植入式橋面連續(xù)構(gòu)造

植入式橋面連續(xù)（ECS）構(gòu)造

在公路橋梁中的應(yīng)用研究浙江金麗溫高速公路有限公司浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院寧波市普力星交通科技有限公司浙江省嘉維交通科技發(fā)展有限公司研究背景2008年底，我國已建橋梁59.46萬座，年增1.5萬座664公里橋梁。2008年底，浙江省國省道共有橋梁8396座，計(jì)91.96萬米。已建成的橋梁中70%以上是簡支梁橋。橋面連續(xù)是簡支梁橋的重要構(gòu)造措施，對橋梁受力性能和使用性能改善、減低橋梁維護(hù)費(fèi)用、確保道路交通的暢通具有重要意義。橋面連續(xù)的作用構(gòu)造：多孔簡支梁用橋面鋪裝層將接頭連接成為一體，省去相鄰跨橋梁之間的伸縮縫。作用：在不改變簡支橋梁受力條件下為車輛提供連續(xù)、平穩(wěn)的行車道。應(yīng)用：我國自20世紀(jì)70年代問世以來，受到工程界廣泛歡迎，應(yīng)用普遍。橋面連續(xù)破損狀況根據(jù)浙江省8條高速公路2750座橋梁初步調(diào)查，有170座橋梁存在明顯橋面連續(xù)破損病害；根據(jù)金麗溫高速公路金麗段和溫州西過境段的詳細(xì)調(diào)查，在被調(diào)查的298座橋梁中有134座橋梁在橋面連續(xù)部位開裂，占被調(diào)查橋梁數(shù)的45.0%，開裂的橋面連續(xù)數(shù)量共417條，占病害橋梁橋面連續(xù)1858條的22.4%，為全部4132條橋面連續(xù)的10.1%。浙江省70%以上橋梁都存在蓋梁、臺(tái)帽水侵害。橋面連續(xù)破損帶來的影響影響行車舒適性和增大車輪沖擊作用，橋面連續(xù)破損帶來的影響導(dǎo)致橋墩水侵蝕，影響下部結(jié)構(gòu)的耐久性，此處增加照片橋面連續(xù)破損帶來的影響提高養(yǎng)護(hù)成本、對交通正常通行影響大。研究目的在總結(jié)傳統(tǒng)橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)存在的問題基礎(chǔ)上，提出新型橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，避免橋面連續(xù)部位開裂，確保行車安全性和舒適性，解決因橋面連續(xù)部位開裂引起的橋墩、蓋梁水侵害問題，提高公路橋梁的使用壽命。研究內(nèi)容提出新的橋面連續(xù)—植入式橋面連續(xù)(ECS)結(jié)構(gòu)通過有限元理論計(jì)算分析、足尺模型試驗(yàn)、實(shí)際應(yīng)用三個(gè)方面的研究，驗(yàn)證新型橋面連續(xù)構(gòu)造的優(yōu)越性經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出設(shè)計(jì)、施工規(guī)定和施工工藝，為推廣研究成果的應(yīng)用創(chuàng)造條件傳統(tǒng)橋面連續(xù)裝置及存在的缺點(diǎn)問題8-10cm厚度內(nèi)共有5層鋼筋，鋼筋過于密集、混凝土澆筑質(zhì)量難以保證。鋼筋沒有形成鋼筋骨架，施工時(shí)容易移位、變形.底部橡膠隔離層很薄，在混凝土澆筑時(shí)損壞、混凝土落底。設(shè)計(jì)施工方面：傳統(tǒng)橋面連續(xù)裝置及存在的缺點(diǎn)問題橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)的上、下緣長期處于彎拉、彎剪或彎壓的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之中。截面薄弱，在車輛荷載和溫度梯度荷載作用下混凝土容易開裂。受力方面：兩端切縫型橋面連續(xù)受力變形溫差效應(yīng)車輛荷載國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

