1 引言
桥梁运营时，常在混凝土盖梁负弯矩区发现较多的裂缝，如图1所示。由于盖梁是普通钢筋混凝土结构，在设计荷载作用下可以产生受力裂缝，但裂缝宽度不能超过设计限值。通常，由于在桥梁设计时考虑的因素不全、在桥梁运营时出现较多的超载车，使得部分盖梁负弯矩区域裂缝宽度超出规范的限定值。而这类裂缝一般位于截面上缘，易受到雨水侵害。雨水、二氧化碳及混凝土发生化学反应，将侵蚀盖梁内钢筋，导致钢筋锈蚀鼓胀，使裂缝处混凝土钙化析出，严重影响盖梁的耐久性。
三柱式 二柱式
图1 典型盖梁裂缝
2 计算分析
2.1工程概况
以杭宁高速公路（浙江段）王家浜-青山段第3合同的K36+023 汽车通道桥（如图2.1.1所示）为工程背景，对其盖梁负弯矩区已出现裂缝进行分析。该桥为3×13m简支空心板，右交角105度，采用分离式结构，单幅桥的桥宽12.5m，双幅全宽26m。桥梁上部为钢筋混凝土空心板，下部为双柱式桥墩接钻孔灌注桩基础。设计荷载汽-超20，挂120。
图2.1.1杭宁K36+023桥桥墩盖梁
该桥共有4个桥墩盖梁，其中3个出现竖向裂缝，且均出现在盖梁的墩顶负弯矩区，裂缝最宽为0.41mm（规范允许的I类和II类环境的最大裂缝为0.2mm），裂缝最长为63cm。
2.2 分析计算内容
为研究盖梁裂缝形成原因，拟对以下情况进行分析计算。包括：
1）以该桥的桥墩盖梁为对象，以解析法计算不同荷载等级、以及超载车辆作用下的盖梁墩顶负弯矩区的最大裂缝宽度。
2）推导出盖梁附加弯矩与盖梁最大裂缝宽度之间的关系公式。
3）计算桥墩基础不均匀沉降与盖梁附加弯矩之间的关系，及其对盖梁最大裂缝宽度的影响。
2.3最大裂缝宽度计算
该桥于1996年设计，采用的设计荷载等级为汽-超20，挂120，为研究新、旧荷载等级和超载车辆等对盖梁裂缝的影响，共考虑如下4种工况：
工况1：恒载+汽超20，挂120，横向布载为车道多列，车辆多辆。
工况2：恒载+公路I级车道荷载/公路I级车辆荷载，横向布载为车道多列，车辆多辆。
工况3：恒载+公路I级车道荷载/124吨超载车辆荷载，横向布载为车道多列，车辆1辆。
工况4：恒载+公路I级车道荷载/124吨超载车辆荷载，横向布载为车道多列，车辆多辆。
每种工况下，分别计算车道荷载和车辆荷载产生的效应，并进行荷载组合，取盖梁墩顶负弯矩区的最大负弯矩。超载车辆仍取前面章节中采用的124吨实测超载车辆。盖梁的最大裂缝宽度依据JTG 62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》6.4.3条计算，其中的作用短期效应组合值Ms与作用长期效应组合值Ml根据《公路桥涵设计通用规范》计算。
各工况的裂缝宽度计算结果见表2.1
表2.1.1 盖梁墩顶负弯矩区最大裂缝宽度w计算表
2.1.4桥墩基础不均匀沉降对盖梁裂缝的影响分析
如图2.1.2。所示，建立下部结构的有限元模型，来研究基础沉降对盖梁弯矩影响，建模时对其他构件可进行必要简化，只取桥墩的桩顶以上部分（包括盖梁、墩柱、系梁三个构件）建立有限元杆系模型，基础的不均匀沉降则以强迫位移的方式直接施加于桥墩底部。因盖梁、墩柱、系梁等均为长细比较大的构件，而且主要考察目标是盖梁中的弯矩，因此计算单元采用2节点三维梁单元。
有限元模型单元总数为18，节点总数为18，模型总自由度为108。边界条件为：X-侧的桥墩根部视为固结，X+侧的桥墩（沉降墩）在横桥向和纵桥向约束，而高程向则按不同工况分别施加1～5mm的强迫位移。
本计算模型的主要目的是：考察单纯由桥墩基础不均匀沉降而引起的盖梁中的附加弯矩，以及该附加弯矩对裂缝宽度的影响。
图2.1.2 实际结构与有限元模型
