論天橋橋面鋪裝類型對結構受力的影響分析

高艷秋

（河北省交通規劃設計院，石家莊050011）

1 引言

為滿足高速公路兩側居民的通行需求，高速公路跨越等級路及機耕路時常設置分離式立交或通道，但在山區高速的挖方段以及平原區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構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，且天橋數量較少，建設方考慮施工及后期維護管養方便，通常要求設計方將鋪裝變更為15cm混凝土。為滿足業主的需求，最近一些項目天橋橋面鋪裝設計為防水混凝土鋪裝，但在實踐過程中也存在一些問題，據此，對其中利弊進行探討。

2 工程概況

本工程為一座跨越某高速的機耕天橋，天橋全寬8m，上部結構采用預應力混凝土等截面連續箱梁，梁高2.5m，3孔一聯，跨徑組合為：30m+45m+30m，下部結構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。

設計荷載為公路-Ⅱ級，橋面寬度0.5m墻式護欄+凈寬7m+0.5m墻式護欄，橋面橫坡1.5%，平面位于直線上。

3 兩種鋪裝上部結構的受力計算分析

根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》4.3.12 3計算橋梁結構，由于豎向溫度梯度引起的效應，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見表1。

表1 豎向日照正溫差計算的溫度基數

混凝土上部結構和帶混凝土橋面板的鋼結構的豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5【1】。

2種鋪裝對上部結構受力的影響主要體現在豎向梯度溫度效應上。超靜定結構體系的預應力混凝土連續梁橋，由于溫度效應而產生的溫度應力有時會超過其活載產生的應力，甚至超過混凝土的強度設計值，從而導致連續梁橋裂縫的產生【2】。

首先看一下相同條件下僅橋面鋪裝發生改變時，結構受力的變化情況。

3.1 計算模型

采用30m+45m+30m單梁模型進行計算，計算模型見圖1，設計規范為公路15規范，采用公路Ⅱ級荷載。

圖1 計算模型

3.2 承載能力使用極限狀態驗算

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結構抗彎強度影響較小，可以忽略。

3.3 瀝青混凝土橋面鋪裝持久狀況正常使用極限狀態驗算

采用瀝青混凝土橋面鋪裝，結構混凝土持久狀況短期效應組合應力、混凝土持久狀況標準效應組合應力的計算結果見表2和表3。

表2 混凝土持久狀況短期效應組合應力最值匯總表

表3 混凝土持久狀況標準效應組合應力最值匯總表

根據以上結果，結構采用16根14φs15.2mm的鋼束以及16的主筋，受力是比較合理的。

3.4 混凝土橋面鋪裝持久狀況正常使用極限狀態驗算

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，結構混凝土持久狀況短期效應組合上緣最小主應力為-1.813MPa（拉為負，壓為正），混凝土持久狀況標準效應組合應力上緣最大正應力出現在跨中為15.349MPa。

此時結構仍采用16根14φs15.2mm的鋼束以及的主筋，最小主應力不滿足規范要求，且標準效應組合上緣最大正應力也已接近限值。

3.5 調整鋼束及配筋后混凝土鋪裝持久狀況正常使用極限狀態驗算

對于混凝土橋面鋪裝的情況，因溫度應力較大，為防止結構開裂，需控制結構短期效應組合上緣最小正應力、最小主應力，使之滿足要求，需要加大預應力鋼束及普通鋼筋配筋，調整為16根16φs15.2mm的鋼束以及的主筋。

調整鋼束及配筋后混凝土持久狀況短期效應組合最小主應力為-0.838MPa、混凝土持久狀況標準效應組合最大主應力為15.201MPa。

調整配束及配筋后結構短期效應組合滿足規范要求，增大鋼束及配筋后持久狀況承載能力極限狀態抗彎強度安全儲備過大，跨中截面上緣的最大正應力仍然較大，接近臨界值，上緣混凝土有被壓裂的風險。

3.6 溫度應力分析

提取使用階段結構自重產生的應力以及溫度應力，對2種鋪裝作用下的溫度應力進行分析。

使用階段結構自重在跨中截面上緣產生的正應力為5.365MPa，在支點截面上緣產生的正應力為3.805MPa。

瀝青橋面鋪裝的溫度應力，對于跨中截面，除自重外其他作用在上緣產生的正應力為7.973MPa，其中，溫度應力為5.687MPa；對于支點截面，除自重外其他作用在上緣產生的拉應力為-2.823MPa，而溫度應力為-3.069MPa，溫度應力占的比重很大，且與結構自重產生的應力幾乎相當。

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生的正應力為9.979MPa，而溫度應力則為7.694MPa，對于支點截面，除自重外其他作用在上緣產生的拉應力為-1.997MPa，而溫度應力則為-4.115MPa，溫度應力占的比重很大，已經明顯超過結構自重產生的應力，應該引起足夠的重視。

經過上述對比，混凝土鋪裝溫度梯度效應較瀝青鋪裝大很多，對結構受力影響較大，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力偏大，接近臨界值，有被壓裂的風險，造價高且不安全。

4 建議與結論

通過計算，對結果進行分析，得出如下結論：

1）在一定的溫度梯度作用下，連續梁橋的溫度應力對橋梁結構產生一定的影響，并且可能會與活載一起，成為橋梁設計的重要影響因素；

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力大2MPa左右，支點截面上緣的正應力大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構受力上更加合理，可節約鋼束和鋼筋，更加經濟，且不易開裂，更能保證橋梁結構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，對結構進行詳細計算，確保結構安全。