论文部分内容阅读
摘要：装配式板桥桥面铺装层的早期破坏大大降低了桥梁的使用壽命，针对这一问题，作者作了详细的调查，并在此基础上对铺装层的病害原因进行了分析，建立了装配式板桥桥面铺装结构的受力模型，对其进行了受力分析，并提出了确定铺装层厚度的较为可行的方法。本文基于简支混凝土铺装层受力及其与主梁的共同工作，从结构受力的角度分析研究装配式板桥桥面铺装层结构。
关键词：桥面铺装层结构；桥面铺装弯曲正应力；桥面铺装纵缝剪切应力
1、引言
目前我国公路桥梁当中，中小跨径桥梁占98%；而中小跨径桥梁上部结构大多采用交通部部颁标准通用图中装配式板梁结构[1]-[2]，其桥面铺装也基本上套用了标准通用图结构形式。大量事实证明，在车流量大，超载超限车多的路段桥梁桥面铺装破坏较为严重。桥面铺装层结构破坏已成为装配式板桥主要病害之一，严重影响了行车安全与舒适。在其设计与施工中暴露的问题与日俱增，在这种情况下，亟需制定一套指导桥面铺装层结构的设计和施工规程，为此本文从力学计算与分析方面进行研究[3]-[4]，以期找出适合桥梁设计规范要求的荷载作用下装配式板桥铺装层结构形式、合理厚度及其计算方法，为装配式板桥桥面铺装设计和施工提供指导。
2、装配式板桥桥面铺装主要破坏形式
（一）铺装层沿纵缝（弯）剪切破坏
就铺层受力而言：主梁（板）自身抗弯刚度较大，竖向位移较小；由于桥梁的横向刚度小，板间横向传力靠铰缝抗剪和铺装层共同传递。板缝间的铺装层受力弯剪作用，以抗剪为主。在多次重复荷载作用下，沿板缝间纵向开裂，因车辆分上下行，桥面中线板缝处受重复荷载作用的次数较其它位置高出数倍，故以中线处纵缝开裂最为严重。当桥梁超载运营时，主梁（板）挠度加大，更加剧了桥面铺计的纵向开裂。
（二）桥面铺装层纵桥向弯曲受力破坏
桥面铺计层横向开裂类似于刚路面的“断板”，主要发生在距伸缝1～2m范围内，以距伸缝20～50cm发生一道为多，几乎位于主梁支座中心处；对跨径较大的梁桥，跨中部位亦有发生横向开裂的现象。
（三）局部非均匀受力破坏
就装配式桥梁而言，造成铺装层网状裂缝或局部坑槽的原因除了铺装层偏薄外，铺装层与主梁顶面粘结强度不足，以及铺装层混凝土厚薄不均，铺装层强度偏低以及早期受荷载破坏是主要原因，这些都是施工、养生不当造成的。当铺装层本身强度、厚度不均匀时，或者铺装层下行车道板强度不足造成铺装层非均匀受力，表现为铺装层网状裂缝。
3、装配式板桥桥面铺装结构计算
（一）桥面铺装弯曲正应力计算
（1）计算假定
桥梁上部结构，主梁的混凝土应力是按结构自重恒载和活载产生的应力来计算，而对铺装层内的应力未作要求。为分析铺装层内的弯曲正应力，作如下假定：
1）预应力混凝土主梁承受一期及二期恒载，即承担混凝土梁的自重及二期恒载的作用。
2）活载由主梁和铺装层共同承担，铺装层内的荷载应力仅由活载产生。
3）梁截面的变形符合平截面假定。
4）所有材料均处于弹性工作状态。
5）主梁和铺装层间完全连续。
（2）弯曲正应力的计算分析
如图所示，各字母的含义如下：
O1-O1：主梁换算截面的中性轴位置；
O2-O2：主梁+铺装换算截面的中性轴位置（计算时，应将铺装层和主梁根据其弹性模量之比，换算为同种材料）；
y1：主梁截面上缘至中性轴O1-O1之距；y2：桥面铺装上缘至中性轴O2-O2之距；
Ⅰ1：主梁换算截面的抗弯惯距；Ⅰ2：主梁+铺装换算截面的抗弯惯距；
Mp：活载引起的弯矩；Mg1：一期恒载（主梁自重）引起的弯矩；
Mg2：二期恒载（桥面铺装重力）引起的弯矩；
图1 桥面铺装结构示意图
则有：
a）铺装层顶面由活载Mp引起的弯曲正应力：σ铺装上= y2
b）铺装层下缘由活载Mp引起的弯曲正应力：σ铺装下= y3
主梁的上缘正应力σ主梁上= y1+ y3-σ上y
式中σ上y为预应力钢筋预加力在主梁上缘产生的压应力。
3、算例分析
