整體式簡支板橋縱向裂縫分析

謝暉，胡麗娟

(1機械工業第三設計研究院，重慶400039；2重慶交通職業學院，重慶402247)

整體式簡支板橋縱向裂縫分析

謝暉1，胡麗娟2

(1機械工業第三設計研究院，重慶400039；2重慶交通職業學院，重慶402247)

通過對幾種不同寬跨比整體式鋼筋混凝土簡支板橋的ANSYS有限元實體分析，總結出了這類板橋縱向貫通裂縫形成的主要原因。提出在整體式鋼筋混凝土簡支板橋的設計中，在滿足縱向配筋要求的同時，必須增加橫向配筋的數量來抵抗不得忽視的橫向內力，以防止板橋出現縱向貫通裂縫。

整體板；縱向裂縫；橫向內力；拉應力；壓應力；寬跨比板橋；梯度溫度效應

0 引言

所有的橋梁形式中，整體式板橋因其建筑高度小、外形簡單、施工方便等特點，在我國公路及城市道路的小跨徑橋涵中得到廣泛的應用[1]。

然而，在高速路橋梁病害調查中，經常發現一些寬跨比較大的整體式實心鋼筋混凝土單跨簡支板橋底板出現了縱向的貫通裂縫，這些裂縫幾乎都出現在底板中部位置附近，而且裂縫寬度均大于0.2mm，有的甚至寬度達到2mm、深度達到4cm（見圖1～圖3）。

圖1 渝宜高速唐家沱分離式立交板橋底板中部縱向裂縫

圖2 渝涪高速高升小橋板底中部縱向裂縫

圖3 渝涪高速通道小橋板底中部縱向裂縫

這將帶來一系列的不良后果，一方面因鋼筋暴露而銹蝕；另一方面主筋因銹蝕而減小其受力面積，降低與混凝土的握裹效應，影響二者的共同受力；更嚴重的將導致鋼筋斷裂，橋梁脆性破壞等[2]。

本文通過ANSYS大型有限元分析軟件對幾種不同寬跨比的整體式實心矩形截面鋼筋混凝土簡支板橋進行了有限元實體分析，發現造成上述裂縫產生發展的主要原因是整體式簡支板橋在車輛荷載、日照溫差作用下底板（特別是底板板寬中部位置）橫向內力過大。鑒于此，根據有限元分析結果，本文指出了現有的整體式鋼筋混凝土簡支板橋的配筋方法中存在的一些不足，并對這種板橋的配筋方式和橋梁設計形式提出了建議。

1 縱向貫通裂縫原因分析

1.1 車輛荷載作用

1.1.1 分析過程

通過對高速公路整體式實心鋼筋混凝土簡支板橋的調查，現役的這種形式的板橋一般采用C30混凝土，跨徑不大于8m、寬度不大于12m，而且均為矩形實心等截面形式。因此選取跨徑為8m、厚度為0.38m、橋面鋪裝厚0.1m、寬度分別為7、9、12m的3種不同寬跨比的等截面矩形實心板橋進行ANSYS有限元軟件分析，ANSYS模型見圖4。汽車荷載按《公路橋涵設計通用規范》JTGD60-2004中的車輛荷載形式進行布載，軸重取140kN[3]，橫向布載見圖5；對每種寬跨比的板橋采用如圖4所示正載和偏載兩種橫向布載方式分別進行計算。車輛荷載在橋縱向的位置按跨中縱向彎矩影響線布置，見圖6。

由于分析的目的在于研究內力沿板寬方向的分布，故對3種不同的寬跨比板橋均采用兩車道加載且不考慮人群荷載作用。

圖4 全橋模型單元

圖5 車輛橫向兩種布載方式

圖6 車輛縱向布載形式

1.1.2 有限元計算結果與分析

為了了解在車輛荷載作用下，板橋底板跨中位置應力沿板寬的分布，特從有限元計算結果中提取曲線圖。圖中拉應力為正，壓應力為負，橫坐標為跨中底板沿板寬方向，數值為距自由邊距離。3種寬跨比板橋底板橫向應力沿跨中位置板寬方向的分布見圖7~圖9。

