裝配式橋梁橋面鋪裝力學(xué)分析

摘要：裝配式板橋橋面鋪裝層的早期破壞大大降低了橋梁的使用壽命，針對這一問題，作者作了詳細(xì)的調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上對鋪裝層的病害原因進(jìn)行了分析，建立了裝配式板橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的受力模型，對其進(jìn)行了受力分析，并提出了確定鋪裝層厚度的較為可行的方法。本文基于簡支混凝土鋪裝層受力及其與主梁的共同工作，從結(jié)構(gòu)受力的角度分析研究裝配式板橋橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)；橋面鋪裝彎曲正應(yīng)力；橋面鋪裝縱縫剪切應(yīng)力

1、引言

目前我國公路橋梁當(dāng)中，中小跨徑橋梁占98%；而中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)大多采用交通部部頒標(biāo)準(zhǔn)通用圖中裝配式板梁結(jié)構(gòu)[1]-[2]，其橋面鋪裝也基本上套用了標(biāo)準(zhǔn)通用圖結(jié)構(gòu)形式。大量事實(shí)證明，在車流量大，超載超限車多的路段橋梁橋面鋪裝破壞較為嚴(yán)重。橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)破壞已成為裝配式板橋主要病害之一，嚴(yán)重影響了行車安全與舒適。在其設(shè)計與施工中暴露的問題與日俱增，在這種情況下，亟需制定一套指導(dǎo)橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工規(guī)程，為此本文從力學(xué)計算與分析方面進(jìn)行研究[3]-[4]，以期找出適合橋梁設(shè)計規(guī)范要求的荷載作用下裝配式板橋鋪裝層結(jié)構(gòu)形式、合理厚度及其計算方法，為裝配式板橋橋面鋪裝設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。

2、裝配式板橋橋面鋪裝主要破壞形式

（一）鋪裝層沿縱縫（彎）剪切破壞

就鋪層受力而言：主梁（板）自身抗彎剛度較大，豎向位移較小；由于橋梁的橫向剛度小，板間橫向傳力靠鉸縫抗剪和鋪裝層共同傳遞。板縫間的鋪裝層受力彎剪作用，以抗剪為主。在多次重復(fù)荷載作用下，沿板縫間縱向開裂，因車輛分上下行，橋面中線板縫處受重復(fù)荷載作用的次數(shù)較其它位置高出數(shù)倍，故以中線處縱縫開裂最為嚴(yán)重。當(dāng)橋梁超載運(yùn)營時，主梁（板）撓度加大，更加劇了橋面鋪計的縱向開裂。

（二）橋面鋪裝層縱橋向彎曲受力破壞

橋面鋪計層橫向開裂類似于剛路面的“斷板”，主要發(fā)生在距伸縫1～2m范圍內(nèi)，以距伸縫20～50cm發(fā)生一道為多，幾乎位于主梁支座中心處；對跨徑較大的梁橋，跨中部位亦有發(fā)生橫向開裂的現(xiàn)象。

（三）局部非均勻受力破壞

就裝配式橋梁而言，造成鋪裝層網(wǎng)狀裂縫或局部坑槽的原因除了鋪裝層偏薄外，鋪裝層與主梁頂面粘結(jié)強(qiáng)度不足，以及鋪裝層混凝土厚薄不均，鋪裝層強(qiáng)度偏低以及早期受荷載破壞是主要原因，這些都是施工、養(yǎng)生不當(dāng)造成的。當(dāng)鋪裝層本身強(qiáng)度、厚度不均勻時，或者鋪裝層下行車道板強(qiáng)度不足造成鋪裝層非均勻受力，表現(xiàn)為鋪裝層網(wǎng)狀裂縫。

3、裝配式板橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)計算

（一）橋面鋪裝彎曲正應(yīng)力計算

（1）計算假定

橋梁上部結(jié)構(gòu)，主梁的混凝土應(yīng)力是按結(jié)構(gòu)自重恒載和活載產(chǎn)生的應(yīng)力來計算，而對鋪裝層內(nèi)的應(yīng)力未作要求。為分析鋪裝層內(nèi)的彎曲正應(yīng)力，作如下假定：

