預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板開裂參數(shù)影響分析

劉昀

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410132)

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋通常采用箱形截面，因其截面剛度大，整體性和連續(xù)性好，施工方便，設(shè)計理論和施工工藝也較為成熟。

箱梁橋運營一段時間后，設(shè)計和施工中的問題逐步顯現(xiàn)，最典型的就是在腹板、頂板、底板、齒板以及橫隔板等部位都易出現(xiàn)不同程度的裂縫。這些裂縫的存在，對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用產(chǎn)生了十分不利的影響：破壞了結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算假定條件，減小了混凝土有效截面面積，降低了安全度甚至破壞橋梁結(jié)構(gòu)；鋼筋失去了混凝土的保護，銹蝕速度加快，橋梁耐久性下降；降低箱梁的抗彎和抗剪剛度，導(dǎo)致開裂部位幾何變形加大，從而引起主梁跨中下?lián)?。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫的存在輕則縮短橋梁使用年限，重則影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。因此，探明預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫產(chǎn)生機理及形成規(guī)律、改進完善設(shè)計施工措施、了解箱梁開裂后的使用性能已成為橋梁界急需解決的問題。

混凝土箱梁橋裂縫主要有兩大類：結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫是指結(jié)構(gòu)承受荷載時產(chǎn)生的裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫一般是由混凝土材料組成、澆筑方法、養(yǎng)護條件和使用環(huán)境等多種因素影響而形成，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的橋梁裂縫等。對于非結(jié)構(gòu)性裂縫，一般通過設(shè)計和施工中的構(gòu)造措施和施工工藝來加以預(yù)防和減輕，而結(jié)構(gòu)性裂縫，則要分析其成因、性質(zhì)和對安全性、耐久性的影響，并采取預(yù)防措施。

箱梁腹板的斜裂縫是一種典型的結(jié)構(gòu)性裂縫，其構(gòu)造方面的原因通常認(rèn)為有：① 邊中跨比偏大，支座處的剪切變形太大，腹板抗剪能力過低，故墩支點處易產(chǎn)生腹板裂縫；② 箱梁豎向預(yù)應(yīng)力筋一般都比較短且預(yù)應(yīng)力損失較大，故邊跨腹板易產(chǎn)生斜裂縫；③ 腹板普通鋼筋網(wǎng)間距過大，抗裂性能不足導(dǎo)致斜裂縫。

以上因素對箱梁開裂的影響程度如何，有何防治措施？該文以某90 m跨徑的箱梁橋為例，進行箱梁腹板斜截面開裂參數(shù)影響分析。

1 工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱橋，跨徑布置為：(60.5+90+60.5)m。該橋為單箱單室截面(圖1)，支點梁高和跨中梁高分別為4.8、2.3 m，頂板寬12.8 m、厚28 cm，腹板厚45 cm，底板寬6.8 m，底板邊支點厚30 cm，中支點厚60 cm。

圖1 箱梁截面尺寸(單位：cm)

通過現(xiàn)場檢測及踏勘，橋梁總體技術(shù)狀況被評定為四類橋，需要進行大修。

2 橋梁開裂參數(shù)影響分析

采用有限元軟件Midas/Civil對該橋建立全橋模型。主橋模型共80個單元，103個節(jié)點。其中邊跨現(xiàn)澆段單元長度為0.44 m，邊跨合龍段單元長度為0.15 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度分別為3.00、3.50 m，墩頂現(xiàn)澆段根據(jù)實際情況分別采用了2.00、1.50 m兩種單元長度，中跨合龍段長度為1.00 m。結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型

該文著重分析不同豎向預(yù)應(yīng)力作用下梁截面的主拉應(yīng)力變化規(guī)律，不同箱梁腹板厚度時梁截面上下緣正應(yīng)力、主應(yīng)力和箱梁抗剪承載力的變化規(guī)律。

2.1 斜截面抗裂性參數(shù)分析

2.1.1 豎向預(yù)應(yīng)力損失影響

為突出箱梁橋豎向預(yù)應(yīng)力損失對橋梁主應(yīng)力分布的影響，該文將運營10年后豎向預(yù)應(yīng)力損失100%的情況作為對比工況，分析不同豎向預(yù)應(yīng)力損失下主梁主應(yīng)力變化規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3 運營10年后不同豎向預(yù)應(yīng)力損失下主梁主應(yīng)力對比