某5跨预应力混凝土连续板桥，跨径5*16m，桥面宽度12.5m，荷载为公路I级，该路段超载超限车较多，建成后4年时间，出现了支座处桥面铺装层横向开裂及沿板梁铰缝纵向开裂，原桥面铺装设计套用了标准通用图，采用100mm厚C50钢筋混凝土底层，其上布一层防水层，再在最外层布一层100mm厚沥青混凝土。
现对该桥桥面铺装重新设计，采用150mm厚C50钢筋混凝土铺装，支座处钢筋网采用10cm x 10cm 纵向φ22，横向φ12钢筋网；跨中采用10cm x 10cm 纵、横向均为φ12钢筋网，在距支座6米处纵向钢筋搭接。
支座处截面特性：A=0.692m2，y2=0.46m，Ⅰ2=0.0881m4。人群+汽车作用时，Mp=2.546X105N·m；人群+汽车制动力Mp=3.235X105N·m，人群+汽车+支座沉陷Mp=3.03X105N·m；人群+汽车+支座沉陷+温降Mp=3.419X105N·m。取铺装的厚度为h=150mm，在不同荷载工况下铺装层上表面的应力值见表
桥面铺装为C50混凝土，其设计抗拉强度R1‘=1.83MPa。
由此，对于该混凝土铺装层厚度采用15cm，从理论计算上，不会产生横向裂缝。
见表连续梁支座处桥面铺装上缘弯曲正应力
荷载工况 人群+汽车 人群+
汽车制动力 人群+汽车+
支座沉陷 人群+汽车+
支座沉陷+温降
σ铺装上（MPσ） 1.329 1.689 1.582 1.785
在计算过程中未考虑桥面铺装层中纵向钢筋对横向裂缝的抑制作用，设计是偏于安全的。为了防止铺装层内横向伸缩缝处因冲击荷载造成铺装层横向开裂，在横向伸缩缝附近1.5m范围内增设100×100φ12加密钢筋网，以防铺装层因冲击荷载横向开裂。
（二）桥面铺装纵缝剪切应力的计算分析
1、基本假设
对现浇混凝土纵向企口缝横向连接的钢筋混凝土装配式板梁桥及仅在翼板间用焊接钢板或伸出交叉钢筋连接的中小跨径的装配式梁桥，具有足够强度和变形刚度的桥面铺装层，在车辆荷载垂直力通过铰健传递时，桥面铺装层共同参与传递剪力，铺装层板底受弯剪作用。当主梁纵向抗弯刚度较大时，竖向位移较小，铺装层作为刚性板考虑以承受纵缝间直接剪力为主。将铺装层横桥向受力视为弹性支撑上的板，剪力依靠主梁铰键和铺
关键词：桥面铺装层结构；桥面铺装弯曲正应力；桥面铺装纵缝剪切应力
1、引言
目前我国公路桥梁当中，中小跨径桥梁占98%；而中小跨径桥梁上部结构大多采用交通部部颁标准通用图中装配式板梁结构[1]-[2]，其桥面铺装也基本上套用了标准通用图结构形式。大量事实证明，在车流量大，超载超限车多的路段桥梁桥面铺装破坏较为严重。桥面铺装层结构破坏已成为装配式板桥主要病害之一，严重影响了行车安全与舒适。在其设计与施工中暴露的问题与日俱增，在这种情况下，亟需制定一套指导桥面铺装层结构的设计和施工规程，为此本文从力学计算与分析方面进行研究[3]-[4]，以期找出适合桥梁设计规范要求的荷载作用下装配式板桥铺装层结构形式、合理厚度及其计算方法，为装配式板桥桥面铺装设计和施工提供指导。
2、装配式板桥桥面铺装主要破坏形式
（一）铺装层沿纵缝（弯）剪切破坏
就铺层受力而言：主梁（板）自身抗弯刚度较大，竖向位移较小；由于桥梁的横向刚度小，板间横向传力靠铰缝抗剪和铺装层共同传递。板缝间的铺装层受力弯剪作用，以抗剪为主。在多次重复荷载作用下，沿板缝间纵向开裂，因车辆分上下行，桥面中线板缝处受重复荷载作用的次数较其它位置高出数倍，故以中线处纵缝开裂最为严重。当桥梁超载运营时，主梁（板）挠度加大，更加剧了桥面铺计的纵向开裂。
（二）桥面铺装层纵桥向弯曲受力破坏
桥面铺计层横向开裂类似于刚路面的“断板”，主要发生在距伸缝1～2m范围内，以距伸缝20～50cm发生一道为多，几乎位于主梁支座中心处；对跨径较大的梁桥，跨中部位亦有发生横向开裂的现象。
（三）局部非均匀受力破坏
