先簡支后橋面連續橋連續處開裂與防裂方法研究

基金項目：廣西科技計劃項目“KJ2021-KJT-27融合橋梁檢測和健康檢測的中小跨徑橋梁可靠度評估方法研究”（編號：2021AC19125）

作者簡介：蔣國富（1974—），碩士，高級工程師，研究方向：橋梁試驗檢測與評估、橋梁健康監控及維修加固設計。

摘要：先簡支后橋面連續橋梁在橋面連續處附近區域混凝土鋪裝存在周期性開裂現象。為了找到開裂的根本原因，文章對橋面連續處混凝土鋪裝開裂進行了理論計算，認為活載對橋面連續處開裂的影響較小，造成橋面開裂的主要因素是降溫作用同時，有針對性地提出在橋面連續處一定范圍內鋪筑高彈高黏性瀝青混合料或高彈改性瀝青混合料的方法，以改善開裂區材料的變形性能，可有效預防開裂。

關鍵詞：橋面連續；橋面開裂；高彈高黏性材料；橋梁；防裂方法

中圖分類號：U448.21+7A311023

0 引言

簡支梁橋是一種靜定結構，是梁式橋中應用最早、使用最廣泛的一種橋型，其主要優點是結構簡單、施工方便、工期短、造價低，且非常便于設計成標準跨徑的裝配式構件。該類結構內力不受地基變形、溫度改變的影響，因此，簡支梁橋在中小跨徑橋梁中占據著絕對的主導地位。然而，該類型橋梁同時存在一個明顯的缺點，即由于相鄰橋跨之間是斷開的，相鄰兩跨之間存在異向轉角，行車時路面會出現折角，從而使行車舒適性大大降低。為了解決這個問題，便出現了將相鄰橋跨斷開處的橋面連續鋪筑，形成橋面連續簡支梁橋。我國在1980年開始先后在上海、浙江、山東建成橋面連續簡支梁橋^［1］。但該類橋梁橋面連續處常因活載和溫度作用而開裂，于是出現了在橋面連續處預先鋸寬2～3 mm、深約20 mm的縫以引導結構開裂，但在降溫荷載下該處存在較大的收縮拉力，同時由于在車輛移動荷載的作用下，該處常常要承受負彎矩，使得橋面在該處存在角度突變，特別是在超重車輛作用下，兩種荷載的作用往往會使開裂擴展和惡化，最終導致連續處橋面碎裂。從既有的該類型橋梁養護結果來看，該處橋面常常會出現橫向裂縫，服役2～5年即需要維修，極大地增加了養護工作的難度和工作量。為了解決這一問題，本文通過理論計算，分析產生開裂的主要因素，有針對性地提出在橋面連續處鋪筑高彈高黏性瀝青混合料^［2-5］或高彈改性瀝青混合料^［6-8］來改善開裂區材料的變形性能，有效預防開裂。

1 橋面開裂理論計算

1.1 工程概況

某二級公路的橋梁上部結構為預應力混凝土先簡支后橋面連續空心板，跨徑組合為3×20 m，空心板高為95 cm，寬為124 cm，橫橋向共10片空心板，橋面總寬為13 m，橋面鋪裝厚度為10～12 cm，橋面鋪裝為C50混凝土。空心板計算跨徑為L=19.44 m，外懸臂a=28 cm，相鄰兩跨之間的兩端間距Δ=4 cm，上部結構及支座的布置見圖1。在該橋運營一年后，發現墩頂附近的橋面出現了近似于橫向的裂縫，且基本平行于墩頂處橋面預留的假縫。

1.2 橋面連續處開裂簡化計算

鋼筋混凝土橋面鋪裝時，簡支橋面連續橋梁上部結構施工順序通常為：架設預制梁→梁間鉸縫施工→橋面鋪裝層施工→防撞墻施工。根據施工工藝，橋面鋪裝通常一次性通鋪。橋面為連續結構，在防撞墻自重、支座變位和運營期活載等作用下，橋墩處橋面鋪裝常常要承受負彎矩，同時還承受溫度荷載產生的拉壓應力作用。由于橋面鋪裝的厚度h通常為8～15 cm，相對于預制梁高度H小很多，其能提供的剛度非常有限，為簡化計算，可忽略其剛度作用，則可按簡支狀態考慮。不考慮支座變位影響，以1^#墩為例進行簡化計算。橋梁支座分布見圖2。

