連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開(kāi)裂成因及應(yīng)力限值的相關(guān)探索

黃利友

【關(guān)鍵詞】連續(xù)剛構(gòu)橋;箱梁腹板開(kāi)裂;問(wèn)題成因;應(yīng)力限值

【中圖分類號(hào)】U448.23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）08-0192-03

0 前言

近年來(lái)，部分連續(xù)剛構(gòu)橋在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)出箱梁腹板、頂板、底板、橫隔板等部分開(kāi)裂的情況，相關(guān)問(wèn)題的存在不僅會(huì)影響連續(xù)剛構(gòu)橋的整體質(zhì)量和使用壽命，還會(huì)影響橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全。因此，為保障連續(xù)剛構(gòu)橋的使用安全和使用壽命，必須對(duì)箱梁開(kāi)裂成因進(jìn)行分析研究，這對(duì)于箱梁養(yǎng)護(hù)、建設(shè)及設(shè)計(jì)具有重要意義。據(jù)此，本文將對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開(kāi)裂成因進(jìn)行研究分析，以期能夠?qū)ο淞焊拱彘_(kāi)裂問(wèn)題的有效解決提供一定參考。

1 連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋裂縫類型

1.1 邊跨梁端腹板斜裂縫

連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋邊跨張拉的預(yù)應(yīng)力筋需要錨固在邊跨端部，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)部分存在錨固應(yīng)力，而且混凝土具有橫向變形的特性，所以該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的拉應(yīng)力;邊跨端部的常規(guī)做法是在施工接近至最大懸臂時(shí)，在支架上進(jìn)行一次澆筑，該結(jié)構(gòu)在體系轉(zhuǎn)換后會(huì)受到次內(nèi)力和支座反力的影響。由于邊跨端部的腹板受力復(fù)雜，因此雖然在施工中施工人員非常注意技術(shù)處理，但是腹板出現(xiàn)斜裂縫的現(xiàn)象仍然屢見(jiàn)不鮮。

1.2 中跨L/3～L/4處腹板斜裂縫

中跨L/3～L/4處腹板斜裂縫的主要表現(xiàn)特征為距中跨跨中10～20 m的地方，裂縫呈斜向延伸，當(dāng)延伸到頂、底板時(shí)則呈橫向延伸，此類裂縫的對(duì)稱性明顯。這種裂縫的產(chǎn)生受剪應(yīng)力和腹板豎向應(yīng)力的影響。在較早時(shí)期，在設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋時(shí)，受到當(dāng)時(shí)施工條件的限制，設(shè)計(jì)人員在對(duì)箱梁橋進(jìn)行計(jì)算時(shí)一般采用平面桿系有限元結(jié)合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法，忽略了箱梁結(jié)構(gòu)實(shí)際存在的空間效應(yīng)和畸變的影響，因此會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。

1.3 箱梁頂、底板縱向裂縫

箱梁頂、底板縱向裂縫的特征是長(zhǎng)度不一，方向平行，底板裂縫多于頂板。箱梁橋頂板及底板的縱向開(kāi)裂的原因比較復(fù)雜，一般認(rèn)為是箱粱結(jié)構(gòu)的畸變和橫向彎曲，以及溫度梯度效應(yīng)、變截面箱梁合攏束張拉等均可導(dǎo)致箱梁縱向開(kāi)裂。

1.4 齒板裂縫

齒板尺寸較小，但是設(shè)置了齒板的結(jié)構(gòu)往往會(huì)采用大噸位的預(yù)應(yīng)力體系，使得齒板承受很大的壓應(yīng)力，巨大的壓應(yīng)力將產(chǎn)生劈裂應(yīng)力，若未采取足夠的措施，將導(dǎo)致齒板附近的混凝土開(kāi)裂。