1）預(yù)應(yīng)力混凝土主梁承受一期及二期恒載，即承擔(dān)混凝土梁的自重及二期恒載的作用。

2）活載由主梁和鋪裝層共同承擔(dān)，鋪裝層內(nèi)的荷載應(yīng)力僅由活載產(chǎn)生。

3）梁截面的變形符合平截面假定。

4）所有材料均處于彈性工作狀態(tài)。

5）主梁和鋪裝層間完全連續(xù)。

（2）彎曲正應(yīng)力的計算分析

如圖所示，各字母的含義如下：

O1-O1：主梁換算截面的中性軸位置；

O2-O2：主梁+鋪裝換算截面的中性軸位置（計算時，應(yīng)將鋪裝層和主梁根據(jù)其彈性模量之比，換算為同種材料）；

y1：主梁截面上緣至中性軸O1-O1之距；y2：橋面鋪裝上緣至中性軸O2-O2之距；

Ⅰ1：主梁換算截面的抗彎慣距；Ⅰ2：主梁+鋪裝換算截面的抗彎慣距；

Mp：活載引起的彎矩；Mg1：一期恒載（主梁自重）引起的彎矩；

Mg2：二期恒載（橋面鋪裝重力）引起的彎矩；

圖1 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)示意圖

則有：

a）鋪裝層頂面由活載Mp引起的彎曲正應(yīng)力：σ鋪裝上= y2

b）鋪裝層下緣由活載Mp引起的彎曲正應(yīng)力：σ鋪裝下= y3

主梁的上緣正應(yīng)力σ主梁上= y1+ y3-σ上y

式中σ上y為預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)加力在主梁上緣產(chǎn)生的壓應(yīng)力。

3、算例分析

某5跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板橋，跨徑5*16m，橋面寬度12.5m，荷載為公路I級，該路段超載超限車較多，建成后4年時間，出現(xiàn)了支座處橋面鋪裝層橫向開裂及沿板梁鉸縫縱向開裂，原橋面鋪裝設(shè)計套用了標(biāo)準(zhǔn)通用圖，采用100mm厚C50鋼筋混凝土底層，其上布一層防水層，再在最外層布一層100mm厚瀝青混凝土。

現(xiàn)對該橋橋面鋪裝重新設(shè)計，采用150mm厚C50鋼筋混凝土鋪裝，支座處鋼筋網(wǎng)采用10cm x 10cm 縱向φ22，橫向φ12鋼筋網(wǎng)；跨中采用10cm x 10cm 縱、橫向均為φ12鋼筋網(wǎng)，在距支座6米處縱向鋼筋搭接。

支座處截面特性：A=0.692m2，y2=0.46m，Ⅰ2=0.0881m4。人群+汽車作用時，Mp=2.546X105N·m；人群+汽車制動力Mp=3.235X105N·m，人群+汽車+支座沉陷Mp=3.03X105N·m；人群+汽車+支座沉陷+溫降Mp=3.419X105N·m。取鋪裝的厚度為h=150mm，在不同荷載工況下鋪裝層上表面的應(yīng)力值見表

橋面鋪裝為C50混凝土，其設(shè)計抗拉強(qiáng)度R1‘=1.83MPa。

由此，對于該混凝土鋪裝層厚度采用15cm，從理論計算上，不會產(chǎn)生橫向裂縫。

見表連續(xù)梁支座處橋面鋪裝上緣彎曲正應(yīng)力

荷載工況人群+汽車人群+

汽車制動力人群+汽車+

支座沉陷人群+汽車+

支座沉陷+溫降

σ鋪裝上（MPσ）1.3291.6891.5821.785

在計算過程中未考慮橋面鋪裝層中縱向鋼筋對橫向裂縫的抑制作用，設(shè)計是偏于安全的。為了防止鋪裝層內(nèi)橫向伸縮縫處因沖擊荷載造成鋪裝層橫向開裂，在橫向伸縮縫附近1.5m范圍內(nèi)增設(shè)100×100φ12加密鋼筋網(wǎng)，以防鋪裝層因沖擊荷載橫向開裂。

（二）橋面鋪裝縱縫剪切應(yīng)力的計算分析

1、基本假設(shè)

對現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫橫向連接的鋼筋混凝土裝配式板梁橋及僅在翼板間用焊接鋼板或伸出交叉鋼筋連接的中小跨徑的裝配式梁橋，具有足夠強(qiáng)度和變形剛度的橋面鋪裝層，在車輛荷載垂直力通過鉸健傳遞時，橋面鋪裝層共同參與傳遞剪力，鋪裝層板底受彎剪作用。當(dāng)主梁縱向抗彎剛度較大時，豎向位移較小，鋪裝層作為剛性板考慮以承受縱縫間直接剪力為主。將鋪裝層橫橋向受力視為彈性支撐上的板，剪力依靠主梁鉸鍵和鋪