大跨徑寬箱連續(xù)剛構(gòu)橋空間效應(yīng)分析

杜永超

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110166）

0 引言

伴隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展和基建能力的不斷提升，大跨徑橋梁的建設(shè)逐漸增多，尤其是我國西南地區(qū)，崇山峻嶺、地形復(fù)雜，大跨徑橋梁成為山區(qū)橋梁建設(shè)的重要橋型[1]。

連續(xù)剛構(gòu)橋的適用范圍在80～300 m 之間，符合我國橋梁設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則，不僅能夠適用于平原，也能夠適用于山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境，在國內(nèi)橋梁建設(shè)中得到廣泛推廣。連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)合了T 形剛構(gòu)橋和連續(xù)梁的優(yōu)點(diǎn)，橋梁整體性強(qiáng)[2]。連續(xù)剛構(gòu)橋的車輛行駛較為平穩(wěn)舒適，橋墩具有一定的柔度，能夠形成穩(wěn)定的擺動(dòng)支撐體系[3]。連續(xù)剛構(gòu)橋主要采用從墩頂向兩端對(duì)稱平衡、逐節(jié)段施工的方法，并先進(jìn)行邊跨合龍?jiān)龠M(jìn)行中跨合龍，從而可以將跨中正彎矩轉(zhuǎn)化為支點(diǎn)負(fù)彎矩，方便變截面的設(shè)計(jì)，在節(jié)省了建設(shè)材料的同時(shí)，又提升了橋梁穩(wěn)定、安全等性能，使橋梁的跨越能力得到大大提高[4]。

1 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋病害及應(yīng)對(duì)措施

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋較為容易出現(xiàn)的病害一般可以分為兩種：一種是跨中過度下?lián)?，一種是箱梁開裂。

1.1 跨中過度下?lián)显蚍治?/h3>

跨中過度下?lián)铣霈F(xiàn)的原因包括：一是連續(xù)剛構(gòu)橋采用強(qiáng)度較高的混凝土薄壁箱型主梁，雖然可以減輕箱梁自身重量，但混凝土的徐變受混凝土加載齡期的影響較大，徐變系數(shù)與加載齡期變化呈相反趨勢(shì)，混凝土加載齡期時(shí)間越短，徐變相應(yīng)的也會(huì)越大[5]。為了盡量縮短橋梁建設(shè)的工期，混凝土未達(dá)到齡期要求便開始進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，因而使加載齡期變短，而徐變系數(shù)相應(yīng)變大，主梁下?lián)现翟龃?。施工過程中出現(xiàn)的橋面線形問題可以通過設(shè)置預(yù)拱度方法進(jìn)行修正，但對(duì)跨中過度下?lián)蠁栴}卻不能有效控制。大跨徑梁橋箱形截面的輕薄化、混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提升、混凝土加載齡期減少等多項(xiàng)因素的疊加，使徐變效應(yīng)越來越大。二是徐變變形與預(yù)應(yīng)力度的變化呈相反趨勢(shì)，由此可見，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁的預(yù)應(yīng)力度如果較小，徐變變形會(huì)相應(yīng)較大，從而導(dǎo)致主梁下擾變形增大。從已有的連續(xù)剛構(gòu)橋調(diào)查發(fā)現(xiàn)，孔道的壓降存在不飽和情況，導(dǎo)致孔道內(nèi)存在著一定的孔隙，甚至出現(xiàn)了漿體分離的現(xiàn)象，如此孔道內(nèi)的預(yù)應(yīng)力束會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，使有效預(yù)應(yīng)力逐漸減小，不僅僅導(dǎo)致梁體出現(xiàn)下?lián)锨闆r，還會(huì)導(dǎo)致受彎豎向裂縫，使抗主拉應(yīng)力的能力降低。三是未考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，伴隨時(shí)間不斷推移，橋梁構(gòu)件的剛度會(huì)逐漸減小，撓度慢慢變大，出現(xiàn)此種情況的原因是徐變?cè)谑軌簠^(qū)混凝土上逐漸顯現(xiàn)，鋼筋與混凝土的黏結(jié)作用在受拉區(qū)裂縫處逐漸失效，鋼筋的平均應(yīng)變變大，混凝土的收縮情況在受壓區(qū)和受拉區(qū)出現(xiàn)了不同步，混凝土的彈性模量逐漸減小。四是跨中下?lián)线^大會(huì)讓結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂，結(jié)構(gòu)開裂又會(huì)加大下?lián)?，形成惡性循環(huán)。