共考虑5个工况，工况1为沉降墩向下沉降1mm，工况2为沉降墩向下沉降2mm，如此类推，工况5为沉降墩向下沉降5mm。
桥墩向下沉降后，桥墩的变形和杆件中的应力总体分布见图2.1.3（以沉降1mm为例）。盖梁的沉降墩部位为下缘受拉（正弯矩），盖梁的固定墩部位为上缘受拉（负弯矩）。
图2.1.3沉降墩向下沉降1mm时结构变形与应力
根据各工况计算结果，得到桥墩不均匀沉降量与由此导致的盖梁中的附加弯矩之间的关系见图2.1.4和图2.1.5。
图2.1.5盖梁2个墩顶处的弯矩与沉降量的关系
根据不同沉降量下计算得到的盖梁中的附加弯矩值，并根据2.1.3中推导的裂缝宽度与附加弯矩之间公式，计算得到各沉降量所导致固定墩的墩顶处盖梁裂缝宽度增量见表2.1.2，裂缝增量与沉降量的关系图见图2.1.6。
表2.1.2 固定墩墩顶处的盖梁裂缝宽度增量计算表
2.5 计算结果分析
1）在旧规范的汽超20，挂120荷载下，盖梁在墩顶处的最大裂缝宽度为0.2416mm，在新规范的公路I级荷载下，最大裂缝宽度为0.2439mm，两者相差很小，但均超过了设计规范所允许的限定值0.2mm（设计规范允许的I类和II类环境的最大裂缝为0.2mm）。可见，在设计时仅按强度来控制盖梁配筋是不够的，在裂缝验算时可能会超限。
2）在一辆124吨的超载车作用下，盖梁的墩顶处产生的最大裂缝宽度达到0.2635mm，超过了公路I级车道荷载3车道布载所产生的裂缝宽度最大值。若将超载车进行3车道布载（并考虑多车道折减系数），盖梁的裂缝宽度将达到0.3066mm，是规范限值的1.533倍。可见，在盖梁裂缝宽度上，仅一辆超载车所产生的效应，便已超过3列车道荷载所产生的效应。
3）桥墩基础发生横向不均匀沉降时，在盖梁中将引起较大的附加弯矩，并对裂缝宽度产生较大影响。对常规的单排双柱式桥墩，盖梁在沉降墩顶部的区域将会下缘受拉而上缘受压（正弯矩），该部位的盖梁顶部裂缝宽度将会减小，而盖梁在固定墩（或称非沉降墩）顶部的区域将会上缘受拉而下缘受压（负弯矩），该部位的盖梁顶部裂缝宽度将会增大。
图2.1.6 盖梁裂缝增量与沉降值的关系
4）桥墩基础不均匀沉降值、盖梁附加弯矩值、盖梁裂缝宽度增量，这三者之间均呈线性关系，具体的线性比例系数则与桥墩和盖梁的几何尺寸和刚度有关，需具体实例具体计算。对本章节的实桥算例，当基础不均匀沉降1mm时，盖梁裂缝增量约0.03mm，沉降3mm时，盖梁裂缝增量达到0.1mm，沉降5mm时，盖梁裂缝增量将达0.16mm。而恒载和活载作用下盖梁该部位的裂缝已达0.2439mm，若再加上基础沉降所引起的裂缝增量0.16mm，则盖梁裂缝将达到0.4037mm，达到规范限值的2倍。可见基础不均匀沉降对盖梁裂缝宽度的影响甚至超过了超载车辆所产生的影响。
3 设计原因分析及防治
3.1原因分析
3.1.1设计因素
盖梁设计计算中一般未考虑超载因素，而超载车辆会导致梁板支座的反力过大，使盖梁跨中和墩顶的负弯矩加大。根据调查发现：在车流量大、超载车多的路段，盖梁竖向裂缝的宽度和数量明显大于车流量少、超载车辆少的路段；在同一个盖梁上，盖梁位于行车道（以重载车辆为主）侧的立柱顶裂缝开展情况明显大于另一侧的超车道（轻载车辆为主）。柱式、肋式桥台台帽裂缝产生的原因和桥墩盖梁类似。
在设计时，往往根据弯矩包络图，将部分受力钢筋弯折，以抵抗剪力。由于过早地弯折，使抗弯部分的主筋的直线长度不满足h0/2的要求，削弱了该部位的主筋的抗拉作用，使该部位发生开裂。
一般情况下，盖梁的柱顶负弯矩大于两柱中心的盖梁底部正弯矩，设计时为了节省钢筋用量，往往在柱顶的盖梁顶部增设短钢筋，若短钢筋长度不满足h0+la的要求，同样会削弱该短钢筋的抗拉作用，使该部位发生开裂。