英國：ECC橋面連續(xù)構(gòu)造日本：CFRP的橋面連續(xù)構(gòu)造ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)新型橋面連續(xù)構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)：使應(yīng)變被分散、分布均勻，減小應(yīng)力水平避免上層瀝青混凝土出現(xiàn)反射裂縫增強(qiáng)了排水功能，杜絕橋墩水侵害保證施工質(zhì)量，防止混凝土漿液下滲透水埋入鋼筋橡膠層排水管ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)考慮以下5種工況:1）簡支梁在整體溫度變化下引起的收縮或伸長。所產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)為σw。2）汽車制動(dòng)力引起的橋面連續(xù)部位拉、壓應(yīng)力。所產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)為σz。3）車道荷載滿布相鄰兩跨時(shí)引起的下?lián)限D(zhuǎn)角效應(yīng)，轉(zhuǎn)角變形將使連續(xù)部位產(chǎn)生上緣受拉下緣受壓的彎曲應(yīng)力。所產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)為σq。4）梯度溫度作用中的正溫差將引起梁端上撓轉(zhuǎn)角效應(yīng)，導(dǎo)致上緣受壓、下緣受拉；反溫差效應(yīng)正好與之相反。所產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)為σt。5）車輪荷載作用在橋面連續(xù)處引起的局部受力效應(yīng)。所產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)為σj。ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)下列三種工況下應(yīng)力較小□簡支梁在整體溫度變化下引起的收縮或伸長（工況1）

σw=83.48kN/（0.062*1）=1346.5kPa=1.35Mpa

□汽車制動(dòng)力引起的橋面連續(xù)部位拉、壓應(yīng)力（工況2）

σz=282.9×10-3/13/0.08=0.27MPa

□車輪荷載作用在橋面連續(xù)處引起的局部受力效應(yīng)（效應(yīng)5）

σj：上緣應(yīng)力為0.6MPa，下緣應(yīng)力為-1.2MPa

ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)下列2種工況下起控制作用□車道荷載滿布相鄰兩跨時(shí)引起的下?lián)限D(zhuǎn)角效應(yīng)（工況3）

□梯度溫度作用引起上撓轉(zhuǎn)角效應(yīng)、下?lián)限D(zhuǎn)角效應(yīng)（工況4）

ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)2種工況下應(yīng)力□通過分析找到轉(zhuǎn)角效應(yīng)最大的跨徑：10m跨空心板常用型式簡支梁在公路I級車道荷載作用下的最大梁端轉(zhuǎn)角序號類別跨徑（m）橋?qū)挘╩）梁高（cm）梁寬（cm）橫向分配系數(shù)轉(zhuǎn)角（弧度）1空心板1013451250.32241.93×10-321313601250.30261.48×10-331613801250.28581.07×10-342013901250.22901.28×10-35小箱梁2513140024000.61401.12×10-36T梁5013260023850.64801.74×10-3ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)2種工況下應(yīng)力汽車荷載作用下橋面連續(xù)構(gòu)造應(yīng)力（單位：MPa）部位一跨作用qk+Pk，鄰跨作用qk一跨作用qk，鄰跨作用qk剛接板式ECS剛接板式ECS上緣-11.4-6.2-5.2-1.4下緣21.07.19.61.5部位正溫差作用反溫差作用剛接板式ECS剛接板式ECS上緣15.94.4-8.0-2.2下緣-29.2-4.714.82.4梯度溫度作用下橋面連續(xù)構(gòu)造應(yīng)力（單位：MPa）

采用Midas6.11計(jì)算：□車道荷載下最大的梁端轉(zhuǎn)角：1.404×10-3rad和0.418×10-3rad；□

正溫差效應(yīng)的轉(zhuǎn)角是1.27×10-3rad，反溫差效應(yīng)的轉(zhuǎn)角是-6.37×10-4rad；ECS構(gòu)造設(shè)計(jì)