2 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橄湫芜B續(xù)橋，其主跨采用上下分離型設(shè)計(jì)，截面為單箱單室截面。橋墩高程約108 m，箱梁底板寬約8 m，頂板寬約15.8 m，箱梁兩側(cè)懸臂各3.9 m，箱梁高程區(qū)間為2.2～5.6 m，腹板寬0.5 m，箱梁底緣呈現(xiàn)拋物線性變化。箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φs15.2 mm的鋼絞線、豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋，其中縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa;豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力為0.8×830 MPa，單根預(yù)應(yīng)力鋼筋的橫截面面積為8.044×10-4 m2。

3 連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開(kāi)裂原因分析

連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板開(kāi)裂原因分析將會(huì)分別采用Midas有限元分析軟件和ANSYS軟件進(jìn)行，其中前者主要用于主梁的仿真分析，后者主要用于局部的仿真分析 [1]。在局部分析過(guò)程中，主跨將會(huì)通過(guò)Solid 65三維實(shí)體單元模擬主跨所采用的混凝土材料，同時(shí)在模型坐標(biāo)系構(gòu)建時(shí)，X軸、Y軸和Z軸分別作為橋梁的縱向、橫向及豎向，所構(gòu)成的模型如圖1和圖2所示，其中圖2中模型的起止點(diǎn)為X軸的21.5 m和39 m。

3.1 豎向預(yù)應(yīng)力損失

某連續(xù)剛構(gòu)橋豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用的精軋螺紋鋼筋，在橋梁建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隨著時(shí)間的不斷推移，螺母和精軋螺紋鋼筋的間距損失和螺母錨固損失持續(xù)增加?；诖朔N情況，文章分別模擬預(yù)應(yīng)力損失為0、30%、50% 3種條件下豎向預(yù)應(yīng)力損失，分析導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋線路腹板開(kāi)裂的原因。

在模擬分析過(guò)程中，結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確定連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力混凝土拉應(yīng)力σtp和主因應(yīng)力σcp的計(jì)算公式如下 [2]：

在以上公式中：σcx為混凝土向應(yīng)力，Ms主要是由Ms和預(yù)加力產(chǎn)生;Ms為混凝土作用短期組合效應(yīng)所產(chǎn)生的彎矩;σcy為鋼筋混凝土豎向壓力;τ為彎折預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的預(yù)加力和Vs共同產(chǎn)生的混凝土剪應(yīng)力;Vs為由作用短期效應(yīng)組合計(jì)算的剪力;σpc為去除預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)壓應(yīng)力;y0為主應(yīng)力點(diǎn)到重心軸之間的距離;n為在同一截面上豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋總數(shù);σ■■為豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋提供的預(yù)應(yīng)力;Apv為豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋橫截面面積;sv為豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋之間的間距;b為主應(yīng)力點(diǎn)處箱梁腹板寬度;I0為連續(xù)剛構(gòu)橋慣性力矩。

根據(jù)圖1中的某連續(xù)剛構(gòu)橋整體模型，基于上述公式，可以計(jì)算出連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各點(diǎn)主壓應(yīng)力值，具體計(jì)算點(diǎn)如圖3所示。不同點(diǎn)的豎向有效預(yù)應(yīng)力下的主壓應(yīng)力值見(jiàn)表1，不同豎向預(yù)應(yīng)力損失之間的拉應(yīng)力變化情況見(jiàn)表2。

由表1和表2可知，箱梁腹板的主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力會(huì)隨著主梁預(yù)應(yīng)力損失的變化而變化，并且在預(yù)應(yīng)力損失增加的情況下，主壓應(yīng)力變化較小、主拉應(yīng)力變化較大 [3]，隨著主梁預(yù)應(yīng)力損失的持續(xù)變化，箱梁腹板的主拉應(yīng)力變化也將會(huì)逐漸明顯，一定情況下甚至可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力變化值大于1 MPa的情況。

根據(jù)圖2中的局部模型分別對(duì)0、30%、50% 3種預(yù)應(yīng)力損失情況下的箱梁腹板受力情況進(jìn)行模擬分析，最終獲取到圖4中的分析結(jié)果。

