２０１６年０６月第０６期 城市道桥与防洪 桥梁结构８７ ＤＯＩ：１０．１６７９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｄｑｙｆｈ．２０１６．０６．０２６ 简支梁桥桥面连续缝受力机理及影响因素研究 单婷婷 （上海市市政规划设计研究院，上海市２０００３１） 摘 要：将简支梁桥纵向相邻两片板梁及中间的桥面连续缝模拟为一变跨度、变刚度的三跨连续梁，计算其中跨 （即桥面连续缝处）的跨中弯矩影响线方程，计算桥面连续缝在活载和支座沉降下的开裂弯矩。将其中一个参数作 为变值，其余参数取定值，研究该变值对弯矩值的影响。由此得出桥面连续缝开裂弯矩的影响因素，并据此提出桥 面连续缝开裂的改善措施。 关键词：简支梁桥；桥面连续缝；开裂弯矩；弯矩影响线；倒Ｔ盖梁结构 中圈分类号：Ｕ４４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—７７１６（２０１６）０６—００８７—０４ ０引言 简支梁桥纵桥向相邻的两片简支板梁（宽１ ｉｎ）及 其中间的桥面连续缝作为研究对象，并将其模拟 目前，上海内环高架桥梁等简支梁桥的连续 为一变跨度、变刚度的三跨连续梁。其中中跨为桥 缝处破坏现象较为严重，主要表现为横向裂缝。裂 面连续缝，跨度较小，刚度仅计连续缝处桥面铺装 缝的长短不一，有的甚至贯穿整幅桥面。 的实际厚度及配筋；两个边跨为纵桥向相邻的简 本文将从桥面连续缝受力机理的角度分析其 支板梁，刚度计及简支板梁实际钢筋混凝土截面 开裂机理及其影响因素，并提出减少连续缝开裂 及其上桥面铺装。 的若干建议措施。 为研究推导方便，假定左右边跨的刚度及跨 １桥面连续缝处开裂弯矩 度相等，其弹性模量为Ｅ、截面惯性矩为，、计算长 度为 ，令该跨线刚度为ｉ，则 ；而中跨（桥面 若以钢筋混凝土铺装层的开裂作为桥面连续 Ｌ 缝处开裂的标志，则根据《公路钢筋混凝土及预应 连续缝）弹性模量为Ｅ 、截面惯性矩为 计算长度 Ｔ ，ｒ， 力混凝土桥涵设计规范）（ＪＴＧＤ６２—２０ｏ４）【 】规定，其 为 ，令该跨线刚度为 ，则 ＝等Ｌ ，见图２所示。 开裂弯矩为： ３活载作用下简支梁桥面连续缝受力分析 ＪＩ ＝讥 ｏ＝２Ｓｏｆ￣ 式中：ｓ０为全截面换算截面重心轴以上（或以下） ３．１影响线方程及计算假定 部分面积对重心轴的面积矩 为混凝土轴心抗拉 如图２所示计算图式，其中跨（桥面连续缝 强度标准值。 处）跨中弯矩影响线方程为【 】： 以图１所示颇具一般性的连续缝厚度及配筋为 — 一一 Ｌ Ｍ ）。 一 一２Ｌ）（ｘ 一Ｌ）Ｍ２］一， 例（８ ｃｍ厚Ｃ３０防水混凝土，上下双层 １２＠１００ 的纵向钢筋），计及该连续缝处桥面铺装钢筋，其 （０≤ ≤ ）Ａ 跨，坐标原点为Ａ， 开裂弯矩为 ＝２ ＝２×２．３１×１０ ×２．０１／ｌ×１０６＝ ９．２８（ｋＮ·ＩＴＩ），即当连续缝处弯矩超过该值时，其钢 …筋混凝土铺装层开裂，这也是桥面连续缝破坏的 ）＝ ４ …＋｛ｌ 裴ａ一 ，（ａ≤ ≤ ） 先兆。 ２简支梁桥桥面连续缝受力分析模型 ＢＣ跨，坐标原点为Ｂ， １ ２ ２ — －为研究简支梁桥桥面连续缝的受力机理，取 Ｌ）Ｍ２ 一２Ｌ）（ｘ—Ｌ）Ｍ ］、 ， １２ （Ｏ≤ ≤￡）ＣＤ跨，坐标原点为Ｃ。 