整體式簡支板橋縱向裂縫分析

謝暉，胡麗娟

(1機械工業(yè)第三設(shè)計研究院，重慶400039；2重慶交通職業(yè)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(yè)第三設(shè)計研究院，重慶400039；2重慶交通職業(yè)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(jié)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(shè)計中，在滿足縱向配筋要求的同時，必須增加橫向配筋的數(shù)量來抵抗不得忽視的橫向內(nèi)力，以防止板橋出現(xiàn)縱向貫通裂縫。

整體板；縱向裂縫；橫向內(nèi)力；拉應(yīng)力；壓應(yīng)力；寬跨比板橋；梯度溫度效應(yīng)

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(yīng)用[1]。

然而，在高速路橋梁病害調(diào)查中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了縱向的貫通裂縫，這些裂縫幾乎都出現(xiàn)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(yīng)，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(fā)現(xiàn)造成上述裂縫產(chǎn)生發(fā)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(nèi)力過大。鑒于此，根據(jù)有限元分析結(jié)果，本文指出了現(xiàn)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(shè)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(diào)查，現(xiàn)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(shè)計通用規(guī)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(nèi)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(jié)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(yīng)力沿板寬的分布，特從有限元計算結(jié)果中提取曲線圖。圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負，橫坐標為跨中底板沿板寬方向，數(shù)值為距自由邊距離。3種寬跨比板橋底板橫向應(yīng)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(yīng)力分布

圖8 9m寬板橋橫向應(yīng)力分布

圖9 12m寬板橋橫向應(yīng)力分布

3種寬跨比板橋底板縱向應(yīng)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(yīng)力分布

圖11 9m寬板橋縱向應(yīng)力分布

圖12 12m寬板橋縱向應(yīng)力分布

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

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

《公路橋涵設(shè)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(cè)各1/6范圍內(nèi)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(jù)上述分析結(jié)果不難看出整體式簡支板橋底板中間位置橫向拉應(yīng)力較大是縱向開裂的最不利部位，而兩側(cè)自由邊附近橫向拉應(yīng)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(nèi)應(yīng)增加一定數(shù)量橫向鋼筋的配置（配筋數(shù)量應(yīng)隨寬跨比的增大而增多），兩側(cè)各1/6范圍內(nèi)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(shè)計通用規(guī)范》JTG_D60-2004規(guī)定當梁高H小于400mm時，計算梯度溫度效應(yīng)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(jié)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(jù)規(guī)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(jù)溫度梯度曲線計算結(jié)構(gòu)的溫度場，然后轉(zhuǎn)換ANSYS單元性質(zhì)并讀入溫度場計算結(jié)果作為溫度荷載，最后計算溫度正應(yīng)力[4-5]。ANSYS分析結(jié)果見圖14和圖15。

圖14 底板中部沿橋軸線方向應(yīng)力分布

圖15 底板跨中沿板寬方向應(yīng)力分布

圖14中的橫向坐標軸是橋軸線方向，數(shù)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(shù)值是距自由邊的距離。

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

2 結(jié)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(nèi)力所占比列越來越大，縱向內(nèi)力所占比例越來越小；自由邊附近橫向內(nèi)力所占比例越來越小，而縱向內(nèi)力所占比例越來越大。

（2）現(xiàn)有資料在整體式簡支板橋的配筋方式上只強調(diào)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(nèi)應(yīng)增加一定比例的橫向鋼筋（配筋比例應(yīng)隨寬跨比的增大而增加），兩側(cè)各1/6范圍內(nèi)可相對少配置些橫向鋼筋。

[1]徐光輝，胡明義.公路橋涵設(shè)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(yǎng)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(guī)劃設(shè)計院.JTG D 60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[5]郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)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(xiāng)統(tǒng)籌

推動統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展要把握三大工作重點

統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展,要堅持改革創(chuàng)新、重點突破,推進工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化深度融合,形成城市支持農(nóng)村、工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)的格局。

一是以構(gòu)建城鄉(xiāng)一體化體制機制為重點推進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展。建立完善"三農(nóng)"投入機制,用好用足國家扶持政策,加強對農(nóng)業(yè)發(fā)展的財政配套。著眼城鄉(xiāng)要素流動,建立完善城鄉(xiāng)資源要素平等流動機制,推進農(nóng)村集體"三資"管理制度改革和農(nóng)村集體經(jīng)營性建設(shè)用地流轉(zhuǎn)機制創(chuàng)新,切實保障農(nóng)民權(quán)益。深化征地制度改革,完善征地補償機制,確保被征地農(nóng)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(fā)展中等城市以及積極發(fā)展小城鎮(zhèn)"的方針政策,形成具有漸進性的戶口遷徙制度,引導農(nóng)業(yè)勞動力和農(nóng)村人口有序向城鎮(zhèn)流動。構(gòu)建城鄉(xiāng)一體化的公共服務(wù)體系,推動城鄉(xiāng)教育、文化、衛(wèi)生、社保等體制接軌。

二是以解決"三農(nóng)"問題為重點推進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展。統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展,重點在農(nóng)村,難點在農(nóng)村,基礎(chǔ)在農(nóng)村,所以必須在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化中同步推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。要加快構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系,打造主城郊區(qū)都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)、"渝西"現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范帶和"兩翼"山地特色農(nóng)業(yè)基地;加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),穩(wěn)定發(fā)展基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),培育壯大主導產(chǎn)業(yè),發(fā)展特色產(chǎn)業(yè);加快國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)和市級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)建設(shè),發(fā)展農(nóng)產(chǎn)品精深加工,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。大力推進新農(nóng)村建設(shè),加快農(nóng)村水利設(shè)施建設(shè)和水土流失綜合治理,加強生態(tài)保護和建設(shè),推進農(nóng)村環(huán)境綜合治理。創(chuàng)新農(nóng)村開發(fā)模式,鼓勵農(nóng)民以土地入股或以資金入股形式聯(lián)合共同開發(fā)。建立健全農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系,完善農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用服務(wù)體系。

三是以城鎮(zhèn)化為重點推進統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展。推進城鎮(zhèn)化、打造城鎮(zhèn)集群是統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展的中心環(huán)節(jié),必須著力提高城鎮(zhèn)化的質(zhì)量和水平。要堅持整體規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)支撐、突出特色,推動主城、六大區(qū)域性中心城市、區(qū)縣城、中心鎮(zhèn)和小城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展,鼓勵區(qū)位條件優(yōu)、經(jīng)濟實力強、發(fā)展?jié)摿Υ蟮男〕擎?zhèn)逐步發(fā)展成為小城市,加快區(qū)域中心城市(尤其是渝西地區(qū))協(xié)調(diào)合作發(fā)展,逐步建成中等城市群。要以城鎮(zhèn)化為依托,促進工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整,推動產(chǎn)業(yè)鏈的整合與拓展,增強城鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)支撐。發(fā)揮城鎮(zhèn)化的輻射帶動作用,推動基礎(chǔ)設(shè)施向農(nóng)村延伸、公共服務(wù)向農(nóng)村拓展、現(xiàn)代文明向農(nóng)村輻射,實現(xiàn)新型工業(yè)化、新型城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化相互支撐、相互融合、互動發(fā)展。（摘自：《重慶日報》）

（敬請作者速與本刊編輯部聯(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.08.044