P.C變截面連續(xù)箱梁裂縫控制與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文/黎抒婕　北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司　北京　100082

P.C變截面連續(xù)箱梁是市政工程中普遍應(yīng)用的一種梁型，適用于大跨徑橋梁，主跨跨徑多在50m～100m，目前國(guó)內(nèi)建成的變截面橋梁最大跨徑已達(dá)到165m。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)不少變截面箱梁在施工過(guò)程或使用階段發(fā)生腹板混凝土斜向開(kāi)裂的情況，有的相當(dāng)嚴(yán)重，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性及運(yùn)營(yíng)的安全性都構(gòu)成了威脅。

從大量相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，大跨徑混凝土箱梁橋的主要病害為箱梁開(kāi)裂和跨中長(zhǎng)期下?lián)?，主梁開(kāi)裂與長(zhǎng)期下?lián)舷嗷ビ绊??；炷灵_(kāi)裂引起主梁剛度減弱，導(dǎo)致主跨下?lián)希煌瑯又髁合聯(lián)线M(jìn)一步加劇箱梁開(kāi)裂，形成惡性循環(huán)。對(duì)于薄壁箱梁橋，箱梁懸臂與腹板交接處的剪力滯效應(yīng)明顯，設(shè)計(jì)時(shí)若忽略此效應(yīng)，就會(huì)低估該處的撓度與應(yīng)力，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)或局部破壞[2]。

結(jié)合P.C變截面連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文針對(duì)設(shè)計(jì)中兩方面的內(nèi)容進(jìn)行深入探討：第一，如何有效的控制裂縫與箱梁下?lián)?；第二?duì)該類型箱梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1、P.C變截面箱梁常見(jiàn)裂縫形態(tài)、分布及控制

1.1　腹板斜裂縫成因及控制

腹板斜裂縫主要分布在距離支座1/4跨徑的梁體，裂縫方向呈45°分布，并逐漸向受壓區(qū)發(fā)展。腹板斜裂縫形成原因較復(fù)雜，主要成因是①支座附近剪應(yīng)力較大，巨大的支座反力主要依靠腹板傳遞，此處是預(yù)應(yīng)力鋼筋集中錨固區(qū)域，局部高應(yīng)力所引起的局部徐變也比較大；②端部腹板沒(méi)有配彎起束或者彎起束配置不足導(dǎo)致主拉應(yīng)力較大；③腹板設(shè)計(jì)厚度偏小，抗剪能力不足；④箱梁外側(cè)腹板受超重車輛的影響，腹板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的拉應(yīng)力相對(duì)較大，加上兩外側(cè)腹板受外界環(huán)境的影響較大，溫度變化梯度大于內(nèi)側(cè)腹板，造成外側(cè)腹板的內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)量較多。

從設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，要控制住腹板裂縫，需要嚴(yán)格控制腹板的主拉應(yīng)力，將計(jì)算主拉應(yīng)力控制在1Mpa以內(nèi)，這要從腹板厚度和預(yù)應(yīng)力束兩方面予以保證。對(duì)于抗剪預(yù)應(yīng)力筋，通常有配置豎向預(yù)應(yīng)力筋和配置彎起筋這兩種方法。實(shí)際工程表明，由于豎向預(yù)應(yīng)力筋長(zhǎng)度短，張拉延伸量小，施工中因各種因素導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大，或完全失效，近年來(lái)一些僅配置豎向預(yù)應(yīng)力筋的橋梁普遍出現(xiàn)斜裂縫。理論和實(shí)踐表明彎起的縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋能更好的抵抗主拉應(yīng)力。因此，通常設(shè)計(jì)采用以彎起的縱向預(yù)應(yīng)力為主的配筋方式，不夠時(shí)加配豎向預(yù)應(yīng)力筋，根據(jù)橋規(guī)在計(jì)算豎向預(yù)應(yīng)力筋時(shí)其效應(yīng)應(yīng)打6折，同時(shí)對(duì)其施工應(yīng)提出二次張拉的工藝要求。為防止縱向預(yù)應(yīng)力筋平彎時(shí)產(chǎn)生的徑向力引起腹板外側(cè)砼開(kāi)裂，在縱向預(yù)應(yīng)力筋平彎段需設(shè)置防崩鋼筋。

