預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板裂縫影響因素研究

韓宏偉，苗建偉

(山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司 濟(jì)南市 250000)

0 引言

腹板斜裂縫使得箱梁截面強(qiáng)度和剛度削弱，截面鋼筋易于銹蝕，導(dǎo)致橋梁耐久性及承載能力下降，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生較大影響[1]。雖然大量的橋梁工程從業(yè)者對(duì)箱梁橋的腹板產(chǎn)生裂縫進(jìn)行了探究，但是使用階段腹板發(fā)生開(kāi)裂的情況依舊存在，因而要繼續(xù)摸索解決之道。

1 橋梁工程概況

依托某連續(xù)剛構(gòu)橋(75+2×140+75)m，公路-Ⅰ級(jí)。設(shè)計(jì)截面采用單箱單室，跨中處梁高3.2m，橋墩處梁高8.3m，跨中-0號(hào)塊箱梁高度使用1.8次拋物線過(guò)渡，剛構(gòu)橋除布置縱向預(yù)應(yīng)力外，在橫向和豎向也施加了預(yù)應(yīng)力，其橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 箱梁橫斷面圖

2 豎向預(yù)應(yīng)力對(duì)腹板開(kāi)裂的影響

為了方便研究箱梁腹板的受力情況，將腹板簡(jiǎn)化為薄壁結(jié)構(gòu)，采用平面狀態(tài)來(lái)分析箱梁腹板的受力。腹板內(nèi)微小部分的應(yīng)力符合式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：σx、σy、τxy依次代表腹板內(nèi)的縱向應(yīng)力、豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)力；σc、σl分別表示混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度；Qn代表剪切力；Sy代表截面凈距；I代表截面的慣性矩；bw代表腹板厚度。

(4)

(5)

分析得到：箱梁縱向正應(yīng)力滿足規(guī)范，可以通過(guò)兩種方式降低腹板內(nèi)主拉應(yīng)力：合適的豎向預(yù)加力、降低腹板內(nèi)剪切應(yīng)力。

圖2 剛構(gòu)橋模型

使用ANSYS建立橋梁模型如圖2，混凝土使用SOLID45單元，預(yù)應(yīng)力筋使用LINK8單元，鋼筋和混凝土之間進(jìn)行耦合連接。

研究箱梁腹板受力，選取某一施工過(guò)程為例，程序中只考慮結(jié)構(gòu)自身重力和預(yù)應(yīng)力，以三個(gè)節(jié)點(diǎn)(腹板頂部、腹板中點(diǎn)、腹板底部)為例進(jìn)行研究，通過(guò)施加100%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力、60%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力、40%設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力模擬不同豎直方向預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，腹板三個(gè)特殊點(diǎn)的主應(yīng)力，數(shù)據(jù)整理繪制圖3～圖5。

圖3 ①號(hào)位置主應(yīng)力曲線

圖4 ②號(hào)位置主應(yīng)力曲線

圖5 ③號(hào)位置主應(yīng)力曲線

仔細(xì)研究分析圖3～圖5可知：豎向預(yù)應(yīng)力與箱梁腹板內(nèi)的主應(yīng)力是有聯(lián)系的，預(yù)應(yīng)力損失越大，那么主拉應(yīng)力越大，同時(shí)主壓應(yīng)力越小；換而言之，施加適當(dāng)?shù)呢Q向預(yù)加力，能夠減小主拉應(yīng)力，提高相應(yīng)的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

因而橋梁工程師在進(jìn)行箱梁橋設(shè)計(jì)工作時(shí)，要有超前意識(shí)，不僅僅立足于當(dāng)前設(shè)計(jì)，還要考慮后續(xù)漫長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)期，采取一定措施以保證施加預(yù)應(yīng)力的有效性。

(1)改良豎向預(yù)加力的錨固形式，即將常規(guī)的錨具改良為整體錨墊板，除了能夠保證有效的豎向預(yù)加力，還能夠提高整體工作性能，改善傳統(tǒng)錨具之間的受力性能(減小或者使兩根鋼束之間的預(yù)應(yīng)力盲區(qū)消失)。

(2)將傳統(tǒng)的豎向預(yù)應(yīng)力筋改進(jìn)為布置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋，即預(yù)應(yīng)力筋由直線改進(jìn)為U形，這種改變可以提高預(yù)應(yīng)力筋的長(zhǎng)度，對(duì)于保證有效預(yù)應(yīng)力具有很大幫助；預(yù)應(yīng)力鋼束采用U形時(shí)，相應(yīng)的張拉方式也變?yōu)榱藘啥藦埨?，相比一端張拉，兩端張拉可以更能保證灌漿質(zhì)量，更加有效地保證豎向預(yù)加力發(fā)揮應(yīng)有的作用。

(3)調(diào)整常規(guī)的豎直布置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束為傾斜布置(與豎直方向存在一定角度，保證預(yù)應(yīng)力與主拉應(yīng)力處于相同方向)，有一定傾角能夠最大化使用預(yù)加應(yīng)力，同時(shí)能夠減少兩鋼束縱橋向間距，改善鋼束間的預(yù)應(yīng)力盲區(qū)，從而可以減緩腹板開(kāi)裂。