圖7 7m寬板橋橫向應力分布

圖8 9m寬板橋橫向應力分布

圖9 12m寬板橋橫向應力分布

3種寬跨比板橋底板縱向應力沿跨中位置板寬方向的分布見圖10~圖12。

圖10 7m寬板橋縱向應力分布

圖11 9m寬板橋縱向應力分布

圖12 12m寬板橋縱向應力分布

從圖7~圖9橫向應力曲線我們可以清楚地看出：隨著寬跨比的增加，橫向拉應力峰值也在增大；正載情況下橫向拉應力峰值比偏載時大，而且底板中間位置橫向拉應力最大，這是縱向貫通裂縫通常出現在底板中間位置的一個原因。

從圖10~圖12縱向應力曲線可以看出：在正載情況下，隨著寬跨比的增大，縱向應力沿板寬分布越來越不均勻，但縱向應力峰值在逐漸減小；在偏載情況下，越靠近板橋自由邊，縱向拉應力越大。

《公路橋涵設計手冊》對整體式簡支板橋的配筋要求是：當車輛荷載位于所容許的極限偏載位置時，考慮到車輛荷載的分布范圍比跨中更小，因而在兩側各1/6范圍內增加15%的縱向及橫向鋼筋的配置，其面積一般取主筋面積的15%，且間距不大于25cm[1]。但根據上述分析結果不難看出整體式簡支板橋底板中間位置橫向拉應力較大是縱向開裂的最不利部位，而兩側自由邊附近橫向拉應力很小。因此目前對整體式簡支板橋的配筋方式是不合理的。建議在板寬中部1/3范圍內應增加一定數量橫向鋼筋的配置（配筋數量應隨寬跨比的增大而增多），兩側各1/6范圍內可相對少配置些橫向鋼筋。

1.2 日照溫差作用

1.2.1 豎向溫度梯度曲線的選用

《公路橋涵設計通用規范》JTG_D60-2004規定當梁高H小于400mm時，計算梯度溫度效應采用的豎向溫度梯度曲線[3],如圖13所示。

圖13 豎向溫度梯度曲線

1.2.2 ANSYS分析結果與分析

為了分析大寬跨比整體式簡支板橋由于日照正溫差引起的不利影響，在這里選取跨徑為8m、寬度為11.5m、板厚為0.38m、橋面鋪裝為0.1m瀝青混凝土的整體式等截面矩形實心簡支板橋進行分析。根據規范，溫度梯度曲線中的T1=14℃、T2=5.5℃、A=0.28m[1]。

有限元計算軟件ANSYS有專門用來進行熱處理的部分，可以先根據溫度梯度曲線計算結構的溫度場，然后轉換ANSYS單元性質并讀入溫度場計算結果作為溫度荷載，最后計算溫度正應力[4-5]。ANSYS分析結果見圖14和圖15。

圖14 底板中部沿橋軸線方向應力分布

圖15 底板跨中沿板寬方向應力分布

圖14中的橫向坐標軸是橋軸線方向，數值是距固定端支座的距離；圖15中的橫向坐標軸是跨中位置沿板寬方向，數值是距自由邊的距離。

從圖14和圖15也可以發現，由日照正溫差作用引起的整體式簡支板橋底板應力分布規律與車輛荷載作用引起的是一致的，即底板中部橫向內力較大、縱向內力較小，而靠近自由邊處縱向內力較大、橫向內力較小。這也要求設計整體式簡支板橋時，在板寬中部應增加橫向鋼筋的配置，在靠近兩側自由邊處應增加縱向鋼筋的配置。

2 結論

（1）對于整體式簡支板橋，在車輛荷載和日照正溫差作用的影響下，隨著寬跨比的增加，板寬中部位置橫向內力所占比列越來越大，縱向內力所占比例越來越小；自由邊附近橫向內力所占比例越來越小，而縱向內力所占比例越來越大。

（2）現有資料在整體式簡支板橋的配筋方式上只強調在自由邊附近增加一定比例的橫向及縱向鋼筋，而忽略了橫向受力最不利部位（板寬中部），這是不合理的。

（3）建議在板寬中部1/3范圍內應增加一定比例的橫向鋼筋（配筋比例應隨寬跨比的增大而增加），兩側各1/6范圍內可相對少配置些橫向鋼筋。

[1]徐光輝，胡明義.公路橋涵設計手冊——梁橋：上冊[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2]王毅娟，王志剛.舊橋養護中的問題研究——整體式板橋縱向裂縫問題[J].北京建筑工程學院學報，2001，17(4)：20-24.

