浅谈高速公路钢筋砼盖板明涵上部构造设计

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摘要：在广西兴安至桂林高速公路项目K50+420盖板涵的变更设计过程中，通过对板式桥涵原有设计、施工和病害情况进行调研，对钢筋砼盖板明涵上部结构的受力特点、铰缝构造及盖板结构等方面进行了分析与计算，总结了一定的设计经验，并提出了关于高速公路盖板明涵设计和施工的合理化建议。

关键词：盖板 明涵上部构造

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

广西兴安至桂林高速公路为国道主干线衡阳至昆明高速公路的一段，设计速度为120km/h，路基宽度为28m。K50+420涵洞施工图设计为1-4x4m盖板涵，荷载等级为公路—Ⅰ级，涵底地基承载力为350KPa，净跨径为4m，净高4m，所跨机耕道宽度为3. 0m，涵洞夹角为90°，该涵起到过人兼过水的作用（图1）。

图1K50+420盖板涵原设计洞身剖面

项目建设期间，为开发旅游资源，适应经济发展需要，当地政府提出将该道路拓宽为4.5m，并进行路面改造，要求增加K50+420通道的跨径及净空高度。经业主、监理、设计、施工各方实地察看，会议研究，决定将该通道变更为1-6x6m盖板涵。但此处路基填方高度仅2.2m，而降低基础底面标高会导致所跨道路排水不畅，因此增加通道高度后，无法保证暗涵顶最低填方高度不小于0.5m的要求，此涵洞应按明涵进行设计。

公路涵洞顶部有填土的称为暗涵，无填土者称为明涵。暗涵受活载分布较均匀，且不考虑车辆的冲击力；而明涵则受车辆集中荷载及汽车冲击力的影响。有调查发现，在公路的桥头、通道及涵洞，特别是明涵两侧与路基相接部位的路面断板和裂缝都比较多，明涵涵顶裂缝较严重。随着经济建设的高速发展，我国的交通流量增长较快，而且超载现象的时有发生，汽车轴重的增加形成较大的冲击荷载。桥面及涵顶铺装经常承受冲击及振动荷载，容易在混凝土内部产生材料疲劳现象。因此与暗涵不同，明涵设计时应充分考虑盖板的刚度及板间的横向连接，同时对涵顶铺装的强度及质量也提出更高的要求。此外，为了避免因涵台与土路堤的沉降差异引起涵头跳车现象，应在涵洞两端设置搭板（图2）。本文从以下三个方面对高速公路明涵盖板设计进行浅述：

图2K50+420盖板明涵洞身剖面

明涵盖板受力特点分析

明涵盖板属于简支板结构，虽有涵顶混凝土铺装层会使得汽车活载的分布更为均匀，但盖板与盖板之间主要还是依靠铰缝进行联系，铰缝只传递剪力不传递弯矩。采用ANSYS对明涵盖板进行有限元分析时，可以将板-板之间的转动放松，采用beam44 单元来模拟盖板梁单元，用一端放松转动的beam44单元模拟铰缝，单元刚度巨大，与盖板的实际情况相符合。盖板宽度为1m，取8块跨径为6.3m的铰接盖板进行分析，单元模型如图3所示。

图36.3m跨径明涵盖板单元模型

计算可得出在6.3m跨径铰接盖板的荷载横向分布系数如下表，

由上表可见，作用力所在位置的盖板承担的弯矩最大，其余板承担的弯矩向两侧依次减小。当荷载位于中边板位置时，其分担的弯矩最大（图4），因此应避免车辆长时间行驶在边板上，以防荷载效应集中于横向分布系数最大的边板，导致边板铰缝剪切应力集中，造成盖板间铰缝砼剪切开裂，裂缝延伸后贯穿至涵顶铺装，雨水沿裂缝渗入，反复的行车荷载加上雨水的浸蚀、冻涨及气温变化的热胀冷缩作用使砼、沥青铺装层沿裂缝出现破裂、酥碎、松散。