希望大幅減小應(yīng)力水平，避免上層瀝青混凝土反射裂縫形成

保證上部混凝土層的厚度

滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對各種構(gòu)造尺寸的要求

施工方便

節(jié)約成本ECS裝置構(gòu)造尺寸的優(yōu)化選擇

結(jié)論：鋼筋直徑為8mm；橡膠厚度13~16mm、寬度430mm

有限元計(jì)算分析計(jì)算對象：三種方案，A、C為ECS式，兩者之間的構(gòu)造細(xì)節(jié)不同，D為傳統(tǒng)形式計(jì)算模型：完全模擬實(shí)際構(gòu)造，并考慮板梁的支座變形影響材料特性：根據(jù)實(shí)際使用材料設(shè)定參數(shù)兩跨20m跨度單片板梁為計(jì)算對象計(jì)算模型的細(xì)部橋面連續(xù)部計(jì)算模型采用大型有限元程序ABAQUS6.5

荷載工況：考慮可能的荷載、按規(guī)范取值工況考慮的荷載備注1車道荷載按公路-I級取值2溫度正梯度按公路規(guī)范鋪裝8cm厚瀝青混凝土3溫度負(fù)梯度按公路規(guī)范鋪裝8cm厚瀝青混凝土4整體升降溫±30℃5局部車輪荷載施加重車的輪荷載6制動(dòng)力工況按公路規(guī)范設(shè)定7組合工況I上緣最大拉應(yīng)力8組合工況II下緣最大拉應(yīng)力工況組合Ⅰ計(jì)算結(jié)果1）最大主拉應(yīng)力減小2）應(yīng)力分布均勻方案一A

最大主拉應(yīng)力11.52MPa方案一C

最大主拉應(yīng)力12.93MPa方案二D

最大主拉應(yīng)力16.23MPa工況組合Ⅰ計(jì)算結(jié)果1）最大主壓應(yīng)力減小2）應(yīng)力分布均勻方案一A最大主壓應(yīng)力6.649MPa方案一C最大主壓應(yīng)力6.568MPa方案二D最大主壓應(yīng)力26.91MPa工況組合Ⅱ計(jì)算結(jié)果1）最大主拉應(yīng)力減小2）應(yīng)力分布均勻方案一A最大主拉應(yīng)力8.019MPa方案一C最大主拉應(yīng)力7.853MPa方案二D最大主拉應(yīng)力25.800MPa工況組合Ⅱ計(jì)算結(jié)果1）最大主壓應(yīng)力減小2）應(yīng)力分布均勻方案一A最大主壓應(yīng)力5.443MPa方案一C最大主壓應(yīng)力8.352MPa方案二D主壓應(yīng)力最大為11.98MPa混凝土主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表(MPa)序號工況方案一A方案一C方案二D結(jié)果比較1車道荷載6.1286.6219.138方案一A主拉應(yīng)力最小2溫度正梯度5.3044.90321.920

