高等级公路多跨预制梁板桥面连续结构破损探讨

吴 俊

(山西省交通建设工程监理总公司)

对于基本跨径组合是 13m、16m、20m的多跨预制空心板桥,不论是普通钢筋混凝土还是预应力混凝土,传统的设计方法是上部结构直接套用现成的简支梁板标准设计图,近年来随着国家对基础设施投资的逐年加大,使得高等级公路正得到迅猛发展,对桥面的平整度、行车舒适性等的要求也越来越高。多跨预制空心板桥采用简支梁桥面连续结构,设计简便快捷、施工工艺简单、养护方便、节约资金等特点,用在高速公路上极大地提高了运营能力和服务水平,因此,目前大多数高速公路中小桥在设计上均采用桥面连续结构。

1 桥面连续结构破损分析

连续梁桥与简支梁桥最大的区别在于连续梁桥上部结构不仅承担竖向荷载,而且支座处还承受弯矩和水平力,采用桥面连续结构取消了桥面伸缩缝,通过桥面铺装和桥面磨耗层使行车表面连成整体,实际受力时通过桥面连续处传递水平荷载,对上部结构—梁板而言,桥面连续后上部结构受力体系没有发生改变。但对于下部结构,情况就发生了改变,由于桥面连续,使上部对下部作用的水平荷载的传递完全发生了改变,桥面上任何跨或位置内的水平作用力,可以直接通过墩顶支座传递给下部结构,其内力分配方式也与简支体系完全不同,而与连续体系相似。因此,评价下部结构的受力,应把桥面连续后的上部结构视为连续梁来处理。

近年来,随着交通量的迅速增长,对桥梁结构使用性能提出了更高的要求。与此同时,预制空心板简支梁桥面连续结构也不可避免地暴露出一些缺陷,集中体现在板端桥面连续附近的桥面铺装破损较为严重。通过一系列的检测研究表明,破损原因主要有以下几个方面。

(1)桥面连续在顺桥向位于墩顶负弯矩区,在荷载作用下必然产生较大的拉力,由于预制板为简支状态,受力主要由桥面连续混凝土及钢筋承担,而传统的桥面连续内设置的钢筋极少(一般按 20cm间距布设),从而导致桥面开裂。

(2)车辆荷载经过预制梁板跨中时板端会向上翘,使空心梁板与桥面连续之间产生微小的错动,在车辆荷载的频繁作用下使得桥面连续部分发生开裂。

(3)桥面连续结构所用的混凝土为普通混凝土,在受力较大且在车辆产生的竖向震动和预制梁板变形产生的错动的频繁作用下,当材料的抗疲劳性能达到极限时就会导致桥面破损。

(4)混凝土桥面连续的基础是简支体系,在设计中简支体系的结构受力模式很容易被缺乏分析地沿用到桥面连续简支体系中去,甚至忽略桥面连续的作用,认为其结构就等于单跨简支结构的组合,使设计墩顶受力与实际受力有出入,造成部分墩产生位移,直接影响桥面连续部分受力,导致其破损。

(5)空心梁板在行车过程中会产生较大的震动,特别是由于施工原因,在支座安装不平整的情况下震动会进一步加剧,从而引起桥面连续的破坏。

(6)施工中没有严格按照设计要求进行施工质量控制,导致连续端本身存在某种缺陷,如混凝土振捣不密实、桥面连续处混凝土配比不符合设计要求、预应力筋张拉不到位、连续断钢筋焊接不牢固、管道压浆不饱满、现浇铺装层厚度不足、沥青混凝土面层剥落等。另外,由于对桥面连续结构存在认识不足,对涉及桥面连续施工的相关措施没有认真对待,伸缩缝设置和安装不当、支座设置不当、个别支座脱空、支座破坏、梁板预制和安装时控制不严格使梁与梁或梁与台背间隙过小,导致应滑动的部位不能正常滑动,该伸缩的又不能伸缩,人为改变了桥面连续的受力特性。

2 桥面连续结构的改进措施

通常采用以下以下几种措施来进行调整改进。

(1)合理选用和安装支座。

与一般连续梁不同的是,桥面连续体系墩顶具有双排支座,需简化成单排后,再按一般的连续梁体系分析计算墩顶与桥面连续的合成刚度。桥面连续后无论制动力或温度应力的传递都与支座及墩台的合成刚度有关,合成刚度越大,该墩顶分配到的水平力也就越大,作为刚性支座的固定支座,因其刚度较大而不利于桥面连续的下部结构,这在先简支后连续体系中,改变简支体系中支座一固一活的观念和作法是很重要的。而柔性支座(橡胶支座)对水平力的传递具有很好的消滞作用,因此在桥面连续中普遍采用。