從圖3可以看出：該橋運營10年后，豎向預(yù)應(yīng)力損失100%后會在左、右邊跨分別產(chǎn)生約2.10、1.92 MPa的主拉應(yīng)力，在兩個橋墩頂支座處的主拉應(yīng)力也分別達到1.26、1.21 MPa。

不同豎向預(yù)應(yīng)力損失后主梁主應(yīng)力在最不利作用組合(恒載+汽車荷載+整體降溫)下的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 最不利組合作用下不同豎向預(yù)應(yīng)力損失梁截面主應(yīng)力

從圖4可以看出：豎向預(yù)應(yīng)力損失100%后會在左、右邊跨分別產(chǎn)生約2.38、2.28 MPa的拉應(yīng)力，在兩個橋墩頂支座處的拉應(yīng)力也分別達到1.83、1.91 MPa。相比原設(shè)計狀態(tài)，沒有了豎向預(yù)應(yīng)力的作用，邊跨主梁主拉應(yīng)力的壓應(yīng)力會減少1.99～6.27 MPa，中跨主梁主拉應(yīng)力的壓應(yīng)力減少0.29～4.43 MPa。

以上結(jié)果說明：豎向預(yù)應(yīng)力對主梁的主拉應(yīng)力影響顯著。在實際施工中，豎向預(yù)應(yīng)力不張拉或張拉不到位、無壓漿或壓漿不飽滿等情況常有發(fā)生，加上箱梁本身高度有限，極易受到施工質(zhì)量的影響而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失過大。豎向預(yù)應(yīng)力筋損失增加時，梁截面的主拉應(yīng)力的壓應(yīng)力儲備不斷變小，甚至出現(xiàn)主拉應(yīng)力。

2.1.2 箱梁腹板厚度影響

(1)運營10年后不同腹板厚度梁截面上、下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力變化規(guī)律

在其他條件不變的情況下，運營10年后不同腹板厚度梁截面上、下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力變化規(guī)律如圖5～7所示。

圖5顯示：3條主梁上緣正應(yīng)力曲線在大部分區(qū)域比較接近，在邊跨1/4附近的影響稍大，墩頂和跨中壓應(yīng)力儲備最小的區(qū)域影響約為0.45 MPa，原設(shè)計(腹板厚45 cm)全橋主梁截面上緣也沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此，腹板厚度的改變對主梁截面上緣正應(yīng)力的影響不大。

圖6顯示的規(guī)律和圖5相似，3條主梁下緣正應(yīng)力曲線依然非常接近，腹板厚度的改變對主梁截面下緣正應(yīng)力的影響也不大。

圖5 運營10年后不同腹板厚度主梁截面上緣正應(yīng)力

圖6 運營10年后不同腹板厚度主梁截面下緣正應(yīng)力

圖7顯示：兩個橋墩墩頂上方的主梁主應(yīng)力為65 cm厚腹板主梁的最大主應(yīng)力(1.26 MPa)比45 cm厚腹板的最大主應(yīng)力(1.04 MPa)減小了約0.2 MPa，說明腹板厚度的適當(dāng)增加能有效減小主梁截面的主應(yīng)力。

圖7 運營10年后不同腹板厚度主梁截面主應(yīng)力

(2)最不利組合作用下不同腹板厚度梁截面上下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力變化規(guī)律

經(jīng)過對各作用效應(yīng)組合對比分析，該文選取恒載+汽車荷載+整體降溫的結(jié)果作為最不利組合，運營10年后不同腹板厚度梁截面上、下緣正應(yīng)力及主應(yīng)力變化規(guī)律如圖8～10所示。

結(jié)合圖8的計算數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，3條曲線在大部分區(qū)域依然比較接近，但在兩個墩頂上方位置的主梁在最不利組合作用下3種腹板厚度時均出現(xiàn)了拉應(yīng)力。不過隨著腹板厚度的增加，拉應(yīng)力由2.23 MPa減小到0.49 MPa。因此，腹板厚度的增加能明顯減小主梁截面上緣在最不利效應(yīng)組合作用下的正應(yīng)力。

