简支梁桥桥面连续缝受力机理及影响因素研究

单婷婷

（上海市市政规划设计研究院，上海市200031）

简支梁桥桥面连续缝受力机理及影响因素研究

单婷婷

（上海市市政规划设计研究院，上海市200031）

将简支梁桥纵向相邻两片板梁及中间的桥面连续缝模拟为一变跨度、变刚度的三跨连续梁，计算其中跨（即桥面连续缝处）的跨中弯矩影响线方程，计算桥面连续缝在活载和支座沉降下的开裂弯矩。将其中一个参数作为变值，其余参数取定值，研究该变值对弯矩值的影响。由此得出桥面连续缝开裂弯矩的影响因素，并据此提出桥面连续缝开裂的改善措施。

简支梁桥；桥面连续缝；开裂弯矩；弯矩影响线；倒T盖梁结构

0　引言

目前，上海内环高架桥梁等简支梁桥的连续缝处破坏现象较为严重，主要表现为横向裂缝。裂缝的长短不一，有的甚至贯穿整幅桥面。

本文将从桥面连续缝受力机理的角度分析其开裂机理及其影响因素，并提出减少连续缝开裂的若干建议措施。

1　桥面连续缝处开裂弯矩

若以钢筋混凝土铺装层的开裂作为桥面连续缝处开裂的标志，则根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）［1］规定，其开裂弯矩为：

Mcr=γftkW0=2S0ftk式中：S0为全截面换算截面重心轴以上（或以下）部分面积对重心轴的面积矩；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值。

以图1所示颇具一般性的连续缝厚度及配筋为例（8 cm厚C30防水混凝土，上下双层Φ12@100的纵向钢筋），计及该连续缝处桥面铺装钢筋，其开裂弯矩为Mcr=2Softk=2×2.31×106×2.01/l×106= 9.28（kN·m），即当连续缝处弯矩超过该值时，其钢筋混凝土铺装层开裂，这也是桥面连续缝破坏的先兆。

2　简支梁桥桥面连续缝受力分析模型

为研究简支梁桥桥面连续缝的受力机理，取简支梁桥纵桥向相邻的两片简支板梁（宽1 m）及其中间的桥面连续缝作为研究对象，并将其模拟为一变跨度、变刚度的三跨连续梁。其中中跨为桥面连续缝，跨度较小，刚度仅计连续缝处桥面铺装的实际厚度及配筋；两个边跨为纵桥向相邻的简支板梁，刚度计及简支板梁实际钢筋混凝土截面及其上桥面铺装。

为研究推导方便，假定左右边跨的刚度及跨度相等，其弹性模量为E、截面惯性矩为I、计算长度为L，令该跨线刚度为i，则；而中跨（桥面连续缝）弹性模量为E′、截面惯性矩为I′、计算长度为L′，令该跨线刚度为i′，则，见图2所示。

3　活载作用下简支梁桥面连续缝受力分析

3.1影响线方程及计算假定

如图2所示计算图式，其中跨（桥面连续缝处）跨中弯矩影响线方程为［2］：

图1　桥面连续缝处的一般构造形式示意图（单位：mm）

图2　简支梁桥桥面连续缝受力分析模型示意图

若不考虑具体数值，则该影响线的大致形状如图3所示。

图3　中跨（桥面连续缝处）跨中弯矩影响线图形示意图

按公路-I级的车道荷载标准进行加载，由影响线图形可知，当车道荷载布置于左右边跨时，中跨跨中截面负弯矩达到最大。根据《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）》4.3.1［3］，公路-I级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5 kN/m，集中荷载标准值取Pk=200 kN。令均布荷载满布左右边跨，集中荷载作用于左右跨跨中，横向分布系数取0.33。此时中跨跨中截面弯矩为：

