xù)縫處受力狀況較為復(fù)雜，其實(shí)際受力彎矩都大于其開裂彎矩，因此，連續(xù)縫處開裂出現(xiàn)橫向裂縫在所難免。由于連續(xù)縫結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)橫向裂縫的數(shù)量較多，連續(xù)縫改造的工作量很大。如全部進(jìn)行原結(jié)構(gòu)修復(fù)或改建為型鋼伸縮縫受高架道路維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)實(shí)踐和作業(yè)條件限制，施工難度高，可操作性差。因此連續(xù)縫改造宜結(jié)合連續(xù)縫處出現(xiàn)裂縫的輕重程度區(qū)別對(duì)待。

連續(xù)縫改造建議采用以下方案［4］：

（1）對(duì)于裂縫較細(xì)、裂縫區(qū)域無(wú)明顯變形，裂縫長(zhǎng)度未貫通半幅路面的連續(xù)縫，采用鋪設(shè)玻纖網(wǎng)的防裂措施。

（2）對(duì)于裂縫較寬、裂縫區(qū)域裂塊破碎，裂縫長(zhǎng)度貫通半幅路面（內(nèi)環(huán)內(nèi)圈或外圈）的連續(xù)縫，根據(jù)歷年沉降觀測(cè)結(jié)果，當(dāng)沉降值超過(guò)10 mm時(shí)，將連續(xù)縫改建為RG-80型鋼伸縮縫；當(dāng)沉降值小于10 mm時(shí)，將連續(xù)縫采用原結(jié)構(gòu)修復(fù)。

6　結(jié)論

通過(guò)對(duì)橋面連續(xù)縫受力機(jī)理（主要為在活載作用及不均勻沉降作用下）的研究，可知：

（1）橋面連續(xù)縫處開裂彎矩相對(duì)實(shí)際可能發(fā)生的彎矩較小，因此，在僅活載與不均勻沉降作用下連續(xù)縫處鋪裝就極易開裂。

（2）活載作用下橋面連續(xù)縫處負(fù)彎矩隨混凝土鋪裝截面剛度E′I′、簡(jiǎn)支梁橋跨度L的減小而減?。浑S簡(jiǎn)支梁橋截面剛度EI，橋面連續(xù)縫寬度的增大而減小。

（3）不均勻沉降作用下橋面連續(xù)縫處彎矩隨混凝土鋪裝截面剛度E′I′、簡(jiǎn)支梁橋截面剛度EI的減小而減?。浑S簡(jiǎn)支梁橋跨度L、橋面連續(xù)縫寬度L′的增大而減小。

因此，采用如下手段可對(duì)橋面連續(xù)縫處的受力情況加以改善：

（1）適當(dāng)減小橋面連續(xù)縫處鋪裝剛度，如采用高彈性瀝青混凝土（GTF）處置。

（2）采用倒T蓋梁結(jié)構(gòu)形式等增大橋面連續(xù)縫處寬度。

但由于橋面連續(xù)縫處受力的復(fù)雜性（除活載、不均勻沉降作用外還有溫度差異的作用等），且該處開裂彎矩極小，以上手段的采用仍不足以解決橋面連續(xù)縫的開裂問題，橋面連續(xù)縫開裂成為一種不可避免的病害。為此，可考慮一定的構(gòu)造手段使得橋面連續(xù)縫處的開裂變得較為規(guī)律及便于修補(bǔ)：

（1）在連續(xù)縫處設(shè)置假縫（見圖1及圖6、圖7）；

（2）連續(xù)縫處鋼筋采用交叉設(shè)置等以減小該處剛度（見圖8）。

圖6　橋面連續(xù)縫原結(jié)構(gòu)修復(fù)（一）示意圖（單位：cm）

圖7　橋面連續(xù)縫原結(jié)構(gòu)修復(fù)（二）示意圖（單位：cm）

［1］JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］朱慈勉，張偉平.結(jié)構(gòu)力學(xué)（第2版）［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］JTGD60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

圖8橋面連續(xù)縫原結(jié)構(gòu)修復(fù)（三）示意圖（單位：cm）

U441

A

1009-7716（2016）06-0087-04

2016-03-15

單婷婷（1983-），女，上海人，碩士，工程師，從事規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作。