裝配式梁橋濕接縫合理寬度研究及開裂分析

黃敘欽，鄔曉光，安平和，肖凱龍

(長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，陜西 西安 710064)

隨著我國大力推進公路交通事業(yè)的建設，近年來大跨徑梁橋、斜拉橋、懸索橋的設計、施工已經(jīng)達到了很高的水平。在數(shù)量眾多的中小跨徑橋梁中，裝配式橋梁因其結(jié)構(gòu)簡單、造價低的特點仍是橋梁的主要形式。從橋梁目前的運營狀況來看，在濕接縫處出現(xiàn)裂縫卻成了裝配式橋梁最主要的病害之一。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，已有的文獻和研究主要是側(cè)重于主梁的受力[1-3]和橫隔板對橋梁結(jié)構(gòu)的影響[4-7]，對濕接縫本身的受力狀態(tài)的研究很少。目前規(guī)范對于濕接縫的寬度沒有統(tǒng)一的要求，在橋梁設計和施工中，往往根據(jù)需要來調(diào)整濕接縫的寬度，進而導致濕接縫問題往往被忽視[8-9]。因此，本文結(jié)合30 m簡支T梁橋?qū)Σ煌瑢挾葷窠涌p的受力狀態(tài)進行了分析，基于內(nèi)力計算結(jié)果，給出了合理濕接縫寬度的建議控制值。在此基礎上，對不同寬度濕接縫的開裂狀態(tài)進行了分析，并提出相應的改進建議。

1 濕接縫內(nèi)力計算及合理寬度確定

裝配式梁橋兩片主梁之間通過濕接縫聯(lián)結(jié)，使結(jié)構(gòu)形成整體，30 m簡支T梁濕接縫構(gòu)造如圖1所示。由于裝配式橋梁是具有主梁和橫隔梁的簡單梁格體系，所以橋面屬于周邊支撐板，因此濕接縫的受力屬于單向板受力，按照短邊計算跨徑的單向板計算。

圖1 濕接縫構(gòu)造

濕接縫寬度d(下文中均用d來表示不同的濕接縫寬度值)為0.50～1.25 m。本文對不同濕接縫寬度按0.15 m的級差分別進行計算，濕接縫寬度分別取0.50,0.65,0.80,0.95,1.10,1.25 m。

1.1 不同寬度濕接縫內(nèi)力分析計算

將濕接縫看作實體的矩形截面橋面板結(jié)構(gòu)，設計時一般以彎矩控制。選取縱橋向1 m的板結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)板的寬度就可以得到結(jié)構(gòu)荷載和彎矩值。濕接縫在橋梁運營過程中，除了結(jié)構(gòu)自重恒載以外，主要受到車輛直接作用于橋面板上的活載以及相鄰主梁間不均勻變形產(chǎn)生的間接荷載這2種作用。

工況1，汽車活載作用。工況2，相鄰主梁間不均勻變形產(chǎn)生的間接荷載作用。

1)結(jié)構(gòu)恒載的內(nèi)力

瀝青混凝土鋪裝層重度取24 kN/m3，厚8 cm；混凝土現(xiàn)澆層重度取25 kN/m3，厚10 cm；濕接縫重度取25 kN/m3，厚18 cm。當選取縱橋向每1 m長的板結(jié)構(gòu)計算時，結(jié)構(gòu)恒載集度q為

q=(24×0.08×1+25×0.1×1+

25×0.18×1)×d=9.1d

(1)

結(jié)構(gòu)的恒載彎矩值M0按式(2)進行計算。計算所得各濕接縫寬度下的恒載彎矩值M0如表1所示。

×9.1×d3 (2)

2)結(jié)構(gòu)活載的內(nèi)力

根據(jù)文獻[10]中4.1.2 條規(guī)定：與梁肋整體連接的板，計算彎矩時其計算跨徑L選取兩肋間的凈距L0加板厚d，且不大于兩梁肋的中心距離。

梁肋L=L0+d=1.38+d(考慮墩頂最不利處截面)。

車輪的著地長度a2=0.2 m，寬度b2=0.6 m，則板上荷載壓力面邊長為[11]：壓力面長度a1=a2+2h=0.56 m，壓力面寬度b1=b2+2h=0.96 m，式中h為鋪裝層厚度。

荷載對于板中央的有效分布寬度a為

(3)

活荷載作用在板中央結(jié)構(gòu)跨中彎矩值為

(4)

