鋼筋混凝土板梁特寬橋梁病害原因分析

趙興中 ，馬 琳，高建軍

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300457;2.山東華鑒路橋技術有限公司，山東 濟南 250101)

0 前言

據(jù)統(tǒng)計，到2011年8月底，我國機動車保有量達2.19億輛，其中汽車保有量突破1億輛。按照國際標準，一個國家或者地區(qū)每百萬戶汽車保有量達到20萬輛以上時，就認為進入了汽車社會。按照這個標準，北京、天津和浙江省已經(jīng)提前進入了汽車社會。2010年北京市百戶居民私人汽車約為60輛，2009年天津百萬戶居民私人汽車就達到25.3萬輛，浙江省2010年全省城鎮(zhèn)每百萬戶居民私人汽車26.43萬輛，為了保證城市交通的快速、安全與暢通，很多城市都在進一步拓寬城市道路，城市特寬橋梁也就應運而生。

據(jù)資料［1］表明:寬度大于40m的城市橋梁已有很多，有的甚至達到80m以上。城市特寬橋主要為原有舊橋的改建加寬［2］和新建特寬橋。其結構形式主要有分離型和并聯(lián)整體型。分離型是指為了簡化計算，將一座橋分成相互獨立的幾座相對較窄的橋梁單獨受力進行分析;整體型主要是指不管橋有多寬，設計時按整體進行計算，其受力分析較為復雜，結構空間效應顯著。本文就某一工程實例所出現(xiàn)的問題，試尋求產生問題的原因，給其他相關工程以參考。

1 工程實例

該橋為三層苜蓿葉型互通式立交，上層為南北高架橋，每個匝道橋防撞墻外緣半徑均為29.78m，全長均為35.12m，寬度在10.80～67.96m之間。上部結構形式為(11.5+11.5+11.7)m的整體現(xiàn)澆式鋼筋混凝土連續(xù)實心板，支點根部板厚為0.8m，跨中板厚為0.6m;下部結構為柱式墩，挖孔樁基礎。橋面鋪裝采用瀝青混凝土結構，盆式支座(有固定、單向和雙向3種，每個匝道橋設置2個抗拉支座)。如圖1所示。

圖1 平面圖(單位:cm)

針對歷年養(yǎng)護記錄來看，本工程從2007年記錄的裂縫數(shù)量與位置，基本沒有發(fā)生變化，但是裂縫發(fā)展異常迅速，最大的裂縫寬度達到2.3mm，長度達到20m左右。根據(jù)歷年數(shù)據(jù)對比來看，裂縫前期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢，本工程現(xiàn)有使用狀況較差，為了發(fā)現(xiàn)產生裂縫的根本原因，現(xiàn)特模擬該橋實際使用情況，針對性地對特寬橋進行空間計算分析。

2 原因分析

2.1 病害特點

針對城市特寬橋梁產生裂縫的原因，筆者分析有以下幾種:

1)結構本身設計不足，設計承載能力小于荷載效應值，結構不滿足設計荷載要求而導致的硬傷，從結構安全的角度來說，這種橋梁的使用是不安全的，工程實際中極少會出現(xiàn)這種情況。

2)沉降問題，沉降往往是導致特寬橋裂縫產生的主要原因，基礎的非圴勻沉降而導致橋面的傾斜，引起橋梁的標高差，如果變形超出了上部結構能夠承受的范圍，則結構就會產生大量的裂縫。不均勻沉降是近幾年才關注的問題，所以本工程實例中梁底板產生的大量裂縫不排除這種可能性。

3)由于溫度差過大導致的結構裂縫，梁高較高，梁體由于溫度引起的次內力就會產生裂縫，對于本工程實例來講，由于板梁本身的高度的限制，自動忽略這種因素。

4)施工原因不符合施工規(guī)范導致的裂縫，這個原因可能會存在，但是不太符合本工程裂縫發(fā)展的形式，施工原因的裂縫不會發(fā)生在所有的匝道上的相同位置處，本工程所有的裂縫具有相同的共性，因此這種原因暫時被排除掉。

圖2 西北及東北匝道主梁裂縫分布圖(單位:cm)

從圖2可見，裂縫超出規(guī)范允許值且大面積分布的區(qū)域集中于第三跨，橋寬由28～68m處，此跨為典型特寬橋梁受力模式。因此，筆者認為出現(xiàn)這種裂縫的原因有可能是第一點及第二點，由于本工程建設初期，橋梁計算軟件及計算機性能受到限制，本工程當初設計時，有可能是按常規(guī)橋梁結構進行計算并指導設計的，因此，為了充分模擬實際情況，本文采用有限元法建立空間結構模擬原橋進行分析。