先假設連續處由防撞墻自重和運營期活載產生的應變為ε_q，整體溫度差產生的應變為ε_T，防撞墻自重和運營期活載在支座1-1處產生轉角θ^［9］，則：

式中：P_k——考慮沖擊系數后的活載集中力；

q——防撞墻自重與考慮沖擊系數后的活載均布力的和；

x——P_k作用位置距0^#臺支點距離；

L——計算跨徑；

EI——考慮鋪裝層剛度貢獻時梁的剛度。

先簡支后橋面連續橋連續處開裂與防裂方法研究/蔣國富，鞠玉財

令外懸臂a的轉角也為θ_max，則相鄰橋跨梁端間距Δ將變為Δ+2a1-cosθ_max，顯然2a1-cosθ_max將由連續處鋪裝和懸臂段上鋪裝共同承擔，但是由于連續處鋪裝是一個薄弱部位，彎曲變形將主要由連續處鋪裝Δ來承擔。這時的彎曲轉點可假設為O點（圖3），此時應變為ε_q，則：

同樣地，假設整體溫差為T，受1-1和2-1支座約束，當梁的截面相同時，由溫度產生的變形將在L+2a+Δ段內均勻產生。由于連續處鋪裝為薄弱區域，該區域變形ε_T將比其他部位大。假設變形只發生在連續處鋪裝Δ范圍內，此時應變為ε_Tmax，均勻發生在1-1和2-1支座約束之間的梁體時為ε_Tjun，則：

式中：α_h——主梁材料的線膨脹系數。

顯然，ε_Tjunlt;ε_Tlt;ε_Tmax。

當降溫時，橋面連續處最不利，活載和溫度均產生拉應變，ε_maxgt;ε_q+ε_Tjun，則：

對于2^#墩處橋面，通過式（3）可計算得防撞墻自重和運營期活載產生的應變為ε_q=23 με。

T=20 ℃時，通過式（4）、式（5）可計算得降溫時ε_Tjun=200 με，ε_Tmax=3 000 με。

ε_q+ε_Tjun=223 μεlt;ε_maxlt;ε_q+ε_Tmax=3 000 με

C50混凝土容許應變^［10］（按標準強度計算）為74 με，ε_maxgt;223 μεgt;ε_rx=74 με，進一步證實橋面連續處混凝土鋪裝將出現開裂現象的必然性，且溫度應變比活載的大。

對于1^#墩處橋面，ε_q=23 με，降溫T=20 ℃，通過式（4）、式（5）可計算得ε_Tjun=200 με，ε_Tmax=10⁴ με。

ε_q+ε_Tjun=223 μεlt;ε_maxlt;ε_q+ε_Tmax=10⁴ με

C50混凝土容許應變（按標準強度計算）為74 με，ε_maxgt;223 μεgt;ε_rx=74 με，也證實橋面連續處混凝土鋪裝開裂的必然性。

此外，由于連續處鋪裝層厚度僅為10 cm左右，對于預制梁高度的95 cm相差較大，連續處為薄弱部位，由于Δ通常為4～8 cm，活載作用產生θ_max時，切點O的轉角也接近θ_max，Δ的彎曲弧長很短，近似折線狀。特別是在超載作用下，更容易造成橋面鋪裝混凝土疲勞開裂。

2 橋面防裂方法

由橋面連續處開裂簡化計算分析可知，活載對連續處橋面開裂的影響較小，造成橋面開裂的主要原因是降溫作用時，由于連續處鋪裝厚度較小、相對薄弱并存在應力集中，加之水泥混凝土材料的抗拉強度低，降溫產生的拉應力超過水泥混凝土的抗拉強度所致。因此，采用抗拉強度高的材料來替換抗拉強度低的水泥混凝土材料是比較直接有效的方法。