由圖4可知，隨著豎向預(yù)應(yīng)力損失的持續(xù)增加，連續(xù)剛構(gòu)橋腹板開(kāi)裂情況也逐漸嚴(yán)重，尤其在豎向預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到50%時(shí)，腹板已經(jīng)出現(xiàn)明顯開(kāi)裂的情況 [4]。由此可見(jiàn)，豎向預(yù)應(yīng)力損失將會(huì)對(duì)腹板開(kāi)裂產(chǎn)生直接的影響，不僅需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行充分考慮，還需要在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制施工標(biāo)準(zhǔn)，避免因人為因素引發(fā)的預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題，避免腹板出現(xiàn)應(yīng)力不符合設(shè)計(jì)要求而引發(fā)的腹板開(kāi)裂情況。

3.2 環(huán)境溫度

通常情況下，環(huán)境溫度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板造成的影響由年溫差和局部溫差兩個(gè)部分組成，在對(duì)兩種影響進(jìn)行模擬的過(guò)程中，年溫差所造成的影響需要對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分考慮。若是針對(duì)溫度結(jié)構(gòu)，那么年溫差通常會(huì)造成均值變化，若是針對(duì)無(wú)水平約束結(jié)構(gòu)，那么只會(huì)造成結(jié)構(gòu)均勻收縮，卻不會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)溫度應(yīng)力情況。若是結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)均勻伸縮約束，那么年溫差所造成的影響將會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力變化;對(duì)于局部溫差，其所造成的影響在箱梁腹板上主要體現(xiàn)出沿界面高度方向的日照溫差影響。

確定受日照的影響，“T”形連續(xù)梁橋面板與其他結(jié)構(gòu)之間會(huì)產(chǎn)生溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。結(jié)合現(xiàn)有資料可知，在部分季節(jié)中，連續(xù)剛構(gòu)橋的箱梁頂板和頂板之間的溫差可達(dá)到10～15 ℃ [5]。穩(wěn)定應(yīng)力應(yīng)包括溫度自應(yīng)力和溫度次應(yīng)力，相關(guān)因素主要受到混凝土及橋面板的影響，其中溫度自應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

基于上述公式，分別對(duì)某連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度自應(yīng)力和溫度次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)某連續(xù)剛構(gòu)橋的實(shí)際情況，在對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮頂板與底板之間的溫度變化，假設(shè)主梁整體降溫20 ℃，那么頂板可能會(huì)降溫15 ℃，腹板和底板則可能會(huì)降溫20 ℃，進(jìn)而導(dǎo)致頂板與腹板和底板之間存在溫度差，溫度差為5 ℃ [6]。兩種情況所造成的影響如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，結(jié)構(gòu)存在溫度差的情況則會(huì)導(dǎo)致箱梁腹板存在明顯開(kāi)裂情況，并且此種情況會(huì)隨著溫度差的增加而越發(fā)嚴(yán)重，然而將我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范溫度差相對(duì)較低[7]，以此進(jìn)行設(shè)計(jì)的橋梁將可能會(huì)存在一定的安全隱患，應(yīng)進(jìn)一步規(guī)范溫度差，以此提高應(yīng)力限值，確保連續(xù)剛構(gòu)橋在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中箱梁腹板的整體質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以某連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)仿真模擬分析的方式最終確定線路腹板開(kāi)裂的成因?yàn)樨Q向預(yù)應(yīng)力損失及頂板和底板之間的溫度差，并且結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分析后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范溫度差相對(duì)較低，以此進(jìn)行設(shè)計(jì)的連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)?huì)存在一定的安全隱患，應(yīng)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善，進(jìn)而提高連續(xù)剛構(gòu)橋的整體應(yīng)力限值，保障連續(xù)剛構(gòu)橋在建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中的整體質(zhì)量及使用壽命。

參 考 文 獻(xiàn)

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