作者简介：单婷婷（嚣 ＿ 一１９８３ ）＇，女，上海人，硕士，工程师，从 其中，从 一’’ Ｍ＝ ３（ ｉ＋２ ｉ ＋）（ ）’２ｉ ， 事规划、设计工作。 Ｍ２－ 。 ８８ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１６年０６月第０６期 圈１桥面连续缝处的一般构造形式示意图ｌ单位：ｍｍ） 准图，采用２２ ｍ空心板中梁截面惯性矩数值，同时计 人８ ｏｍ混凝土铺装，截面惯性矩Ｉ＝０．０６３ ７６ ｍ４， 则Ｅ，＿２．０７２×１０ ｋＮ－ｍ２。 图２简支梁桥桥面连续缝受力分析模型示意图 若不考虑具体数值，则该影响线的大致形状 如图３所示。 拟定钢筋混凝土铺装采用Ｃ３０混凝土，弹性 模量Ｅ ＝３×１０ ＭＰａ。桥面铺装厚度假定８ ｃｍ，则 １ ｍ宽桥面铺装的截面惯性矩， ＝４．２７×１０ ｍ４。则 Ｅ ， ＝１．２８×１０ ｋＮ·ｍ 。 拟定简支梁桥计算长度Ｌ＝２２ ｍ，桥面连续缝 宽度￡ ＝０．０４ ｍ。 图３中跨（桥面连续缝处Ｊ跨中弯矩影响线图形示意图 按公路一Ｉ级的车道荷载标准进行加载，由影 响线图形可知，当车道荷载布置于左右边跨时，中 跨跨中截面负弯矩达到最大。根据《公路桥涵设计 通用规范（ＪＴＧ Ｄ６０—２０１５）》４．３．１［３１，公路一Ｉ级车道 将以上数值代入上文桥面连续缝处截面弯矩 公式，得胜一８９．８９ ｋＮ·ｍ，即为一般情况下活载作 用下桥面连续缝处弯矩。该值已远大于上文计算 所得的桥面连续缝处开裂弯矩。 在进行参数分析时，将其中一个参数作为变 值，其余参数取定值，研究该变值对 值的影响， 荷载的均布荷载标准值为ｑｋ＝１０．５ ｋＮ／ｍ，集中荷载 可得到如下结论：（１）在其余条件相同的情况下，简支梁桥截面 标准值取Ｐ￣＝２００ ｋＮ。令均布荷载满布左右边跨， 集中荷载作用于左右跨跨中，横向分布系数取 刚度 越小，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越 大。即桥面铺装与简支梁桥刚度比ｊｃ越大，该负弯 ０．３３。此时中跨跨中截面弯矩为： 矩值越大。 ）一 （２）在其余条件相同的情况下，混凝土铺装截 其中， ＝兰 ，Ｂ＝｝。 面刚度Ｅ ， 越大，活载作用下桥面连续缝处负弯矩 越大。即桥面铺装与简支梁桥刚度比ｋ越大，该负 ３．２主要参数分析 由以上桥面连续缝处弯矩 计算可知，活载 弯矩值越大。（３）在其余条件相同的情况下，简支梁桥计算 作用下Ｍ值与简支梁及桥面连续缝处计算长度及 长度 越大，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越 刚度有关，即与ｋ，Ｂ值有关。 这与荷载值随桥跨的相应增大也有关。 首先，拟定一般情况下Ｅ、，、 及Ｅ 、 取值 大。当然，即桥面连续缝与简支梁桥计算长度比Ｂ越小，该 如下： 拟定简支梁桥采用Ｃ４０混凝土，弹性模量 负弯矩值越大。（４）在其余条件相同的情况下，桥面连续缝宽 Ｅ＝３．２５×１０ ＭＰａ。