高艷秋
(河北省交通規(guī)劃設(shè)計院,石家莊050011)
為滿足高速公路兩側(cè)居民的通行需求,高速公路跨越等級路及機(jī)耕路時常設(shè)置分離式立交或通道,但在山區(qū)高速的挖方段以及平原區(qū)高速存在一些限制因素的情況下,如低路基、下穿鐵路等,常采用天橋跨越高速。
查閱以往項目,天橋橋面鋪裝通常采用6cm瀝青混凝土+8cm防水混凝土鋪裝。防水混凝土鋪裝待天橋結(jié)構(gòu)施工完后可直接澆筑,瀝青混凝土鋪裝需同高速路面一同攤鋪,攤鋪機(jī)需要繞路上橋施工,施工相對麻煩。通常天橋路線較短,一般1km左右,且天橋數(shù)量較少,建設(shè)方考慮施工及后期維護(hù)管養(yǎng)方便,通常要求設(shè)計方將鋪裝變更為15cm混凝土。為滿足業(yè)主的需求,最近一些項目天橋橋面鋪裝設(shè)計為防水混凝土鋪裝,但在實踐過程中也存在一些問題,據(jù)此,對其中利弊進(jìn)行探討。
本工程為一座跨越某高速的機(jī)耕天橋,天橋全寬8m,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)箱梁,梁高2.5m,3孔一聯(lián),跨徑組合為:30m+45m+30m,下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式橋墩,橋臺采用肋板式,墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。
設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級,橋面寬度0.5m墻式護(hù)欄+凈寬7m+0.5m墻式護(hù)欄,橋面橫坡1.5%,平面位于直線上。
根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》4.3.12 3計算橋梁結(jié)構(gòu),由于豎向溫度梯度引起的效應(yīng),可采用折線形豎向溫度梯度曲線,本橋在不同鋪裝作用下豎向日照正溫差計算的溫度基數(shù)見表1。
表1 豎向日照正溫差計算的溫度基數(shù)
混凝土上部結(jié)構(gòu)和帶混凝土橋面板的鋼結(jié)構(gòu)的豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5【1】。
2種鋪裝對上部結(jié)構(gòu)受力的影響主要體現(xiàn)在豎向梯度溫度效應(yīng)上。超靜定結(jié)構(gòu)體系的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,由于溫度效應(yīng)而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力有時會超過其活載產(chǎn)生的應(yīng)力,甚至超過混凝土的強(qiáng)度設(shè)計值,從而導(dǎo)致連續(xù)梁橋裂縫的產(chǎn)生【2】。
首先看一下相同條件下僅橋面鋪裝發(fā)生改變時,結(jié)構(gòu)受力的變化情況。
采用30m+45m+30m單梁模型進(jìn)行計算,計算模型見圖1,設(shè)計規(guī)范為公路15規(guī)范,采用公路Ⅱ級荷載。
圖1 計算模型
2種鋪裝總厚度接近,鋪裝變化對持久狀況承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度影響較小,可以忽略。
采用瀝青混凝土橋面鋪裝,結(jié)構(gòu)混凝土持久狀況短期效應(yīng)組合應(yīng)力、混凝土持久狀況標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合應(yīng)力的計算結(jié)果見表2和表3。
表2 混凝土持久狀況短期效應(yīng)組合應(yīng)力最值匯總表
表3 混凝土持久狀況標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合應(yīng)力最值匯總表
根據(jù)以上結(jié)果,結(jié)構(gòu)采用16根14φs15.2mm的鋼束以及16的主筋,受力是比較合理的。
僅將鋪裝修改為15cm厚防水混凝土鋪裝,配束配筋均不變化的情況,結(jié)構(gòu)混凝土持久狀況短期效應(yīng)組合上緣最小主應(yīng)力為-1.813MPa(拉為負(fù),壓為正),混凝土持久狀況標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合應(yīng)力上緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在跨中為15.349MPa。