就装配式桥梁而言，造成铺装层网状裂缝或局部坑槽的原因除了铺装层偏薄外，铺装层与主梁顶面粘结强度不足，以及铺装层混凝土厚薄不均，铺装层强度偏低以及早期受荷载破坏是主要原因，这些都是施工、养生不当造成的。当铺装层本身强度、厚度不均匀时，或者铺装层下行车道板强度不足造成铺装层非均匀受力，表现为铺装层网状裂缝。
3、装配式板桥桥面铺装结构计算
（一）桥面铺装弯曲正应力计算
（1）计算假定
桥梁上部结构，主梁的混凝土应力是按结构自重恒载和活载产生的应力来计算，而对铺装层内的应力未作要求。为分析铺装层内的弯曲正应力，作如下假定：
1）预应力混凝土主梁承受一期及二期恒载，即承担混凝土梁的自重及二期恒载的作用。
2）活载由主梁和铺装层共同承担，铺装层内的荷载应力仅由活载产生。
3）梁截面的变形符合平截面假定。
4）所有材料均处于弹性工作状态。
5）主梁和铺装层间完全连续。
（2）弯曲正应力的计算分析
如图所示，各字母的含义如下：
O1-O1：主梁换算截面的中性轴位置；
O2-O2：主梁+铺装换算截面的中性轴位置（计算时，应将铺装层和主梁根据其弹性模量之比，换算为同种材料）；
y1：主梁截面上缘至中性轴O1-O1之距；y2：桥面铺装上缘至中性轴O2-O2之距；
Ⅰ1：主梁换算截面的抗弯惯距；Ⅰ2：主梁+铺装换算截面的抗弯惯距；
Mp：活载引起的弯矩；Mg1：一期恒载（主梁自重）引起的弯矩；
Mg2：二期恒载（桥面铺装重力）引起的弯矩；
图1 桥面铺装结构示意图
则有：
a）铺装层顶面由活载Mp引起的弯曲正应力：σ铺装上= y2
b）铺装层下缘由活载Mp引起的弯曲正应力：σ铺装下= y3
主梁的上缘正应力σ主梁上= y1+ y3-σ上y
式中σ上y为预应力钢筋预加力在主梁上缘产生的压应力。
3、算例分析
某5跨预应力混凝土连续板桥，跨径5*16m，桥面宽度12.5m，荷载为公路I级，该路段超载超限车较多，建成后4年时间，出现了支座处桥面铺装层横向开裂及沿板梁铰缝纵向开裂，原桥面铺装设计套用了标准通用图，采用100mm厚C50钢筋混凝土底层，其上布一层防水层，再在最外层布一层100mm厚沥青混凝土。
现对该桥桥面铺装重新设计，采用150mm厚C50钢筋混凝土铺装，支座处钢筋网采用10cm x 10cm 纵向φ22，横向φ12钢筋网；跨中采用10cm x 10cm 纵、横向均为φ12钢筋网，在距支座6米处纵向钢筋搭接。
支座处截面特性：A=0.692m2，y2=0.46m，Ⅰ2=0.0881m4。人群+汽车作用时，Mp=2.546X105N·m；人群+汽车制动力Mp=3.235X105N·m，人群+汽车+支座沉陷Mp=3.03X105N·m；人群+汽车+支座沉陷+温降Mp=3.419X105N·m。取铺装的厚度为h=150mm，在不同荷载工况下铺装层上表面的应力值见表
桥面铺装为C50混凝土，其设计抗拉强度R1‘=1.83MPa。
由此，对于该混凝土铺装层厚度采用15cm，从理论计算上，不会产生横向裂缝。
见表连续梁支座处桥面铺装上缘弯曲正应力
荷载工况 人群+汽车 人群+
汽车制动力 人群+汽车+
支座沉陷 人群+汽车+
支座沉陷+温降
σ铺装上（MPσ） 1.329 1.689 1.582 1.785
在计算过程中未考虑桥面铺装层中纵向钢筋对横向裂缝的抑制作用，设计是偏于安全的。为了防止铺装层内横向伸缩缝处因冲击荷载造成铺装层横向开裂，在横向伸缩缝附近1.5m范围内增设100×100φ12加密钢筋网，以防铺装层因冲击荷载横向开裂。
（二）桥面铺装纵缝剪切应力的计算分析
1、基本假设
对现浇混凝土纵向企口缝横向连接的钢筋混凝土装配式板梁桥及仅在翼板间用焊接钢板或伸出交叉钢筋连接的中小跨径的装配式梁桥，具有足够强度和变形刚度的桥面铺装层，在车辆荷载垂直力通过铰健传递时，桥面铺装层共同参与传递剪力，铺装层板底受弯剪作用。当主梁纵向抗弯刚度较大时，竖向位移较小，铺装层作为刚性板考虑以承受纵缝间直接剪力为主。将铺装层横桥向受力视为弹性支撑上的板，剪力依靠主梁铰键和铺