由于桥面连续后上部结构可视为连续梁,其温度变形较单跨温度变形大,连续的跨数越多其差值就越大,但连续桥跨中支座吸收梁身变形的作用是很小的,主要是依靠连续桥跨两端支座,所以在全桥统一的支座不能满足上述变形时,就必须采用活动支座或提高橡胶支座的高度(为减小刚度)。此外同一结构形式在不同地区的温度变化是不同的,应酌情采用不同性能的支座。合理设置和使用桥梁支座,不仅能使桥面连续结构性能得到进一步改善,而且对节约资金及今后的桥梁加固和维修都具有十分重要的意义。

如橡胶支座的安装环节非常重要,安装前应检查产品合格证书中有关技术性能指标,包括支座几何尺寸、容许荷载、容许最大温差及外观检查等,当不符合设计要求时不得使用;否则以后再更换支座将很麻烦,应仔细校核水平面,支座不得发生偏歪,不得脱空,安装位置应准确,例外,预制梁板在安装过程中要特别注意对支座结构的保护,以防损坏影响日后正常使用。

(2)调整桥面连续结构内的钢筋和混凝土。

据桥面连续结构的特性,在简支梁跨与跨之间增加跨两端的钢筋混凝土结构,即增加一定宽度的现浇混凝土湿接头(中横梁)。对于 13m、16m跨径预应力空心梁板,墩顶连续采用普通钢筋混凝土,混凝土采用微膨胀水泥、石子粒径不大于 2cm,同时掺加高效减水剂、振捣密实,然后进行桥面横向连接,浇筑桥面混凝土;对于跨径 20m的预应力空心梁板,可在墩顶连续设预应力负弯矩连续束,采用高强度混凝土浇筑,墩顶负弯矩束张拉压浆后进行桥面横向连接。通过横向、纵向连接后,预制梁、绞缝及墩顶整体化,全桥成一体共同受力,与连续结构基本一致。

同时将原桥面连续中顺桥向布设钢筋直径适当调大、同时钢筋间距减小(如 20cm可变为 15cm),以增强桥面连续抵抗负弯矩的能力。在桥面连续范围内,采用钢纤维混凝土来增强混凝土的弹性和抗疲劳性能,使桥面整体性能得到极大加强,可大大推迟桥面连续破损的时间,减小破损程度。

(3)改善梁端垫层。

对已按原桥面连续结构施工桩基础的桥梁,为有效减小车辆荷载产生的震动对桥面连续的影响,将相邻两跨板的板端共 30m范围内,在预制板顶、桥面连续底设置 3mm厚橡胶垫层,替代原两边沥青并设置一层塑料薄膜垫层,同时将原两跨板端间填充的轻质包装板改为橡胶缓冲块,以便更好的隔离震动,吸收能量,并允许梁端有微小的错动,减小由于竖向震动而导致的破损。

(4)控制好伸缩缝施工。

采用桥面连续结构形式,最直观的就是减少了梁与梁之间的伸缩缝,将伸缩缝统一设在中小桥桥台处,或联与联桥墩处。根据桥长或联长,考虑桥梁所受制动力,温度应力、混凝土收缩或徐变、伸缩缝设置位置等,计算出伸缩处位移量,再确定一定规格的伸缩缝装置。

3 结 语

从理论上讲,伸缩缝为桥面连续正常使用提供了安全储备,但实际施工中,对伸缩缝处的处理过程随意性极大,有的甚至失去了伸缩缝的作用;有的桥梁梁端与台背被大量的混凝土和石子堵塞,或是梁端与台背之间几乎没有间隙而导致台背被混凝土挤碎,也有伸缩缝预留槽口太小,预埋筋不准确,安装后的伸缩缝装置变形严重等问题,这些都直接影响了桥面的连续正常使用功能。所以在伸缩缝施工安装过程中,除按设计要求选择合格产品外,伸缩缝处梁端(台背)槽口、预留筋位置要准确,梁端预留缝隙及梁底要处理干净,不得残留杂物,伸缩缝处护栏要设断缝,安装时还应考虑梁板最高气温和安装时的温度。

[1]范立础.桥梁工程(土木工程专业用).人民交通出版社,2001.

[2]《公路工程质量检验评定标准》GTGF80/1-2004ISBN7-114-05327-4.人民交通出版社,2004.

[3]吴俊 .山西省交通建设工程监理总公司 .北京交通管理学院.