式中：u為沖擊系數(shù)，取u=0.3；P為加重車后軸軸重，取P=140 kN。

活載彎矩計算值參見表1。

3)不均勻變形產(chǎn)生的間接荷載內(nèi)力

兩相鄰梁體間的不均衡變形、沉降會造成支點處的正負彎矩。由于規(guī)范中沒有規(guī)定具體的計算方法，本結(jié)構(gòu)按位移法進行計算。

圖2 不均勻變形產(chǎn)生的間接荷載彎矩計算示意

對中間梁施加單位位移時，相鄰兩梁位移為0.5[12]，相鄰主梁之間的不均勻變形按單梁跨中撓度1/2考慮，則Δ=0.000 65 m。計算得到不均勻變形產(chǎn)生的間接荷載彎矩Mv如表1所示。

1.2 合理濕接縫寬度確定

1)工況1

對于與梁肋整體連接的板結(jié)構(gòu)，可簡化為兩邊固結(jié)板計算。跨中彎矩Mk=0.5Msg，支點彎矩Mz=0.7Msg，式中Msg為與計算跨徑相同的簡支板的跨中彎矩。

基本荷載組合Msg=1.2M0+1.4Mop，采用簡化模型進行計算。支點負處彎矩Mz=0.7Msg，得到工況1作用下左側(cè)支點處最大負彎矩值M1=Mz，計算結(jié)果參見表1。

2)工況2

基本荷載組合M=1.2×0.7M0+1.4Mv，計算得到工況2作用下的左側(cè)支點處最大正彎矩M2=1.2×0.7M0+1.4Mv，計算結(jié)果參見表1。

2種工況作用下，不同寬度濕接縫的最大內(nèi)力如圖3所示。

圖3 不同寬度濕接縫的最大內(nèi)力

從圖3可以看出，2種不同工況作用時，濕接縫寬度在0.6～0.7 m之間時所受到的正負彎矩值比較接近，受力比較合理。

部頒標準圖的濕接縫寬度為0.65 m，本文從理論上驗證了部頒標準圖推薦值的合理性。根據(jù)工程實際，當濕接縫寬度在0.6～0.7 m時，也更能方便現(xiàn)場的施工。因此，建議濕接縫設計和施工時，濕接縫寬度宜控制在0.6～0.7 m。

2 濕接縫開裂分析

濕接縫位于兩片主梁之間的連接處，往往容易產(chǎn)生裂縫，進而水分通過裂縫入侵致使鋼筋銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。文獻[10]規(guī)定，裂縫寬度不能大于0.2 mm。由圖3可以看出，濕接縫在工況1作用下的最大內(nèi)力值比工況2大，可見活載工況對濕接縫內(nèi)力影響十分顯著，并且隨著濕接縫寬度的增大，內(nèi)力呈線性遞增趨勢。因此本文對工況1作用下的濕接縫開裂狀態(tài)進行了分析。

濕接縫開裂按正常使用極限狀態(tài)予以驗算。裂縫寬度Wtk計算式為

(5)

式中：C1為鋼筋表面形狀系數(shù);C2為荷載長期效應影響系數(shù);C3為與構(gòu)件受力性質(zhì)有效的系數(shù);σss為鋼筋應力;Es為鋼筋彈性模量;d′為縱向受拉鋼筋直徑或換算直徑;ρ為縱向受拉鋼筋配筋率。

根據(jù)文獻[10]計算出各參數(shù)的取值為：C1=1.0,C2=1.34;C3=1.15,σss=142.12 MPa,Es=2.0×105MPa,d′=14 mm,ρ=0.009 7。

部頒標準圖濕接縫上下緣配筋均為為5@φ12,As=0.001 13 m2。在工況1作用下，以部頒標準的濕接縫寬度0.65 m為例進行計算。

濕接縫厚度H=0.18 m，受壓區(qū)高度h0=0.14 m。

對于準永久組合

Ms=M0+0.7Mop/1.3=4.69+

0.7×27.62÷1.3=19.56 MPa

鋼筋應力σss為

.12 MPa

配筋率ρ

按式(5)計算出裂縫寬度為

按部頒標準圖的配筋率，當濕接縫寬度增大時，計算得到的濕接縫開裂寬度圖4所示。

圖4 不同寬度濕接縫裂縫寬度

圖4表明，濕接縫寬度對濕接縫的開裂有顯著的影響，隨著濕接縫寬度的增大，濕接縫的裂縫寬度也隨著增大，并且越來越接近規(guī)范的限值0.2 mm。所以當在設計施工過程增大濕接縫寬度時，應對濕接縫進行單獨驗算，并適當增加截面的配筋率。

3 結(jié)論

1)本文結(jié)合30 m簡支T梁，對裝配式梁橋濕接縫受力進行了計算分析，從濕接縫受力的角度，根據(jù)計算結(jié)果，得到了合理濕接縫寬度控制值為0.6～0.7 m。

2)濕接縫寬度對濕接縫的開裂有顯著的影響，因此建議在實際工程中需要增加濕接縫寬度時，應對濕接縫單獨進行驗算，并適當增大截面的配筋率。

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