3 腹板下彎鋼束對(duì)腹板開(kāi)裂的影響

為了研究腹板下彎鋼束的作用，選擇了兩個(gè)布筋方案進(jìn)行探究：

(1)橋墩左右四分之一跨徑內(nèi)設(shè)計(jì)腹板下彎鋼束，箱梁腹板沿縱橋向按照0.5m的間距設(shè)置豎向鋼束。

(2)橋墩左右四分之一跨徑內(nèi)不設(shè)計(jì)腹板下彎鋼束，將腹板下彎束等效成同樣數(shù)量的頂板束，箱梁腹板沿縱橋向按照0.5m的間距設(shè)置豎向鋼束。

使用邁達(dá)斯建立橋梁模型如圖6，橋梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐謪⒖际┕ち憾魏驼鎸?shí)截面變化情況，總計(jì)177個(gè)單元、201個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖6 連續(xù)剛構(gòu)橋模型

通過(guò)所建模型求解分析，可得到剛構(gòu)橋各梁段截面正常使用極限狀態(tài)下腹板中心的主拉應(yīng)力，本橋?yàn)樗目鐚?duì)稱結(jié)構(gòu)，因此選擇左半部分(0～215m)腹板中心處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出其主拉應(yīng)力曲線見(jiàn)圖7。

圖7 連續(xù)剛構(gòu)左半部分腹板中心主拉應(yīng)力曲線

通過(guò)圖7可得：當(dāng)沒(méi)有設(shè)置腹板下彎束的時(shí)候橋墩兩側(cè)四分之一跨徑內(nèi)主拉應(yīng)力普遍顯著升高，腹板下彎束在很大程度上能夠影響主拉應(yīng)力。因此進(jìn)行箱梁橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在腹板內(nèi)既設(shè)置豎向鋼束又設(shè)置腹板下彎束，協(xié)同工作從而保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中箱梁腹板內(nèi)的有效預(yù)應(yīng)力，抑制裂縫的產(chǎn)生。

4 腹板厚度對(duì)腹板開(kāi)裂的影響

為了提高箱梁橋的跨越能力，橋梁設(shè)計(jì)中通常通過(guò)把腹板變薄從而降低自重。但是，不容忽視的是腹板厚度對(duì)于改善箱梁腹板應(yīng)力貢獻(xiàn)顯著，本節(jié)對(duì)此進(jìn)行探究，腹板厚度樣式見(jiàn)表1。

表1 箱梁腹板厚度樣式

采用第3節(jié)模型，保持其他條件相同，只按照表1的形式改變腹板厚度，同樣選擇左半部分(0～215m)腹板中心處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出承載能力極限狀態(tài)主拉應(yīng)力曲線見(jiàn)圖8。

圖8 連續(xù)剛構(gòu)左半部分腹板中心主應(yīng)力曲線

通過(guò)圖8可得：這四種腹板類型中，類型D主拉應(yīng)力最大，這種類型控制腹板開(kāi)裂最差；腹板厚度形式不同，主拉應(yīng)力曲線也相應(yīng)的有所差別，受其影響最明顯的是30～125m和175～215m兩個(gè)段落；橋墩左右兩側(cè)腹板的主拉應(yīng)力最大，自墩頂位置向跨中截面呈漸漸減小趨勢(shì)。因此橋梁設(shè)計(jì)工作中，腹板的厚度在橋墩左右兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)大些，靠近跨中的一定區(qū)域內(nèi)腹板厚度宜適當(dāng)?shù)谋∫恍?，二者中間區(qū)域的厚度變化應(yīng)緩和過(guò)渡。

5 結(jié)論

(1)豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大導(dǎo)致鋼束未能發(fā)揮預(yù)期作用，箱梁設(shè)計(jì)時(shí)可以將豎向鋼束傾斜布置、環(huán)向布置或者使用整體錨墊板等措施改進(jìn)，保證有效預(yù)應(yīng)力。

(2)橋墩左右四分之一橋跨內(nèi)設(shè)置腹板下彎束能夠降低本范圍的腹板主拉應(yīng)力；同時(shí)橋梁運(yùn)營(yíng)中豎向預(yù)應(yīng)力的損失導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不足，腹板下彎束對(duì)于提高應(yīng)力儲(chǔ)備、降低腹板開(kāi)裂的貢獻(xiàn)作用就更加凸顯。

(3)橋墩左右兩側(cè)腹板的主拉應(yīng)力最大，自墩頂位置向跨中截面呈漸漸減小趨勢(shì)。因此橋梁設(shè)計(jì)工作中，腹板的厚度在橋墩左右兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)大些，靠近跨中的一定區(qū)域內(nèi)腹板厚度宜適當(dāng)?shù)乇∫恍?，二者中間區(qū)域的厚度變化應(yīng)緩和過(guò)渡。