2.2 有限元計算分析

本文采用MIDASCIVIL2010進行驗算，建立空間模型，采用四邊形板單元模型，共劃分6691個節(jié)點，6525個單元。計算模型如圖3所示。

從圖3可以看到，映射網(wǎng)格模型無論是在縱向還是橫斷面上，單元分割整齊劃一，密度適中，這樣的網(wǎng)格劃分能滿足求解的需要。

2.3 內力對比分析

2.3.1 縱橋向受力對比

持久狀況承載能力極限狀態(tài)正截面承載能力組合下結構的受力特點如圖4所示。

圖3 主橋結構離散圖

由圖4可見，縱橋向最大彎矩作用位置，與常結構最大位置的跨中截面處不同，而是更接近1/4跨徑偏向支點附近的截面;在橫橋向，靠近結構邊緣，靠近邊緣一定范圍處，有突變。在常規(guī)橋梁設計中，這幾個位置通常不會出現(xiàn)負彎矩。由此可見在做特寬橋結構設計時，首先不能直接按傳統(tǒng)方式受力特點指導設計。

圖4 持久狀況承載能力極限狀態(tài)下彎矩的受力狀態(tài)

持久狀況承載能力極限狀態(tài)抗彎計算位置選取截面如圖5所示。正截面抗彎承載能力極限狀態(tài)及比較見表1與圖6。

圖5 持久狀況承載能力極限狀態(tài)下彎矩最不利位置

表1 正截面抗彎承載能力極限狀態(tài)表

圖6 正截面抗彎承載能力極限狀態(tài)比較

選取持久狀況抗彎承載力極限狀態(tài)計算位置處正常使用狀態(tài)裂縫值如表2所示。

圖5、圖6及表1、表2中數(shù)據(jù)表明:正截面抗彎承載能力驗算在1－2截面處抗力略不滿足規(guī)范要求，內力超出極限組合12.5%，裂縫寬度值為0.32mm遠遠超出規(guī)范允許值，且還可以看出，二、三跨由于特寬橋作用效果不明顯，其內力值符合常規(guī)橋梁設計，承載能力極限狀態(tài)下彎矩值較效應值最小值大144%，最大值大185%，如果是按常規(guī)橋梁簡單的乘以提高系數(shù)來指導設計的是不合理的，是導致結構底板出現(xiàn)裂縫的原因之一。

表2 正常使用極限狀態(tài)裂縫表

2.3.2 橫橋向受力對比分析

持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算位置選取截面如圖7所示。承載能力極限狀態(tài)抗力見表3，正常使用極限狀態(tài)裂縫見表4。

圖7 持久狀況承載能力極限狀態(tài)計算位置

表3 承載能力極限狀態(tài)抗力表

由圖7及表3、表4中各數(shù)據(jù)表明，特寬橋橫橋向受力位置并不具有規(guī)律性，應該個案個析。接近支點處在7L/8處，橫橋向受力較大，接近結構抗力，特別是裂縫寬度已經(jīng)達到0.23mm，超出規(guī)范規(guī)定的允許值，結構本身設計缺陷會導致開裂。

表4 正常使用極限狀態(tài)裂縫表

3 結論

隨著城市建設的發(fā)展，特寬橋的應用會越來越廣泛。與一般橋梁相比，城市特寬橋具有明顯的特點，在進行設計計算時應特別予以注意:

1)由于寬跨比較大，空間作用十分突出，如果橋梁按常規(guī)橋型乘以擴大的安全系數(shù)來指導設計的話，往往是偏不安全的，本實例中最小的提高倍數(shù)是144%，但是在特寬橋受力顯著的一跨，仍然不滿足規(guī)范規(guī)定。

2)基礎整體性要求高，城市地基多為軟土地基，地基的非均勻沉降對特寬橋有著嚴重的影響，針對不均勻沉降國內眾多工程中并沒有特別好的解決手段，這方面以待改進。

3)在進行有限元分析計算時，可以采用映射網(wǎng)格的劃分方法，在本工程的實際操作中發(fā)現(xiàn)，其精度可以達到要求且這種方式建模速度占較大優(yōu)勢。

［1］李 睿，葉燎原，寧曉駿，等.城市特寬橋問題的提出及研究［J］.昆明理工大學學報，2002，27(2):57－59.

［2］李滿紅，肖清亮.淺談改建公路中加寬橋的合理設計［J］.東北公路，1994(4):58－62.

［3］張永厚，梁立明.箱形混凝土梁荷載橫向分布影響及剪力滯效應的試驗研究［J］.鐵道建筑，2001(1):2－6.