[3]中交公路規劃設計院.JTG D 60-2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[5]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

責任編輯：孫蘇，李紅

城鄉統籌

推動統籌城鄉發展要把握三大工作重點

統籌城鄉發展,要堅持改革創新、重點突破,推進工業化、城鎮化、農業現代化深度融合,形成城市支持農村、工業反哺農業的格局。

一是以構建城鄉一體化體制機制為重點推進城鄉統籌發展。建立完善"三農"投入機制,用好用足國家扶持政策,加強對農業發展的財政配套。著眼城鄉要素流動,建立完善城鄉資源要素平等流動機制,推進農村集體"三資"管理制度改革和農村集體經營性建設用地流轉機制創新,切實保障農民權益。深化征地制度改革,完善征地補償機制,確保被征地農民生活水平有提高、長遠生計有保障。深化戶籍制度改革,按照"嚴格控制大城市、合理發展中等城市以及積極發展小城鎮"的方針政策,形成具有漸進性的戶口遷徙制度,引導農業勞動力和農村人口有序向城鎮流動。構建城鄉一體化的公共服務體系,推動城鄉教育、文化、衛生、社保等體制接軌。

二是以解決"三農"問題為重點推進城鄉統籌發展。統籌城鄉發展,重點在農村,難點在農村,基礎在農村,所以必須在工業化、城鎮化中同步推進農業現代化。要加快構建現代農業產業體系,打造主城郊區都市現代農業示范區、"渝西"現代農業示范帶和"兩翼"山地特色農業基地;加快調整產業結構,穩定發展基礎產業,培育壯大主導產業,發展特色產業;加快國家級現代農業示范區和市級現代農業園區建設,發展農產品精深加工,提高農業生產效益。大力推進新農村建設,加快農村水利設施建設和水土流失綜合治理,加強生態保護和建設,推進農村環境綜合治理。創新農村開發模式,鼓勵農民以土地入股或以資金入股形式聯合共同開發。建立健全農業科技創新體系,完善農業技術推廣應用服務體系。

三是以城鎮化為重點推進統籌城鄉發展。推進城鎮化、打造城鎮集群是統籌城鄉發展的中心環節,必須著力提高城鎮化的質量和水平。要堅持整體規劃、產業支撐、突出特色,推動主城、六大區域性中心城市、區縣城、中心鎮和小城鎮協調發展,鼓勵區位條件優、經濟實力強、發展潛力大的小城鎮逐步發展成為小城市,加快區域中心城市(尤其是渝西地區)協調合作發展,逐步建成中等城市群。要以城鎮化為依托,促進工業產業結構和產業布局的調整,推動產業鏈的整合與拓展,增強城鎮的產業支撐。發揮城鎮化的輻射帶動作用,推動基礎設施向農村延伸、公共服務向農村拓展、現代文明向農村輻射,實現新型工業化、新型城鎮化、農業現代化相互支撐、相互融合、互動發展。（摘自：《重慶日報》）

（敬請作者速與本刊編輯部聯系，以便付酬）

Analysis on Longitudinal Cracks of Integral Simply Supported Slab Bridge

Through ANSYS finite element analysis of simply supported slab bridge of integral reinforced concrete with several different width-span ratio,the main causes for longitudinal cracks formation in slab bridge are summarized.Increasing the number of transverse reinforcement is proposed in the design of simply supported slab bridge of integral reinforced concrete to resist transverse internal force,prevent longitudinal cracks and meet the requirements of vertical reinforcement as well.

integral slab;longitudinal cracks;transverse internal force;pulling stress;comprehensive stress;wide span slab bridge;gradient temperature effect

U 448.21+2

A

1671-9107（2013）08-0044-04

2013-05-29

謝暉（1985），男，湖北宜都人，研究生，助理工程師，主要從事橋梁及結構設計工作。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.044