钢筋混凝土板梁特宽桥梁病害原因分析

赵兴中 ，马 琳，高建军

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300457;2.山东华鉴路桥技术有限公司，山东 济南 250101)

0 前言

据统计，到2011年8月底，我国机动车保有量达2.19亿辆，其中汽车保有量突破1亿辆。按照国际标准，一个国家或者地区每百万户汽车保有量达到20万辆以上时，就认为进入了汽车社会。按照这个标准，北京、天津和浙江省已经提前进入了汽车社会。2010年北京市百户居民私人汽车约为60辆，2009年天津百万户居民私人汽车就达到25.3万辆，浙江省2010年全省城镇每百万户居民私人汽车26.43万辆，为了保证城市交通的快速、安全与畅通，很多城市都在进一步拓宽城市道路，城市特宽桥梁也就应运而生。

据资料［1］表明:宽度大于40m的城市桥梁已有很多，有的甚至达到80m以上。城市特宽桥主要为原有旧桥的改建加宽［2］和新建特宽桥。其结构形式主要有分离型和并联整体型。分离型是指为了简化计算，将一座桥分成相互独立的几座相对较窄的桥梁单独受力进行分析;整体型主要是指不管桥有多宽，设计时按整体进行计算，其受力分析较为复杂，结构空间效应显著。本文就某一工程实例所出现的问题，试寻求产生问题的原因，给其他相关工程以参考。

1 工程实例

该桥为三层苜蓿叶型互通式立交，上层为南北高架桥，每个匝道桥防撞墙外缘半径均为29.78m，全长均为35.12m，宽度在10.80～67.96m之间。上部结构形式为(11.5+11.5+11.7)m的整体现浇式钢筋混凝土连续实心板，支点根部板厚为0.8m，跨中板厚为0.6m;下部结构为柱式墩，挖孔桩基础。桥面铺装采用沥青混凝土结构，盆式支座(有固定、单向和双向3种，每个匝道桥设置2个抗拉支座)。如图1所示。

图1 平面图(单位:cm)

针对历年养护记录来看，本工程从2007年记录的裂缝数量与位置，基本没有发生变化，但是裂缝发展异常迅速，最大的裂缝宽度达到2.3mm，长度达到20m左右。根据历年数据对比来看，裂缝前期发展较快，后期发展缓慢，本工程现有使用状况较差，为了发现产生裂缝的根本原因，现特模拟该桥实际使用情况，针对性地对特宽桥进行空间计算分析。

2 原因分析

2.1 病害特点

针对城市特宽桥梁产生裂缝的原因，笔者分析有以下几种:

1)结构本身设计不足，设计承载能力小于荷载效应值，结构不满足设计荷载要求而导致的硬伤，从结构安全的角度来说，这种桥梁的使用是不安全的，工程实际中极少会出现这种情况。

2)沉降问题，沉降往往是导致特宽桥裂缝产生的主要原因，基础的非圴匀沉降而导致桥面的倾斜，引起桥梁的标高差，如果变形超出了上部结构能够承受的范围，则结构就会产生大量的裂缝。不均匀沉降是近几年才关注的问题，所以本工程实例中梁底板产生的大量裂缝不排除这种可能性。

3)由于温度差过大导致的结构裂缝，梁高较高，梁体由于温度引起的次内力就会产生裂缝，对于本工程实例来讲，由于板梁本身的高度的限制，自动忽略这种因素。

4)施工原因不符合施工规范导致的裂缝，这个原因可能会存在，但是不太符合本工程裂缝发展的形式，施工原因的裂缝不会发生在所有的匝道上的相同位置处，本工程所有的裂缝具有相同的共性，因此这种原因暂时被排除掉。

图2 西北及东北匝道主梁裂缝分布图(单位:cm)

从图2可见，裂缝超出规范允许值且大面积分布的区域集中于第三跨，桥宽由28～68m处，此跨为典型特宽桥梁受力模式。因此，笔者认为出现这种裂缝的原因有可能是第一点及第二点，由于本工程建设初期，桥梁计算软件及计算机性能受到限制，本工程当初设计时，有可能是按常规桥梁结构进行计算并指导设计的，因此，为了充分模拟实际情况，本文采用有限元法建立空间结构模拟原桥进行分析。