圖8 最不利組合作用下不同腹板厚度的梁截面上緣正應(yīng)力

圖9中的3條曲線非常接近，因此腹板厚度的增加對主梁截面下緣在最不利效應(yīng)組合作用下的正應(yīng)力影響不大。

圖9 最不利組合作用下不同腹板厚度的梁截面下緣正應(yīng)力

圖10中的腹板增至65 cm厚時主梁主應(yīng)力曲線相比腹板薄的明顯偏小，尤其在橋墩墩頂朝跨中側(cè)區(qū)域影響最明顯。因此，腹板厚度增加時梁截面的主拉應(yīng)力減小明顯。

圖10 最不利組合作用下不同腹板厚度的梁截面主應(yīng)力

綜合以上結(jié)論，過大的豎向預(yù)應(yīng)力損失和偏薄的腹板厚度都可能使箱梁出現(xiàn)腹板斜裂縫，在設(shè)計和施工中適當(dāng)加大腹板厚度、采取有效措施減小豎向預(yù)應(yīng)力損失是避免出現(xiàn)此類裂縫的有效措施。

2.2 斜截面抗剪承載力參數(shù)分析

為分析箱梁抗剪承載力受腹板厚度的影響，該文選取以下4種荷載組合，9個控制位置(圖11)，分別加大腹板厚度進行分析。

圖11 抗剪承載力控制位置

組合Ⅰ：恒荷載(1.0)+鋼束一次張拉(1.0)+鋼束二次張拉(1.0)+汽車荷載(1.4)。

組合Ⅱ：恒荷載(1.2)+鋼束二次張拉(1.2)+徐變二次(1.0)+收縮二次(1.0)+汽車荷載(1.4)+整體升溫(1.12)。

組合Ⅲ：恒荷載(1.2)+鋼束二次張拉(1.2)+徐變二次(1.0)+收縮二次(1.0)+汽車荷載(1.4)+整體降溫(1.12)。

組合Ⅳ：恒荷載(1.0)+鋼束二次張拉(1.0)+徐變二次(1.0)+收縮二次(1.0)+汽車荷載(1.4)+整體升溫(1.12)。

不同腹板厚度對主梁截面抗剪承載力對比結(jié)果見圖12。

圖12 不同腹板厚度主梁抗剪承載力

由圖11可知：

(1)原設(shè)計采用的腹板厚度為45 cm，此設(shè)計狀態(tài)下兩邊跨支點附近、中跨跨中附近抗剪承載力滿足要求，但左、右邊跨跨中和中跨支座附近抗剪承載力不滿足要求，需要進行加固。

(2)當(dāng)腹板厚度由45 cm增加到55 cm時，抗剪承載能力增加了約4%；當(dāng)腹板厚度由55 cm增加到65 cm時，抗剪承載能力增加了約5%。說明隨著腹板厚度的增加，梁截面的抗剪承載能力在提高，但增加幅度不大。

(3)隨著腹板厚度的增加，梁截面在荷載組合作用下，除跨中外(跨中剪力減少了8%)剪力增加了3%～5%。

3 結(jié)論

結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱橋的受力狀態(tài)和裂縫成因參數(shù)研究，分析了豎向預(yù)應(yīng)力損失和不同腹板厚度對斜截面抗裂性和斜截面承載能力的影響，得到如下結(jié)論：

(1)由斜截面抗裂性驗算可知，連續(xù)箱梁邊墩支點附近的邊跨現(xiàn)澆梁段的主拉應(yīng)力值較大(屬于斜裂縫危險區(qū)域)，同時這些位置截面梁高又較小，施工和運營階段豎向預(yù)應(yīng)力損失過大會導(dǎo)致這些區(qū)域出現(xiàn)腹板斜裂縫。

(2)腹板厚度對截面主拉應(yīng)力的影響較小，而對斜截面抗剪承載力的相對影響較大。

(3)斜截面抗剪承載力驗算表明該橋箱梁支點附近梁段腹板厚度較薄，從而導(dǎo)致斜截面抗剪承載能力不足。

(4)豎向預(yù)應(yīng)力能夠提供較大的豎向壓應(yīng)力儲備，從而改善腹板主拉應(yīng)力。但是豎向預(yù)應(yīng)力損失過大會加速腹板斜裂縫的出現(xiàn)。施工時可采取二次張拉或補張拉的措施進行彌補。