此時結(jié)構(gòu)仍采用16根14φs15.2mm的鋼束以及的主筋,最小主應(yīng)力不滿足規(guī)范要求,且標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合上緣最大正應(yīng)力也已接近限值。
對于混凝土橋面鋪裝的情況,因溫度應(yīng)力較大,為防止結(jié)構(gòu)開裂,需控制結(jié)構(gòu)短期效應(yīng)組合上緣最小正應(yīng)力、最小主應(yīng)力,使之滿足要求,需要加大預(yù)應(yīng)力鋼束及普通鋼筋配筋,調(diào)整為16根16φs15.2mm的鋼束以及的主筋。
調(diào)整鋼束及配筋后混凝土持久狀況短期效應(yīng)組合最小主應(yīng)力為-0.838MPa、混凝土持久狀況標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合最大主應(yīng)力為15.201MPa。
調(diào)整配束及配筋后結(jié)構(gòu)短期效應(yīng)組合滿足規(guī)范要求,增大鋼束及配筋后持久狀況承載能力極限狀態(tài)抗彎強(qiáng)度安全儲備過大,跨中截面上緣的最大正應(yīng)力仍然較大,接近臨界值,上緣混凝土有被壓裂的風(fēng)險。
提取使用階段結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的應(yīng)力以及溫度應(yīng)力,對2種鋪裝作用下的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。
使用階段結(jié)構(gòu)自重在跨中截面上緣產(chǎn)生的正應(yīng)力為5.365MPa,在支點(diǎn)截面上緣產(chǎn)生的正應(yīng)力為3.805MPa。
瀝青橋面鋪裝的溫度應(yīng)力,對于跨中截面,除自重外其他作用在上緣產(chǎn)生的正應(yīng)力為7.973MPa,其中,溫度應(yīng)力為5.687MPa;對于支點(diǎn)截面,除自重外其他作用在上緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力為-2.823MPa,而溫度應(yīng)力為-3.069MPa,溫度應(yīng)力占的比重很大,且與結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的應(yīng)力幾乎相當(dāng)。
混凝土橋面鋪裝,對于跨中截面,除自重外其他作用在上緣產(chǎn)生的正應(yīng)力為9.979MPa,而溫度應(yīng)力則為7.694MPa,對于支點(diǎn)截面,除自重外其他作用在上緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力為-1.997MPa,而溫度應(yīng)力則為-4.115MPa,溫度應(yīng)力占的比重很大,已經(jīng)明顯超過結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的應(yīng)力,應(yīng)該引起足夠的重視。
經(jīng)過上述對比,混凝土鋪裝溫度梯度效應(yīng)較瀝青鋪裝大很多,對結(jié)構(gòu)受力影響較大,如果采用混凝土鋪裝,對鋼束和配筋的要求更高,而且跨中上緣混凝土正應(yīng)力偏大,接近臨界值,有被壓裂的風(fēng)險,造價高且不安全。
通過計算,對結(jié)果進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論:
1)在一定的溫度梯度作用下,連續(xù)梁橋的溫度應(yīng)力對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響,并且可能會與活載一起,成為橋梁設(shè)計的重要影響因素;
2)受梯度溫度影響,采用混凝土鋪裝比采用瀝青混凝土鋪裝跨中截面上緣的正應(yīng)力大2MPa左右,支點(diǎn)截面上緣的正應(yīng)力大1MPa左右;
3)采用6cm瀝青鋪裝+8cm防水混凝土鋪裝比采用15cm防水混凝土鋪裝從結(jié)構(gòu)受力上更加合理,可節(jié)約鋼束和鋼筋,更加經(jīng)濟(jì),且不易開裂,更能保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性以及材料使用的合理性;
4)建議天橋采用6cm瀝青鋪裝+8cm防水混凝土鋪裝;
5)天橋如采用混凝土鋪裝,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)計算,確保結(jié)構(gòu)安全。