设计时对横桥向的桩基不均匀沉降未做考虑。而横桥向的桩基不均匀沉降会使盖梁产生附加弯矩，导致盖梁负弯矩出现裂缝、或原有裂缝宽度加大，本章的计算分析结果也说明了这一因素。
此外，车辆荷载也可引起各墩柱间产生不均匀的压缩沉降，尤其在软基地区，重载车较多的车道处的桥墩桩基往往压缩沉降较大。桥墩的不均匀压缩可在盖梁中产生附加弯矩。墩柱高度越大，这种不均匀压缩沉降就越大。
早期的盖梁设计中往往只注重承载力验算，而未注重裂缝宽度验算（甚至未做裂缝宽度验算），因此会出现盖梁承载力足够，但负弯矩区裂缝宽度超限的情况。
3.1.3施工原因
受拉区纵向钢筋位置不正确，过度偏离受拉区，偏近受压区，使受拉区混凝土承受过分的拉应力而开裂。
由于桩基施工质量不良，造成盖梁的不均匀沉降。
盖梁施工中模板与支架刚度不足，或脱模过早，造成盖梁内在损伤。
3.1.4 运营养护原因
水从伸缩缝、桥面连续处破损处往下渗，造成墩台盖梁水侵害并未及时处治，导致钢筋锈蚀，影响墩台盖梁耐久性，加剧裂缝发展。
养护过程中未及时修复支座病害，特别是脱空支座，导致墩台盖梁受力不均，局部应力增大。
3.2裂缝防治措施
3.2.1设计方面
1）负弯矩区弯起钢筋的起弯点位置应满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004第9.3.11条的规定；
图3.1.2车辆荷载引起的墩柱顶部不均匀沉降
2）负弯矩区增配的短钢筋长度应满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004第9.3.9条的规定；
3）充分考虑超载、施工、气候等因素，在设计时适当提高裂缝的控制标准（≤0.15mm），增加负弯矩区的钢筋配置数量。
4）采用预应力混凝土盖梁。
5）设计时要留有足够的富裕量。在杭州绕城西线的白庙大桥的检查中发现，由于该桥盖梁较高，所以使用至今都未产生裂缝。合理增加盖梁高度比单纯的增加配筋会产生更好的抗裂效果。增加盖梁高度比单纯增加钢筋用量的经济性要好，所以在条件许可时，应首先考虑增加盖梁高度。
6）地质条件差或软基地区中的摩擦桩，可以增加整体式的承台，以减小基础的不均匀沉降，从而降低盖梁中产生的附加弯矩。
7）在设计中充分考虑各种因素引起的不均匀沉降和附加弯矩影响。在桥墩高度较高时，采用有限元计算方法，将盖梁和墩柱同时考虑，按刚架计算盖梁的受力并指导配筋。
3.2.2施工方面
钢筋安装时，要确保受拉区纵向钢筋位置设置要精确，不能过度偏离受拉区（保护层厚度超厚），也不能造成保护层厚度不足。
加强桩基的施工质量控制，包括清孔、桩基偏位误差等的控制。
增强盖梁支架的刚度，严格控制脱模时机。
3.2.3运营养护方面
及时修复破损的伸缩缝、桥面连续处，防止水渗入墩台盖梁，造成水侵害，从而影响墩台盖梁耐久性，加剧裂缝发展。
及时封闭墩台盖梁裂缝，修复锈蚀钢筋和破损混凝土，加强预防性养护。
及时修复支座病害，确保墩台盖梁正常受力。
4 结论
本文针对桥梁运营时混凝土盖梁负弯矩区出现较多的裂缝的现象，本文以杭宁高速公路上的一座盖梁开裂的桥梁进行计算分析，分别从设计、施工和运营养护方对盖梁负弯矩裂缝成因进行了深入分析，得出了一些有益的结论。本文研究结论可供桥梁盖梁的设计、施工及养护等参考。
论文作者:胡金华,徐建辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/29
标签：裂缝论文; 弯矩论文; 桥墩论文; 宽度论文; 荷载论文; 工况论文; 钢筋论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;