3.2主要参数分析

由以上桥面连续缝处弯矩M计算可知，活载作用下M值与简支梁及桥面连续缝处计算长度及刚度有关，即与k，B值有关。

首先，拟定一般情况下E、I、L及E′、I′、L′取值如下：

拟定简支梁桥采用C40混凝土，弹性模量E=3.25×104MPa。因内环线高架上一般采用22 m空心板梁桥，因此根据先张法预应力混凝土空心板标准图，采用22 m空心板中梁截面惯性矩数值，同时计入8 cm混凝土铺装，截面惯性矩I=0.063 76 m4，则EI=2.072×106kN·m2。

拟定钢筋混凝土铺装采用C30混凝土，弹性模量E′=3×104MPa。桥面铺装厚度假定8 cm，则1 m宽桥面铺装的截面惯性矩I′=4.27×10-5m4。则E′I′=1.28×103kN·m2。

拟定简支梁桥计算长度L=22 m，桥面连续缝宽度L′=0.04 m。

将以上数值代入上文桥面连续缝处截面弯矩公式，得M=-89.89 kN·m，即为一般情况下活载作用下桥面连续缝处弯矩。该值已远大于上文计算所得的桥面连续缝处开裂弯矩。

在进行参数分析时，将其中一个参数作为变值，其余参数取定值，研究该变值对M值的影响，可得到如下结论：

（1）在其余条件相同的情况下，简支梁桥截面刚度EI越小，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越大。即桥面铺装与简支梁桥刚度比k越大，该负弯矩值越大。

（2）在其余条件相同的情况下，混凝土铺装截面刚度E′I′越大，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越大。即桥面铺装与简支梁桥刚度比k越大，该负弯矩值越大。

（3）在其余条件相同的情况下，简支梁桥计算长度L越大，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越大。当然，这与荷载值随桥跨的相应增大也有关。即桥面连续缝与简支梁桥计算长度比B越小，该负弯矩值越大。

（4）在其余条件相同的情况下，桥面连续缝宽度L′越小，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越大。即桥面连续缝与简支梁桥计算长度比B越小，该负弯矩值越大。

3.3小结

除部分采用倒T盖梁结构形式的桥梁外，桥面连续缝处的弯矩一般已明显超过其开裂弯矩，且该弯矩值主要与以下因素有关：

活载作用下桥面连续缝处负弯矩随桥面铺装与简支梁桥刚度比k的减小而减小；随桥面连续缝与简支梁桥计算长度比B的增大而减小。

因此，若要减小桥面连续缝处受力，可适当减小混凝土铺装截面刚度E′I′及简支梁桥跨度L，增大简支梁桥截面刚度EI及桥面连续缝宽度L′（采用倒T盖梁结构形式等）。

4　支座沉降作用下简支梁桥面连续缝受力分析

4.1支座沉降引起的桥面连续缝处内力

仍然将桥面连续缝及与其相邻两跨简支梁桥模拟为三跨连续梁。下面对不同的沉降情况分别作分析。

4.1.1一个边墩发生1 cm沉降

当一个边墩发生1 cm沉降时，该三跨连续梁的弯矩图见图4所示。

图4　一个边墩发生1 cm沉降时力学模型弯矩图

4.1.2中墩发生1 cm沉降

当中墩发生1 cm沉降时，该三跨连续梁的弯矩图见图5所示。

图5　中墩发生1 cm沉降时力学模型弯矩图

4.2主要参数分析

由以上桥面连续缝处弯矩M计算可知，不均匀沉降作用下M值与简支梁线刚度i、简支梁计算长度L、k及B值有关，即与EI、E′I′、L、L′值有关。并可得出如下结论：

（1）在其余条件相同的情况下，简支梁桥截面刚度EI越大，不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩越大。

（2）在其余条件相同的情况下，混凝土铺装截面刚度E′I′越大，不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩越大。

（3）在其余条件相同的情况下，简支梁桥计算长度L越小，不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩越大。