1.2　頂?shù)装蹇v向裂縫、斜裂縫成因及控制

縱向裂縫與橋梁軸線方向平行，多出現(xiàn)在箱梁頂?shù)装?。箱梁頂?shù)装蹇v向裂縫主要是由于箱梁橋畸變和橫向彎曲產(chǎn)生的。在活載作用下，若頂板橫向彎矩過(guò)大，在沒(méi)有布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的情況下，很容易引起頂板的縱向裂縫。在P.C變截面箱梁中，底板曲線預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的徑向力、底板自重作用會(huì)在底板產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，且底板通常不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，所以在各種效應(yīng)組合下會(huì)引起底板縱向裂縫。

頂?shù)装逍绷芽p是由于箱梁截面在整體荷載作用下彎、剪、扭產(chǎn)生的正應(yīng)力、剪應(yīng)力組合形成的主拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，引起開(kāi)裂。這種裂縫往往穿透整個(gè)頂?shù)装宓陌搴瘛?/p>

為了有效防止箱梁頂板開(kāi)裂，在結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造方面需予以保證。計(jì)算時(shí)，除了按橋規(guī)計(jì)算車輛荷載引起的橫向內(nèi)力外，需重視溫差效應(yīng)，溫度效應(yīng)引起的橫向內(nèi)力值，往往大于車輛荷載引起的相應(yīng)值。在高溫作用下，箱梁頂板表面將會(huì)向上拱曲，同時(shí)箱梁頂板將受到腹板的嵌固約束，頂板整個(gè)下緣均受拉，在頂板下緣接近腹板的地方出現(xiàn)沿縱向的通縫。構(gòu)造方面，頂板有足夠的厚度，頂板厚度大，車輛荷載、溫差效應(yīng)所引起的頂板應(yīng)力就小，由于箱梁畸變引起的橫向拉應(yīng)力也將較小。頂板厚度也不可過(guò)大，否則引起箱梁自重荷載過(guò)大。

1.3　其他形式裂縫

其他裂縫主要是局部裂縫，包括橫隔板裂縫、預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的局部承壓裂縫等。

預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的承壓裂縫一般從底板錨塊后面開(kāi)始，與箱梁橋軸成30～45°方向發(fā)展，是由預(yù)應(yīng)力束在錨端產(chǎn)生的嚴(yán)重應(yīng)力造成的。

橫隔板裂縫多發(fā)生在人孔周邊，呈放射型布置，主要是由孔洞周圍應(yīng)力集中產(chǎn)生的。孔洞周邊的豎向裂縫多是由支座反力引起的。

2 、P.C變截面箱梁跨中下?lián)铣梢蚣熬?xì)化分析與配筋設(shè)計(jì)

在箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，箱梁頂板與腹板是現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法中主要考慮的對(duì)象。通常箱梁上下緣在正常使用階段以不出現(xiàn)拉應(yīng)力來(lái)控制，故截面上下緣的縱向預(yù)壓應(yīng)力在正截面可能已經(jīng)被抵消，腹板中部還有部分縱向預(yù)壓應(yīng)力。由于剪應(yīng)力沿腹板布置是基本相同的，所以主拉應(yīng)力最大值往往出現(xiàn)在頂?shù)装迮c腹板相交處。設(shè)計(jì)時(shí)頂板橫向鋼筋的配置通常會(huì)加強(qiáng)，以減少頂板砼剪切開(kāi)裂的問(wèn)題。而箱梁底板設(shè)計(jì)時(shí)多按構(gòu)造配筋，往往較為薄弱。

通過(guò)精細(xì)化分析得知，底板面內(nèi)方向主拉應(yīng)力最不利位置在底板加腋的根部、靠近箱室中心方向，減小該處剪應(yīng)力的最有效方法是優(yōu)化縱向配束，降低截面上的剪力，從而減小底板的彎曲剪力流。若配束不當(dāng)，底板上的合成主拉應(yīng)力超過(guò)實(shí)際混凝土極限拉應(yīng)力，會(huì)在底板平面內(nèi)產(chǎn)生斜向裂縫；若配筋不足，導(dǎo)致底板構(gòu)造鋼筋屈服造成混凝土之間的錯(cuò)動(dòng)，明顯影響箱梁的縱向受力和變形。如若發(fā)生上述情況，在開(kāi)裂區(qū)域內(nèi)原箱梁截面由閉口轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)口，腹板剪應(yīng)力將會(huì)增大。

