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        簡(jiǎn)支梁橋橋面連續(xù)縫受力機(jī)理及影響因素研究

        2016-11-16 08:07:18單婷婷
        城市道橋與防洪 2016年6期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        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(kāi)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(kāi)裂彎矩的影響因素,并據(jù)此提出橋面連續(xù)縫開(kāi)裂的改善措施。

        簡(jiǎn)支梁橋;橋面連續(xù)縫;開(kāi)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(kāi)裂機(jī)理及其影響因素,并提出減少連續(xù)縫開(kāi)裂的若干建議措施。

        1 橋面連續(xù)縫處開(kāi)裂彎矩

        若以鋼筋混凝土鋪裝層的開(kāi)裂作為橋面連續(xù)縫處開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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?。浑S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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)裂彎矩,因此,連續(xù)縫處開(kāi)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(kāi)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(kāi)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??;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,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(kāi)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(kāi)裂問(wèn)題,橋面連續(xù)縫開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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。

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