（4）在其余条件相同的情况下，桥面连续缝宽度越小L′，不均匀沉降作用下桥面连续缝处负弯矩越大。

4.3小结

根据前文对不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩计算分析可知：

除部分简支梁刚度较小的桥梁及采用倒T盖梁结构形式或连续缝宽度较大的情况外，桥面连续缝处的弯矩一般已明显超过其开裂弯矩，且该弯矩值主要与以下因素有关：

不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩随混凝土铺装截面刚度E′I′、简支梁桥截面刚度EI的减小而减小。

不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩随简支梁桥跨度L、桥面连续缝宽度L′的增大而减小。

因此，若要减小不均匀沉降作用下桥面连续缝处受力，可适当减小混凝土铺装截面刚度及简支梁桥截面刚度E′I′，增大及简支梁桥跨度L桥面连续缝宽度L′（采用倒T盖梁结构形式等）。

5　桥面连续缝维修技术

通过上文分析，连续缝处受力状况较为复杂，其实际受力弯矩都大于其开裂弯矩，因此，连续缝处开裂出现横向裂缝在所难免。由于连续缝结构处出现横向裂缝的数量较多，连续缝改造的工作量很大。如全部进行原结构修复或改建为型钢伸缩缝受高架道路维修养护作业实践和作业条件限制，施工难度高，可操作性差。因此连续缝改造宜结合连续缝处出现裂缝的轻重程度区别对待。

连续缝改造建议采用以下方案［4］：

（1）对于裂缝较细、裂缝区域无明显变形，裂缝长度未贯通半幅路面的连续缝，采用铺设玻纤网的防裂措施。

（2）对于裂缝较宽、裂缝区域裂块破碎，裂缝长度贯通半幅路面（内环内圈或外圈）的连续缝，根据历年沉降观测结果，当沉降值超过10 mm时，将连续缝改建为RG-80型钢伸缩缝；当沉降值小于10 mm时，将连续缝采用原结构修复。

6　结论

通过对桥面连续缝受力机理（主要为在活载作用及不均匀沉降作用下）的研究，可知：

（1）桥面连续缝处开裂弯矩相对实际可能发生的弯矩较小，因此，在仅活载与不均匀沉降作用下连续缝处铺装就极易开裂。

（2）活载作用下桥面连续缝处负弯矩随混凝土铺装截面刚度E′I′、简支梁桥跨度L的减小而减小；随简支梁桥截面刚度EI，桥面连续缝宽度的增大而减小。

（3）不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩随混凝土铺装截面刚度E′I′、简支梁桥截面刚度EI的减小而减小；随简支梁桥跨度L、桥面连续缝宽度L′的增大而减小。

因此，采用如下手段可对桥面连续缝处的受力情况加以改善：

（1）适当减小桥面连续缝处铺装刚度，如采用高弹性沥青混凝土（GTF）处置。

（2）采用倒T盖梁结构形式等增大桥面连续缝处宽度。

但由于桥面连续缝处受力的复杂性（除活载、不均匀沉降作用外还有温度差异的作用等），且该处开裂弯矩极小，以上手段的采用仍不足以解决桥面连续缝的开裂问题，桥面连续缝开裂成为一种不可避免的病害。为此，可考虑一定的构造手段使得桥面连续缝处的开裂变得较为规律及便于修补：

（1）在连续缝处设置假缝（见图1及图6、图7）；

（2）连续缝处钢筋采用交叉设置等以减小该处刚度（见图8）。

图6　桥面连续缝原结构修复（一）示意图（单位：cm）

图7　桥面连续缝原结构修复（二）示意图（单位：cm）

［1］JTGD62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］朱慈勉，张伟平.结构力学（第2版）［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］JTGD60-2015，公路桥涵设计通用规范［S］.

图8桥面连续缝原结构修复（三）示意图（单位：cm）

U441

A

1009-7716（2016）06-0087-04

2016-03-15

单婷婷（1983-），女，上海人，硕士，工程师，从事规划、设计工作。