根據簡化計算，當荷載產生的ε_max一定時，連續處鋪裝是否開裂主要取決于連續處材料的容許應變ε_rx的大小，只要選擇容許應變ε_rx≥ε_max的材料替換原來的水泥混凝土，那么該處鋪裝將不會開裂。

同時，根據式（3）、式（4）和式（5）可知，ε_max與Δ密切相關，Δ的大小直接影響到ε_max，為求解相對經濟的ε_max和Δ組合，可先假定替換材料的容許應變為ε_rx、替換寬度為c，如下頁圖4所示。組合材料采用高彈高黏性瀝青混合料，組合材料層由三部分組成（見下頁圖5），自上而下分為：高彈高黏性材料層、勁性板和防粘潤滑層，其中高彈高黏性材料層用來承受荷載和滿足變形要求；勁性板用來支撐高彈高黏性材料層，防止材料層從空隙中擠出或掉落；防粘潤滑層用于確保高彈高黏性材料層和勁性板能在預制梁頂板上自由滑動或彎曲變形。

假設整體溫差為T，受1-1和2-1支座約束，當梁的截面相同時，由溫度產生的變形將在L+2a+Δ段內均勻產生。由于連續處鋪裝為薄弱區域，該區域變形ε_T將比其他部位大。假設變形只發生在組合材料c范圍，此時應變為ε_Tmax。均勻發生在1-1和2-1支座約束之間梁體時為ε_Tjun。則：

式中：α_h——主梁材料線膨脹系數；

α_g——組合材料層的材料線膨脹系數。

組合材料與混凝土鋪裝相同時，則α_g=α_h。

顯然，ε_Tjunlt;ε_Tlt;ε_Tmax。

當降溫時最不利，忽略活載影響，則ε_maxgt;ε_Tjun。

由于設置了組合材料層，這時cgt;Δ，式（7）、式（8）計算得到的應變要比不設組合材料時小，即比式（4）、式（5）計算小很多，通過ε_max≤ε_rx的條件求解c，取式（9）計算，經變換得：

因此，可以通過將橋面連續處附近水泥混凝土替換成容許彎曲應變為ε_rx的高彈高黏性瀝青混合料來解決橋面連續處開裂問題。經查實，高彈高黏性瀝青混合料容許彎曲應變ε_rx多在7 813～11 320 με^［6］，極限彎曲應變為23 000 με^［7］。

3 工程應用

在某二級公路的3×20 m先簡支后橋面連續空心板橋梁上進行了應用，采用組合材料為高彈高黏性瀝青混合料，在0 ℃時，組合材料容許應變值為1%，即ε_rx=10 000 με。

對于2^#墩處橋面連續處，根據組合材料的特性，T=20 ℃時，通過式（11）計算得到c≥20 mm。

鑒于Δ=40 mm，考慮到加勁板①的搭接構造要求b≥2Δ=80 mm。同時為確保組合材料不與預制梁端面剪切脫離，伸縮縫兩側組合材料底面保持與預制梁頂面具有一定的粘著力，當每側粘著長度gt;40 mm時可滿足要求，因此c可取200 mm，b也取100 mm。因此，可將2^#墩處橋面連續處200 mm范圍混凝土鋪裝更換為組合材料。

對于1^#墩處橋面連續處，T=20 ℃時，通過式（11）可計算得c≥400 mm。

取c=400 mm即可滿足要求，同時b≥2Δ=80 mm，因此，可將1^#墩處橋面連續處400 mm范圍混凝土鋪裝更換為組合材料，b也取300 mm。

4 結語

本文根據先簡支后橋面連續橋梁在橋面連續處附近區域水泥混凝土鋪裝經常開裂現象，對連續處混凝土鋪裝開裂進行了理論計算和分析。提出了通過在橋面連續處一定范圍采用高彈高黏性瀝青混合料代替水泥混凝土鋪裝的方法，該替換材料具有較好的韌性，能很好地防止開裂和鼓包，同時又保持了整個橋面鋪裝層是連續的，使得行車舒適性大大提高。該方法可避免管養單位因橋面連續處附近混凝土鋪裝周期性開裂而反復維修施工，減少建筑垃圾和施工造成的交通管制。

參考文獻

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