因内环线高架上一般采用２２ ｍ 空心板梁桥，因此根据先张法预应力混凝土空心板标 度￡ 越小，活载作用下桥面连续缝处负弯矩越大。一 ２０１６年０６月第０６期 城市道桥与防洪 桥梁结构８９ 即桥面连续缝与简支梁桥计算长度比Ｂ越小，该 中跨跨中（桥面连续缝）的弯矩为： 负弯矩值越大。 （截面下部受拉）。 ３．３小结 ２主要参数分析 除部分采用倒Ｔ盖梁结构形式的桥梁外，桥 ４．由以上桥面连续缝处弯矩 计算可知，不均 面连续缝处的弯矩一般已明显超过其开裂弯矩， 匀沉降作用下 值与简支梁线刚度 、简支梁计算 且该弯矩值主要与以下因素有关： 及Ｂ值有关，即与肼、 、￡ 值有关。 活载作用下桥面连续缝处负弯矩随桥面铺装 长度Ｌ、 与简支梁桥刚度比后的减小而减小；随桥面连续 并可得出如下结论：（１）在其余条件相同的情况下，简支梁桥截面 缝与简支梁桥计算长度比曰的增大而减小。 因此，若要减小桥面连续缝处受力，可适当减 刚度町越大，不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯 小混凝土铺装截面刚度 ， 及简支梁桥跨度 ，增 大简支梁桥截面刚度 及桥面连续缝宽度 （采 用倒Ｔ盖梁结构形式等）。 ４支座沉降作用下简支梁桥面连续缝受力 分析 ４．１支座沉降引起的桥面连续缝处内力 仍然将桥面连续缝及与其相邻两跨简支梁桥 模拟为三跨连续梁。下面对不同的沉降情况分别 作分析。 ４．１．１一个边墩发生１ ｃｍ沉降 当一个边墩发生１ ｃｍ沉降时，该三跨连续梁 的弯矩图见图４所示。 图４一个边墩发生１ ｃ，ｍ沉降时力学模型弯矩图 其中， ＝ ３Ｂｉ ， 历３ ｉ（Ｂ／ｋ＋ １）， ＋２）中跨跨中（桥面连续缝）的弯矩为： 瓦 （截面上部受拉）。 ４．１．２中墩发生１ Ｇｍ沉降 当中墩发生１ ｃｍ沉降时，该三跨连续梁的弯 矩图见图５所示。 Ｍ 图５中墩发生１ ｃｍ沉降时力学模型弯矩图 其中， ＝ ３ｉ， ％＝ ３ｉ（Ｂ／ ｋ＋１） （３， ＋矩越大。 （２）在其余条件相同的情况下，混凝土铺装截 面刚度 ， 越大，不均匀沉降作用下桥面连续缝处 弯矩越大。 （３）在其余条件相同的情况下，简支梁桥计算 长度Ｌ越小，不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯 矩越大。 （４）在其余条件相同的情况下，桥面连续缝宽 度越小 ，不均匀沉降作用下桥面连续缝处负弯 矩越大。 ４．３小结 根据前文对不均匀沉降作用下桥面连续缝处 弯矩计算分析可知： 除部分简支梁刚度较小的桥梁及采用倒Ｔ盖 梁结构形式或连续缝宽度较大的情况外，桥面连 续缝处的弯矩一般已明显超过其开裂弯矩，且该 弯矩值主要与以下因素有关： 不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩随混凝 土铺装截面刚度Ｅ 简支梁桥截面刚度 的减 小而减小。 不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩随简支 梁桥跨度￡、桥面连续缝宽度￡ 的增大而减小。 因此，若要减小不均匀沉降作用下桥面连续 缝处受力，可适当减小混凝土铺装截面刚度及简 支梁桥截面刚度Ｅ ， ，增大及简支梁桥跨度 桥 面连续缝宽度￡ （采用倒Ｔ盖梁结构形式等）。 ５桥面连续缝维修技术 通过上文分析，连续缝处受力状况较为复杂， 其实际受力弯矩都大于其开裂弯矩，因此，连续缝 处开裂出现横向裂缝在所难免。由于连续缝结构 处出现横向裂缝的数量较多，连续缝改造的工作 量很大。如全部进行原结构修复或改建为型钢伸 缩缝受高架道路维修养护作业实践和作业条件限 制，施工难度高，可操作性差。因此连续缝改造宜 结合连续缝处出现裂缝的轻重程度区别对待。 ９０桥梁结构 城市道桥与防洪 度￡ 的增大而减小。 ２０１６年０６月第０６期 连续缝改造建议采用以下方案ｆ４］： （１）对于裂缝较细、裂缝区域无明显变形，裂 缝长度未贯通半幅路面的连续缝，采用铺设玻纤 网的防裂措施。 （２）对于裂缝较宽、裂缝区域裂块破碎，裂缝 长度贯通半幅路面（内环内圈或外圈）的连续缝， 根据历年沉降观测结果，当沉降值超过１０ ｍｍ时， 将连续缝改建为ＲＧ一８０型钢伸缩缝；当沉降值小 于１０ ｉｎｍ时，将连续缝采用原结构修复。 因此，采用如下手段可对桥面连续缝处的受 力情况加以改善： （１）适当减小桥面连续缝处铺装刚度，如采用 高弹性沥青混凝土（ＧＴＦ）处置。 （２）采用倒Ｔ盖梁结构形式等增大桥面连续 缝处宽度。 但由于桥面连续缝处受力的复杂性（除活载、 不均匀沉降作用外还有温度差异的作用等），且该 ６结论 处开裂弯矩极小，以上手段的采用仍不足以解决桥 面连续缝的开裂问题，桥面连续缝开裂成为一种不 通过对桥面连续缝受力机理（主要为在活载 可避免的病害。为此，可考虑一定的构造手段使得 作用及不均匀沉降作用下）的研究，可知： 桥面连续缝处的开裂变得较为规律及便于修补： （１）桥面连续缝处开裂弯矩相对实际可能发 （１）在连续缝处设置假缝（见图１及图６、图７）； 生的弯矩较小，因此，在仅活载与不均匀沉降作用 （２）连续缝处钢筋采用交叉设置等以减小该 下连续缝处铺装就极易开裂。 处刚度（见图８）。 （２）活载作用下桥面连续缝处负弯矩随混凝 参考文献： 土铺装截面刚度Ｅ 简支梁桥跨度 的减小而 【ｌ】ＪＴＧＤ６２—２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范【ｓ】． 减小；随简支梁桥截面刚度 ，桥面连续缝宽度的 【２】朱慈勉，张伟平．结构力学（第２版）［Ｍ】．北京：高等教育出版社， 增大而减小。 ２００９． （３）不均匀沉降作用下桥面连续缝处弯矩随 ［３］ＪＴＧＤ６０—２０１５，公路桥涵设计通用规范［ｓ］． 【４］上海市市政工程管理处，上海市市政规划设计研究院，上海市道 混凝土铺装截面刚度Ｅ 简支梁桥截面刚度 路工程重点实验室．高架道路养护维修综合技术研究研究报告【Ｒ】． 的减小而减小；随简支梁桥跨度 、桥面连续缝宽 ２００９ 厂 ＩＩ 图６桥面连续缝原结构修复（一）示意图（单位：ｏｍ） ２６０ 图７桥面连续缝原结构修复（二）示意图（单位：ｃｍ） （下转第１００页） １００桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１６年０６月第０６期 （３）稳定性分析 考虑结构自重、二期恒载、人群荷载下的整体 稳定性分析，一阶整体稳定系数为１１．