鋼桁架橋梁混凝土護欄開裂分析

李建剛，王桂智，孫云翰，蔣文志

（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127）

混凝土護欄是橋梁結構的一個附屬構件，設計時主要考慮汽車荷載的撞擊作用，其計算及配筋主要為滿足結構豎向受力要求，橋梁縱向配筋主要滿足構造配筋要求。在很多橋梁結構中，混凝土護欄均出現(xiàn)了不同程度的裂縫，對于結構后期運營期間的耐久性、功能性會產生比較大的影響。找出結構在各階段開裂的主要因素，有利于為防止裂縫出現(xiàn)或減小裂縫影響提供有效解決方案。

鋼桁架橋梁橋面混凝土護欄從施工到成橋階段形成的裂縫和施工荷載導致結構變形、溫度及混凝土干縮等密切相關[1-2]。針對該類橋梁橋面混凝土護欄出現(xiàn)開裂的問題，文章從施工實際情況出發(fā)，運用有限元軟件建模計算分析并探討混凝土護欄開裂原因。

1 工程實例

某一在建橋梁，其結構為簡支鋼桁架橋，橋面采用鋼筋混凝土護欄。橋面鋪裝完成后，護欄出現(xiàn)了不同程度的豎向裂縫，且大多為貫通裂縫（見圖1），裂縫寬度較大，出現(xiàn)的位置較為規(guī)律，大多出現(xiàn)在鋼桁架下弦節(jié)點位置。

圖1 混凝土護欄裂縫

混凝土開裂成因可分為荷載、溫度變化、混凝土收縮、基礎變形、鋼筋銹蝕、凍脹、施工材料質量、施工工藝等幾個大類[3]。溫度、混凝土干縮均會導致混凝土護欄開裂。馬運朝[1]對開孔型混凝土護欄裂紋進行了分析，指出護欄與橋面板固結，同時混凝土護欄與橋面板變形不同是導致開孔型混凝土護欄出現(xiàn)裂紋的根本原因。鋼桁架橋產生圖1中的裂紋主要出現(xiàn)在下弦節(jié)點位置，這與護欄固結于橋面小縱梁上有關。在鋼桁架節(jié)點位置處，小縱梁與橫梁通過高強螺栓連接（受力類似于鉸接），當溫度及橋面荷載導致橋面變形時，對于在節(jié)點處沒有斷縫的混凝土護欄，因約束變形而受到較大的拉應力，導致護欄開裂。

2 計算分析

為查明鋼桁架橋面護欄在橋面鋪裝完成后的開裂機理，文章根據混凝土護欄實際尺寸，考慮護欄自重及橋面鋪裝層荷載、溫度作用等因素，利用midas civil建立全橋有限元模型進行計算分析；同時對改變主桁約束體系、改變護欄分段長度等因素對護欄截面的影響進行分析。

2.1 恒載及溫度作用

該鋼桁架橋面護欄每一節(jié)段設計長度為19.79m，即3個桁架節(jié)間一段；桁架每側共設置4段護欄，每道護欄分段均在桁架節(jié)點位置，相鄰護欄間縫隙寬度為4cm。護欄與橋面板整體現(xiàn)澆，并通過剪力釘與鋼桁架橫梁、縱梁現(xiàn)澆連接。建模分析時，護欄采用梁單元簡化計算，并與鋼桁架縱梁采用剛接模擬，結構整體計算模型見圖2。護欄受力分析主要模擬計算三種工況作用對護欄開裂的影響，工況一為護欄及鋪裝層自重荷載，工況二為結構整體升溫，工況三為結構整體降溫，其計算結果見表1。

圖2 結構整體計算模型

表1 混凝土護欄截面應力 單位：MPa

計算結果表明，護欄自重、橋面鋪裝荷載、橋梁整體升溫作用時，護欄主要以受拉為主，且拉應力較大，混凝土護欄較易出現(xiàn)裂縫，而拉應力最大值主要集中在鋼桁架節(jié)點附近；整體降溫時，護欄主要以受壓為主，其對護欄開裂的影響不大。

2.2 約束體系影響

為了更清晰地知道護欄及橋面鋪裝層自重荷載與溫度作用對護欄應力的影響機理，建立另一種約束形式并進行分析，即在每一道橫梁位置設置約束支撐，其目的是約束橋面下?lián)献冃?，工況同2.1，計算結果見表2。

表2 改變約束體系的混凝土護欄截面應力 單位：MPa

計算結果表明，在護欄及橋面鋪裝荷載作用、整體降溫作用時，護欄截面主要受壓；在整體升溫作用時，護欄截面主要受拉。由表1與表2數(shù)據對比可知，在更改約束情況下，溫度對護欄應力的影響保持不變，而護欄自重及橋面鋪裝荷載對護欄截面應力影響由主要受拉變?yōu)橹饕軌骸?/p>

2.3 護欄分段影響

通過建立3個不同護欄節(jié)段長度的有限元模型，分析護欄長度對其開裂的影響。護欄節(jié)段按照桁架下弦節(jié)點位置劃分，分別為3個節(jié)間一段，護欄長度為19.79m；2個節(jié)間一段，護欄長度為13.18m；1個節(jié)間一段，護欄長度為6.57m。不同護欄分段長度時的工況一（護欄自重及橋面鋪裝荷載）、工況二（整體升溫作用）計算結果見表3。

表3 不同分段長度的混凝土護欄截面應力 單位：MPa

計算結果表明，自重及鋪裝荷載、整體升溫作用下，護欄分段長度越長，護欄拉應力越大，且護欄開裂的風險越大；當護欄長度按照1個桁架節(jié)間設置時，自重及橋面鋪裝、整體升溫對護欄開裂影響較小。

3 結束語

由前文可知，混凝土護欄最大拉應力主要集中于主桁架下弦節(jié)點處，由于節(jié)點處均設置有橫梁，且橋面護欄直接與橋面板現(xiàn)澆，并通過剪力釘與縱梁連接，而縱梁與橫梁采用高強螺栓連接，實際受力模式接近縱梁與橫梁鉸接的形式，因此結構變形時，會受到護欄的約束而導致應力集中于剛度較大的護欄上，從而發(fā)生護欄開裂問題。

鋼桁架橋在外荷載及溫度作用時結構變形較大，如果混凝土護欄跨桁架節(jié)間設置時，會因約束變形而導致護欄出現(xiàn)不同程度的開裂。在實際設計中，護欄主要考慮豎向受力，沿橋梁縱向鋼筋主要為構造配置，當結構整體變形較大時，護欄縱橋向會產生較大的拉應力，導致結構開裂。

進行鋼桁架橋梁橋面護欄設計時，可以按節(jié)間長度劃分護欄長度，以減小荷載及溫度對護欄縱向應力的影響，減小護欄開裂的風險；也可采用鋼結構護欄避免護欄開裂問題。