剪應(yīng)力增大會(huì)加劇箱梁橋的開(kāi)裂，裂縫增大引起主梁剛度下降，導(dǎo)致主跨下?lián)?。為了解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)行設(shè)計(jì)采用平面桿系計(jì)算時(shí)，將活載剪力放大系數(shù)按5%考慮，以達(dá)到包絡(luò)設(shè)計(jì)的目的。但隨著橋?qū)捲黾樱鐝皆龃?，箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變剪應(yīng)力在總剪應(yīng)力中所占比重增大，一律采用5%的放大系數(shù)顯得不盡合理，需采用有限元法進(jìn)一步計(jì)算和分析。通過(guò)對(duì)大跨徑P.C變截面箱梁橋的幾個(gè)樣本[1]進(jìn)行精細(xì)化分析發(fā)現(xiàn)，橋梁的活載剪應(yīng)力放大系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.05：跨徑80+100+80m，橋?qū)?2m的三跨P.C變截面連續(xù)箱梁，平均放大系數(shù)達(dá)到1.5；跨徑140+268+140m，橋?qū)?6.5m的三跨P.C變截面剛構(gòu)箱梁，平均放大系數(shù)達(dá)到2.0。因此在進(jìn)行P.C變截面橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合橋?qū)挷捎孟鄳?yīng)的活載剪應(yīng)力系數(shù)，并增強(qiáng)箱梁底板的配筋，避免箱梁底板混凝土開(kāi)裂引起主跨下?lián)稀?/p>

3、P.C變截面箱梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1　剪力滯效應(yīng)及放大系數(shù)

進(jìn)行P.C變截面箱梁橋計(jì)算時(shí)，平截面假定和桿系理論是設(shè)計(jì)人員常用的計(jì)算方法，然而對(duì)于翼緣較寬的橋梁還需要考慮剪力滯效應(yīng)、偏載作用對(duì)箱梁造成的扭轉(zhuǎn)與翹曲。

箱梁的剪力滯現(xiàn)象用剪力滯系數(shù)λ來(lái)表征，λ越大，剪力滯效應(yīng)越明顯。λ隨著寬跨比的增大而增加，當(dāng)橋梁寬跨比符合梁橋概念時(shí)，剪力滯效應(yīng)除橋梁端部外非常有限；當(dāng)橋梁為寬橋時(shí)，剪力滯效應(yīng)在全橋范圍內(nèi)都非常顯著，尤其在梁端支座截面處。

對(duì)于大跨徑P.C變截面箱梁橋，恒載剪力滯影響偏小，主要考慮活載的剪力滯效應(yīng)。通過(guò)對(duì)大量實(shí)例分析，一般認(rèn)為偏載引起的約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力約為相應(yīng)彎曲正應(yīng)力的15%左右，因此計(jì)算時(shí)活載正應(yīng)力放大系數(shù)按15%考慮將能覆蓋扭轉(zhuǎn)、畸變、剪力滯等荷載效應(yīng)，提高橋梁應(yīng)力儲(chǔ)備、減少裂縫的產(chǎn)生，確保橋梁運(yùn)營(yíng)安全。

3.2　底板束對(duì)變截面箱梁的影響

大跨徑P.C變截面箱梁，箱梁截面高度從中支點(diǎn)到兩側(cè)跨中呈二次拋物線變化，通常需要在底板布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。由于底板束的束型正好與箱梁抵抗跨中正彎矩的形式相反，底板束提供的負(fù)彎矩會(huì)隨著底板束長(zhǎng)度的增加而減小，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加底板束的長(zhǎng)度。底板束是向上凸起的，會(huì)產(chǎn)生向反方向的徑向力，徑向力作用于底板束與箱梁底板之間的混凝土上，極易導(dǎo)致底板產(chǎn)生縱向裂縫、管道間貫穿裂縫，甚至使跨中附近底板處砼大面積酥脆、崩塌。故設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮底板束的徑向力對(duì)箱梁底板的作用，應(yīng)驗(yàn)算底板束周邊砼的抗剪和抗拉強(qiáng)度。構(gòu)造配筋時(shí)在底板上下緣鋼筋外側(cè)設(shè)置U形鋼筋，使底板整體受力；同時(shí)要留足底板束的混凝土保護(hù)層厚度，以不小于13cm為宜。

結(jié)語(yǔ)：

P.C變截面箱梁橋因其受力明確、造型優(yōu)美、跨度大等優(yōu)點(diǎn)在市政工程中應(yīng)用廣泛，若在設(shè)計(jì)中對(duì)橋梁構(gòu)件的受力情況采用精細(xì)化分析、明確配筋原則、對(duì)箱梁頂?shù)装寮案拱辶芽p加以嚴(yán)格控制，將能進(jìn)一步提高該類型橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、增加橋梁的服務(wù)年限。變截面箱梁橋的裂縫及撓度控制還與施工工藝、氣候環(huán)境、材料性能等因素有關(guān)，本文僅從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析，為類似橋梁設(shè)計(jì)起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn):

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