图4明涵边板活载横向分布影响线

盖板铰缝选型及设计

为了让板块能够最大限度的承受车辆荷载，在铰缝时，明涵盖板的连接必须是横向的。普遍的横向联接有两种类型，一种为企口混凝土铰联接，另一种是钢板焊接联接。相关调查显示，为了使各个板块可以共同受力，并且确保剪力能够横向传递，就必须采用企口式混凝土铰。

企口混凝土铰有三种形状，分布为圆形、菱形、漏斗形（如图5（a）、（b）、（c）所示）。其本质是把细骨料混凝土填在铰缝内，这个步骤是在安装好盖板后操作的。预制板的钢筋伸出和相邻板是相辅相成的，把两者进行钢筋捆绑，并且在铺装层内进行浇筑，这样可以使涵顶铺装层能够更好的受力。（图5（d））。

图5企口式铰缝类型

相关数据表示，现阶段，由于铰缝技术的不成熟，导致装配式板存在程度不一的纵向裂缝的现象。铰缝形式致使出现裂缝的频率提高，要想降低开裂的频率，就要加深铰缝，加强构造连接。

致使铰缝开裂的原因多种多样，总体有以下几个方面的原因：第一，钢筋构造原因。在铰缝内，钢筋是不可或缺的，如果其自我锚的长度不够，那么就不能有效的建立抗位连接，其在铰缝与盖板连接面之间要呈平行关系，如果其形状没有做好，那么就无法保护铰缝，其连接作用也被削弱。

第二，材料原因。由于荷载作用，铰缝受力是一个反复的过程，因而这对混凝土的强度和耐久性提出了较高的要求，否则其会产生疲劳破坏，因此，在新旧混凝土之间，其粘结力的弱化作用显得尤其重要。

第三，施工原因。①桥涵施工队伍的工艺水平不高，其专业水平欠缺，由于缺乏对结构的认识，致使施工质量低下；②施工时，铰缝钢筋不符合设计要求，主要表现为深铰缝下层钢筋的搭接捆绑与设计有出入；③蜂窝是铰缝混凝土目前的主要问题，主要原因是其密实度不够。由于在施工时震捣的欠缺，导致铰缝口的尺寸偏小；④粘接差也是普遍现象，这主要存在于铰缝混凝土和预制板之间，板间铰缝结合面也存在问题，主要为其没有凿毛；⑤空铰问题普遍存在，其主要是犹豫底模漏浆造成的；⑥加载的时间提前太多，致使混凝土在铰缝时，强度低。铰缝混凝土被大幅度破坏，在公路运输中，超载现象有增无减，长此以往，其被破坏。

为了加强盖板横向连接，针对铰缝开裂的各项原因，在本次设计中选用受力性能较好的企口漏斗形混凝土深铰缝(图6)。采取以下措施对铰缝进行优化设计：①在相邻的两块板之间顶、底部，要加强横向的次数，然后在进行钢筋弯折和焊接，在铰缝中可以加两种钢筋，一种为剪刀型竖向，另一张为纵向；②铰缝混凝土的类型是C50混凝土，其主要成分时钢纤维、克裂速，作用是可以延长混凝土的寿命，预防裂缝的收缩。

图6 铰缝钢筋构造图

3.盖板结构计算

3.1设计资料

汽车荷载等级：公路-I级； 环境类别：I类环境；

净跨径：L0=6m； 单侧搁置长度：0.30m； 计算跨径：L=6.3m；

盖板板端厚d1=50cm；盖板板中厚d2=50cm；盖板宽b=0.99m；保护层厚度c=5cm；

混凝土强度等级为C40；轴心抗压强度fcd=18.4Mpa，轴心抗拉强度ftd=1.65Mpa；

主拉钢筋等级为HRB335； 抗拉强度设计值fsd=280Mpa；

主筋直径为25mm，外径为27mm，共10根，选用钢筋总面积As=0.004909m2

涵顶铺装厚H1=10cm； 涵顶表处厚H2=10cm；

盖板容重γ1=25kN/m3； 涵顶铺装容重γ2=25kN/m3； 涵顶铺装容重γ3=23kN/m3

取一块盖板进行结构配筋计算，以确保结构在单板受力状态下仍可满足要求。