2.2 有限元计算分析

本文采用MIDASCIVIL2010进行验算，建立空间模型，采用四边形板单元模型，共划分6691个节点，6525个单元。计算模型如图3所示。

从图3可以看到，映射网格模型无论是在纵向还是横断面上，单元分割整齐划一，密度适中，这样的网格划分能满足求解的需要。

2.3 内力对比分析

2.3.1 纵桥向受力对比

持久状况承载能力极限状态正截面承载能力组合下结构的受力特点如图4所示。

图3 主桥结构离散图

由图4可见，纵桥向最大弯矩作用位置，与常结构最大位置的跨中截面处不同，而是更接近1/4跨径偏向支点附近的截面;在横桥向，靠近结构边缘，靠近边缘一定范围处，有突变。在常规桥梁设计中，这几个位置通常不会出现负弯矩。由此可见在做特宽桥结构设计时，首先不能直接按传统方式受力特点指导设计。

图4 持久状况承载能力极限状态下弯矩的受力状态

持久状况承载能力极限状态抗弯计算位置选取截面如图5所示。正截面抗弯承载能力极限状态及比较见表1与图6。

图5 持久状况承载能力极限状态下弯矩最不利位置

表1 正截面抗弯承载能力极限状态表

图6 正截面抗弯承载能力极限状态比较

选取持久状况抗弯承载力极限状态计算位置处正常使用状态裂缝值如表2所示。

图5、图6及表1、表2中数据表明:正截面抗弯承载能力验算在1－2截面处抗力略不满足规范要求，内力超出极限组合12.5%，裂缝宽度值为0.32mm远远超出规范允许值，且还可以看出，二、三跨由于特宽桥作用效果不明显，其内力值符合常规桥梁设计，承载能力极限状态下弯矩值较效应值最小值大144%，最大值大185%，如果是按常规桥梁简单的乘以提高系数来指导设计的是不合理的，是导致结构底板出现裂缝的原因之一。

表2 正常使用极限状态裂缝表

2.3.2 横桥向受力对比分析

持久状况承载能力极限状态计算位置选取截面如图7所示。承载能力极限状态抗力见表3，正常使用极限状态裂缝见表4。

图7 持久状况承载能力极限状态计算位置

表3 承载能力极限状态抗力表

由图7及表3、表4中各数据表明，特宽桥横桥向受力位置并不具有规律性，应该个案个析。接近支点处在7L/8处，横桥向受力较大，接近结构抗力，特别是裂缝宽度已经达到0.23mm，超出规范规定的允许值，结构本身设计缺陷会导致开裂。

表4 正常使用极限状态裂缝表

3 结论

随着城市建设的发展，特宽桥的应用会越来越广泛。与一般桥梁相比，城市特宽桥具有明显的特点，在进行设计计算时应特别予以注意:

1)由于宽跨比较大，空间作用十分突出，如果桥梁按常规桥型乘以扩大的安全系数来指导设计的话，往往是偏不安全的，本实例中最小的提高倍数是144%，但是在特宽桥受力显著的一跨，仍然不满足规范规定。

2)基础整体性要求高，城市地基多为软土地基，地基的非均匀沉降对特宽桥有着严重的影响，针对不均匀沉降国内众多工程中并没有特别好的解决手段，这方面以待改进。

3)在进行有限元分析计算时，可以采用映射网格的划分方法，在本工程的实际操作中发现，其精度可以达到要求且这种方式建模速度占较大优势。

［1］李 睿，叶燎原，宁晓骏，等.城市特宽桥问题的提出及研究［J］.昆明理工大学学报，2002，27(2):57－59.

［2］李满红，肖清亮.浅谈改建公路中加宽桥的合理设计［J］.东北公路，1994(4):58－62.

［3］张永厚，梁立明.箱形混凝土梁荷载横向分布影响及剪力滞效应的试验研究［J］.铁道建筑，2001(1):2－6.