方案一C主拉應(yīng)力最小3溫度負(fù)梯度3.6794.7846.331

方案一A主拉應(yīng)力最小4整體降溫2.8163.9123.146方案一A主拉應(yīng)力最小5局部車輪荷載5.0855.5595.669方案一A主拉應(yīng)力最小6制動(dòng)力0.2240.1740.218方案一C主拉應(yīng)力最小7工況組合Ⅰ11.5212.9316.23方案一A主拉應(yīng)力最小8工況組合Ⅱ8.0197.85325.800方案一C主拉應(yīng)力最小足尺試驗(yàn)研究試驗(yàn)時(shí)間：2009年6月8日。試驗(yàn)對象：A、C、D三種類型連續(xù)構(gòu)造，跨度16m。加載工況：溫度梯度和車道荷載，根據(jù)梁端轉(zhuǎn)角相等條件模擬。如溫度梯度按規(guī)范計(jì)算T1=16.4℃，T2=5.98℃，對應(yīng)梁端轉(zhuǎn)角為0.001278°，按幾何關(guān)系在梁遠(yuǎn)端頂升4cm。模擬溫度梯度模擬車道荷載溫度梯度模擬試驗(yàn)結(jié)果對比A方案，頂升至5.0cm時(shí)，橋面一側(cè)出現(xiàn)細(xì)裂縫C方案，頂升至2.0cm時(shí)，橋面一側(cè)出現(xiàn)細(xì)裂縫D方案，頂升至2.5cm時(shí)，橋面一側(cè)出現(xiàn)細(xì)裂縫橋面壓應(yīng)變比較A方案和C方案的壓應(yīng)變比D方案大車道荷載模擬試驗(yàn)結(jié)果對比方案A：細(xì)裂縫方案C：裂縫比較集中橋面?zhèn)让娣桨窪：更粗的集中裂縫ECS橋面的拉應(yīng)變相對較小橋面拉應(yīng)變比較試驗(yàn)結(jié)果橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)是橋梁最薄弱的截面，在溫度梯度以及車道荷載作用下容易開裂。在溫度梯度條件下，A方案的橋面連續(xù)的開裂變形（抬升量）比其他兩個(gè)方案大。在車道荷載作用下，A方案能夠?qū)⒘芽p分散成多條細(xì)裂縫，而其他兩種方案均為集中粗裂縫。工程應(yīng)用新倉公鐵立交橋?yàn)殡p幅橋梁，全長713.771m，全寬26.0m?？鐝讲贾脼椋?×16+3×16+30+20+5×20+2×20+30+2×20+5×20+5×20+5×20m單幅橫向布置為：0.5(護(hù)欄)+11.5(行車道)+1m(護(hù)欄+分隔帶)。上部結(jié)構(gòu)為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋面設(shè)10cm厚40號水泥混凝土和8cm厚中粒式瀝青混凝土，空心板采用C50混凝土。橋梁在使用過程中出現(xiàn)橋面連續(xù)部滲水等病害，本課題研究結(jié)合本橋的加固施工，選擇部分連續(xù)部位對ECS的使用性能進(jìn)行檢驗(yàn)。測點(diǎn)布置及傳感器設(shè)置選擇10個(gè)截面由于埋置誤差較大，實(shí)測數(shù)據(jù)非常隨機(jī)本課題采用荷載試驗(yàn)結(jié)果來檢驗(yàn)其有效性橋面連續(xù)裝置類型對應(yīng)橋墩號A方案（植入式）15#、23#、27#B方案（植入式）14#、24#、28#C方案（植入式）25#、29#D方案（傳統(tǒng)）22#、30#合計(jì)10處試驗(yàn)工況靜載試驗(yàn)工況工況一、二、三、四縱向按連續(xù)橋面墩頂處最大負(fù)彎矩(支點(diǎn)最大角位移)橫向偏載，試驗(yàn)截面分別為27#墩、28#墩、29#墩、30#墩加載位置27號墩測點(diǎn)布置28號墩測點(diǎn)布置29號墩測點(diǎn)布置30號墩測點(diǎn)布置應(yīng)變讀數(shù)結(jié)果比較（με）位置A(27號墩)B(28號墩)C(29號墩)D(30號墩)應(yīng)變測點(diǎn)號應(yīng)變測點(diǎn)號應(yīng)變測點(diǎn)號應(yīng)變測點(diǎn)號接縫附近112W01110W0954W17----34W0237W1046W18----30W0328W1132W19----14W0420W1244W20----接縫處26W0536W1341W2160W2530W0629W1448W2247W2635W0727W1528W2355W2712W0827W1635W2428W28結(jié)構(gòu)外觀檢查采用ECS構(gòu)造的連續(xù)縫沒有滲水傳統(tǒng)構(gòu)造的連續(xù)縫發(fā)現(xiàn)滲水雖然使用時(shí)間只有1年，結(jié)果已證明了有效性更多的檢查資料請參照研究報(bào)告附錄采用ECS構(gòu)造的連接縫沒有開裂采用傳統(tǒng)構(gòu)造的連接縫發(fā)現(xiàn)裂縫2009-8-17，大雨后30號墩D方案蓋梁一處水侵害

