市政小橋縱向裂縫成因及對荷載效應(yīng)的影響分析

敬家熾，沈明燕，侯湘亞，謝俊鑫，易治國，劉浩

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

市政小橋縱向裂縫成因及對荷載效應(yīng)的影響分析

敬家熾，沈明燕，侯湘亞，謝俊鑫，易治國，劉浩

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201）

市政小橋因其寬跨比大、荷載等級高等特點，容易產(chǎn)生縱向裂縫。文中運用MIDAS/ Civil對某城市主干道中5座市政小橋的縱向裂縫進行成因分析，并通過對比小橋產(chǎn)生縱向裂縫前后相同荷載作用下的作用力，分析縱向裂縫對荷載效應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明，小橋縱向裂縫主要是因為橋梁寬跨比大、溫度荷載產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力超過限值而產(chǎn)生的；縱向裂縫對小橋承載能力的影響有限，需具體情況具體分析。

橋梁：市政小橋；縱向裂縫；承載能力；溫度荷載

市政小橋是指城市快速路、主干路及交通特別繁忙城市次干路上的小橋，具有寬跨比大、荷載等級高等特點。根據(jù)CJJ 11-2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》，市政小橋的設(shè)計安全等級和特大橋、大橋等重要結(jié)構(gòu)相同，為一級，可見其在交通運輸中的重要地位。截至2013年，中國共有公路橋梁73.5萬座，其中中小跨徑橋梁在永久性橋梁中占92.2%，而在中小橋梁中，市政小橋占相當大的比重。但由于市政小橋跨徑小、較隱蔽，往往沒有引起人們的注意，甚至當小橋出現(xiàn)裂縫等病害時，誤以為是一般道路病害而不以為然，為道路交通安全埋下隱患。

在橋梁各種病害中，砼梁體開裂最為普遍，而裂縫能反映橋梁的健康狀況。該文對某城市主干道中5座市政小橋的縱向裂縫進行調(diào)查，運用MIDAS/ Civil對縱向裂縫進行成因分析，并通過對比小橋產(chǎn)生縱向裂縫前后相同荷載所產(chǎn)生的作用效應(yīng)，分析縱向裂縫對小橋的影響。

1 市政小橋縱向裂縫調(diào)查

所檢測的5座小橋均建設(shè)于20世紀90年代，現(xiàn)已安全使用20年左右，橋梁參數(shù)見表1。

表1　5座市政小橋的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，縱向裂縫大多位于機動車道，且多為全橋通縫（見圖1～5）。

圖1　小橋一的縱向裂縫示意圖（單位：cm）

圖2　小橋二的縱向裂縫示意圖（單位：cm）

圖3　小橋三的縱向裂縫示意圖（單位：cm）

圖4　小橋四的縱向裂縫示意圖（單位：cm）

圖5　小橋五的縱向裂縫示意圖（單位：cm）

2 市政小橋縱向裂縫成因分析

橋梁裂縫成因主要分為荷載引起的裂縫和非荷載引起的裂縫。荷載裂縫主要可分為直接應(yīng)力裂縫和次應(yīng)力裂縫，非荷載裂縫主要包括收縮裂縫、溫度裂縫、地基基礎(chǔ)變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫等。在砼結(jié)構(gòu)裂縫中，80%裂縫與非荷載變形有關(guān)，是以變形變化為主所引起的裂縫；剩余的20%裂縫以荷載為主要原因，并包括了變形與荷載的共同作用。也就是說大部分結(jié)構(gòu)裂縫是由非荷載作用或由非荷載變形和荷載共同作用所產(chǎn)生的。

2.1建模參數(shù)設(shè)置

5座市政小橋均為簡支梁板結(jié)構(gòu)，寬跨比均大于4.75，為寬橋。小橋橋臺上不設(shè)支座，在臺帽上擱置“三氈二油”來調(diào)節(jié)橋梁橫向變形。因5座小橋均已安全使用20年左右，臺帽上擱置的“三氈二油”不能正常發(fā)揮作用，造成橫橋向約束明顯。

按板單元建模，砼強度等級為C25，主筋種類為HRB335，構(gòu)造鋼筋種類為R235。支座均約束X、Z方向位移，橋梁兩端單對角增加Y方向平動約束。橋梁結(jié)構(gòu)自重考慮鋼筋重量，自重系數(shù)取1.04；橋面鋪裝恒載集度按各橋鋪裝層厚度分別取值。模型初始溫度設(shè)為17℃，工況一為升溫20℃、最終溫度為37℃，工況二為降溫20℃、最終溫度-3℃。

2.2模型分析結(jié)果

模型分析結(jié)果見圖6。C25砼的軸心抗拉強度標準值ftk=1.78 MPa。由圖6可知：小橋在降溫20℃作用下橫橋向拉應(yīng)力超過砼抗拉強度，這是小橋出現(xiàn)縱向裂縫的主要原因。

3 縱向裂縫對小橋荷載效應(yīng)的影響

考慮到小橋出現(xiàn)縱向裂縫后縱向裂縫處的鋼筋未斷裂，仍能正常傳遞軸力、剪力，但橫橋向彎矩不能正常傳遞，會影響橋梁荷載橫向分布，對橋梁荷載效應(yīng)會有一定影響，通過相同荷載在橋梁出現(xiàn)縱向裂縫前后所產(chǎn)生的作用力的對比，分析縱向裂縫對小橋承載能力的影響。

圖6　5座市政小橋在溫度荷載作用下的橫橋向應(yīng)力

3.1建模參數(shù)設(shè)置

按最不利作用考慮原則，假設(shè)縱向裂縫處不能傳遞橫橋向彎矩，即將縱向裂縫處的連接按鉸接考慮。5座小橋的設(shè)計荷載標準均為汽-20、掛-100。對小橋按汽-20荷載標準進行計算分析，荷載組合為1.2恒載+1.4活載（汽-20）。

3.2計算結(jié)果對比分析

5座小橋產(chǎn)生縱向裂縫前后的作用力見圖7、圖8。由圖7、圖8可知：在極限承載能力荷載組合作

圖7　5座小橋產(chǎn)生縱向裂縫前后的最大Myy作用力

圖8　5座小橋產(chǎn)生縱向裂縫前后最大Vyy作用力

用下，小橋產(chǎn)生縱向裂縫后，最大彎矩作用力均增大，變化百分比小于5.5%；最大剪切作用力均減小，變化百分比小于4%。

4 結(jié)論與建議

（1）小橋產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因是橋梁寬跨比大，在溫度荷載作用下產(chǎn)生的橫橋向拉應(yīng)力超過砼軸心抗拉強度標準值。

（2）在極限承載能力荷載組合作用下，小橋產(chǎn)生縱向裂縫后，最大彎矩、剪切作用力變化較小，且產(chǎn)生縱向裂縫后小橋承載能力仍能滿足規(guī)范要求。

（3）5座市政小橋均加設(shè)了橫向聯(lián)系，建議小橋設(shè)計中根據(jù)溫度荷載等作用加設(shè)橫向聯(lián)系。

（4）市政小橋因所在道路等級高，其所出現(xiàn)的縱向裂縫等病害應(yīng)引起重視。具體工程產(chǎn)生縱向裂縫后應(yīng)具體情況具體分析。

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2016-03-07