６，表现为大 跨段上弦杆面外失稳，满足规范要求。 斜腹杆分位于上下弦杆腹板内外两侧，内、外 斜腹杆通过节点板相连，由此控制构件的面内长 细比。内、外斜腹杆平面内最大长细比为６Ｏ．１，平 面外最大长细比为９７．６。满足规范要求。 梁整体立面上看，斜腹杆错落有致，韵律协调，景 观效果良好。 （３）“大体型”与“少用钢量”的结合。全桥钢材 重量为１６２．８５ ｔ，每平方米桥面钢材用量指标为 １７１ ｋｇ，结构整体轻巧；同时，全桥总长１２０ ｍ，净 宽７ ｍ，最大梁高约９ ｍ；桥梁整体壮阔，但各构件 简洁轻巧，由此尽显结构的简洁美。人行桥的轻盈 ６景观与结构受力融合分析 桥梁结构之美在于独特的造型，合理的比例 尺度，生动的韵律和色调、明暗与装饰的适当匹 配，其中应把桥梁结构的造型和谐与良好的比例 放在首位，使之具有秩序感和韵律感［ 。本桥突出 景观性与整体受力合理性的融合，在保证结构受 力合理性的前提下，尽可能使得桥梁景观突出。主 要总结为以下四个方面： （１）桥梁整体线形与结构受力状态的匹配。大 跨连续梁桥结构中支点剪力较大，跨中正弯矩较 大。本桥利用连续梁桥结构特性，将梁高施以大胆 的曲线变化比例，增大中支点梁高，同时减少两跨 跨中梁高，借此展现出了海鸥飞翔的曲线形状，将 结构景观融合进当地的自然、文化背景中；同时配 以合理、大胆的比例，加以中国红的色彩，使得桥 梁整体个性张扬却不失美感。 （２）整体稳定性、局部稳定性与景观融合。本 工程为大跨景观钢桁架桥，结构组合方式却有别 于常规的车行钢桁架桥。本桥整体梁高较高，斜腹 杆互为交叉，整体稳定性较好；同时，本桥斜腹杆 采用竖向交叉型式连接，但同时又互为三等分，有 效减少了面内长细比，局部稳定性得到满足。从桥 雅致也通过合理的结构比例体现地淋漓尽致。 全桥大部分构件均采用成品型钢。型钢的优 势在于不需再增设加劲肋，且可从厂家统一采购， 构件质量可得到充分保障。 （４）结构主受力构件与附属结构的融合。本桥 除了各构件受力得到尽可能优化之外，也利用上 弦杆与互为交叉的斜腹杆，形成桥梁栏杆轮廓及 外立面，将主受力构件与附属结构融为一体，更加 凸显结构的简洁美。 ７结语 （１）人行景观桥由于荷载相对较小，可设计出 风格迥异的景观。设计师需要结合当地的人文环 境、地域特色，将文化融于桥梁结构中，达到人造 桥景与地域特色的统一。 （２）桥梁景观与结构受力尽可能互相融合，在 繁复中体现简洁，不失为一种景观人行桥梁的设 计思路。 参考文献： 【１】杨士金，唐虎翔．景观桥梁设计［Ｍ】．上海：同济大学出版社，２００３． 【２］陈艾荣，盛勇，钱锋．桥梁造型［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００５． ［３】巩春领，陶海．人行桥造型设计艺术与构思【Ｊ］．城市道桥与防洪， ２００５（５）：１－５． ■七七●● 々■七七 ■专 ■ ■■七七七■ 七七七＿七■专幸■ 七■●々々七七七七七 ■专 电七七七 专■ 七七 专七七七七七七七专年■七 七七｜专■ 七七七专々七●七七七■专 （上接第９０页） 图８桥面连续缝原结构修复（三）示意图（单位：ｃｍ）