施工過程鑿除原有橋面連續(xù)橋面連續(xù)范圍找平置平ECS，鋼筋除銹安裝ECS將排水管伸出護(hù)欄外

鋼筋綁扎、焊接澆筑橋面連續(xù)混凝土經(jīng)濟(jì)性分析采用ECS構(gòu)造：每道建安費(fèi)12753元，使用期50~60年。采用傳統(tǒng)橋面連續(xù)構(gòu)造：每道建安費(fèi)6570元，4年使用期限，更新費(fèi)13270元（包括施工封道影響）。采用伸縮裝置：每道建安費(fèi)14343元，橡膠條10年使用期限，每次更換費(fèi)1700元（包括施工封道影響）。采用先簡支后連續(xù)構(gòu)造：每道費(fèi)用總計(jì)為50520元，使用期100年。以一座10跨20m正交簡支橋梁為例：共設(shè)8道橋面連續(xù)構(gòu)造，橋面凈寬12m，20年使用期。經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果欄目類型一次建設(shè)成本20年內(nèi)維修次數(shù)20年內(nèi)維修費(fèi)用總計(jì)費(fèi)用采用ECS連續(xù)構(gòu)造10.20010.2采用傳統(tǒng)橋面連續(xù)構(gòu)造5.3553.158.4采用伸縮裝置11.511.412.9采用先簡支后連續(xù)構(gòu)造40.40040.4總計(jì)費(fèi)用比較采用ECS構(gòu)造比傳統(tǒng)橋面連續(xù)構(gòu)造節(jié)約48.2萬元，比先簡支后連續(xù)構(gòu)造節(jié)約30.2萬元結(jié)論根據(jù)本課題研究結(jié)果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：1）ESC構(gòu)造解決了橋面連續(xù)處滲水問題，可以提高下部結(jié)構(gòu)的耐久性。2）計(jì)算分析表明，在設(shè)計(jì)荷載作用下ESC構(gòu)造的主拉應(yīng)力低于傳統(tǒng)裝置。3）模型試驗(yàn)證實(shí)了植入式橋面連續(xù)構(gòu)造具有分散裂縫的效果。4）實(shí)橋應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了ESC構(gòu)造的有效性。5）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析表明，ESC構(gòu)造較傳統(tǒng)的橋面連續(xù)構(gòu)造在施工、養(yǎng)護(hù)總成本上有較大降低。6）提出相應(yīng)的施工工藝和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。7）根據(jù)施工便利性、受力特性，推薦方案A在工程中推廣應(yīng)用。建議和展望在澆筑的混凝土中摻入含量0.8～1.6kg/m3的網(wǎng)狀聚丙烯纖維，對提高橋面連續(xù)構(gòu)造的工作性能將會(huì)有較大幫助。通過實(shí)際應(yīng)用效果的跟蹤調(diào)查，進(jìn)一步優(yōu)化、完善橋面連續(xù)構(gòu)造。創(chuàng)新點(diǎn)ECS構(gòu)造為國際首創(chuàng)。ECS構(gòu)造使得橋面連續(xù)部位變形分散、應(yīng)力減小。解決的下部橋墩水侵害問題，增加了橋梁耐久性。ECS構(gòu)造的使用規(guī)定和施工方法提出了ECS構(gòu)造的設(shè)計(jì)、施工規(guī)定和施工工藝：1）ECS適用條件2）構(gòu)造的設(shè)計(jì)、施工要求3）施工流程4）安裝質(zhì)量、精度要求ECS構(gòu)造的使用規(guī)定ECS裝置的使用年限：環(huán)境類別環(huán)境條件最小使用年限I溫暖或寒冷地區(qū)的大氣環(huán)境、與無侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境60Ⅱ嚴(yán)寒地區(qū)的大氣環(huán)境、使用除冰鹽環(huán)境、濱海環(huán)境60Ⅲ海水環(huán)境50Ⅳ受侵蝕性物質(zhì)影響的環(huán)境50水泥混凝土橋面鋪裝面層（不含整平層和墊層）的厚度不宜小于80mm，混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C40。