1.2 箱梁裂縫原因分析

箱梁裂縫出現(xiàn)的原因包括如下幾種：一是預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置不當(dāng)導(dǎo)致出現(xiàn)斜裂縫；二是孔跨布置不當(dāng)。若中邊跨比值過大，邊跨的支點(diǎn)位置會(huì)出現(xiàn)上拉力，邊跨與薄壁墩之間受力變得不平衡，主墩的受力容易出現(xiàn)不均衡情況；中邊跨比過小時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)不同跨的剛度會(huì)有較大的區(qū)別，箱梁頂板、底板、腹板都有結(jié)構(gòu)性裂縫出現(xiàn)的可能。三是界面尺寸的大小。箱梁高度尺寸不足時(shí)，結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力能夠相應(yīng)降低，但同時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度有所降低，構(gòu)件截面的承重下降。同時(shí)會(huì)使預(yù)應(yīng)力的作用減小，主拉應(yīng)力在箱梁腹板位置出現(xiàn)損壞。腹板厚度的大小影響箱梁腹板主拉應(yīng)力的大小，忽略箱梁橫向受力，會(huì)使腹板出現(xiàn)斜向開裂的情況。頂板和底板的厚度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，各種形式的裂縫會(huì)出現(xiàn)在頂板和底板上，頂板出現(xiàn)縱向裂縫的原因之一就是發(fā)生超載情況。四是溫度梯度。日光的照射下，橋面板、腹板側(cè)面的溫度會(huì)大幅度高于其他不受太陽直射的構(gòu)件，從而使箱內(nèi)和箱外的出現(xiàn)較大的溫差，由于箱梁自身約束的作用，部分位置的拉應(yīng)力較大，導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。五是剪力滯效應(yīng)。由于剪力滯效應(yīng)的發(fā)生，縱向翹曲位移會(huì)在箱梁上出現(xiàn)，縱向位移差會(huì)在上翼緣板、底板中央和腹板交匯處產(chǎn)生，導(dǎo)致箱梁各部位出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻，當(dāng)箱梁寬跨比、寬高比較大時(shí)，頂板的縱向受力會(huì)不均勻分布，導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。六是箱梁畸變。如果箱壁的長(zhǎng)寬高較小，同時(shí)橫隔板較薄時(shí)，會(huì)出現(xiàn)箱梁的橫向應(yīng)力超過撓曲應(yīng)力的情況，裂縫在箱形截面的頂板、腹板和底板均有出現(xiàn)的可能，常見的箱梁裂縫如表1 所示。

1.3 病害應(yīng)對(duì)措施

基于上述大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋存在的病害情況以及病害原因，應(yīng)對(duì)病害的措施主要包括：一是優(yōu)化縱向預(yù)應(yīng)力束的布置，跨內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力束下彎到箱梁截面中心附近，從而改善腹板的主拉應(yīng)力；二是改善豎向預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)，減小預(yù)應(yīng)力的損失；三是優(yōu)化預(yù)應(yīng)力張拉順序及時(shí)間，縱向預(yù)應(yīng)力采取混凝土齡期與強(qiáng)度同時(shí)控制的方式來避免混凝土后期出現(xiàn)收縮徐變過大的情況。

2 不同跨徑寬箱橋梁的剪力滯效應(yīng)分析

2.1 剪力滯效應(yīng)

箱梁空間效應(yīng)的一個(gè)重要表現(xiàn)內(nèi)容便是箱梁的剪力滯效應(yīng)，如果箱梁出現(xiàn)了縱向彎曲情況，彎曲正應(yīng)力會(huì)從翼緣一側(cè)通過腹板傳遞到另一側(cè)，在腹板與翼緣板的相交位置，腹板所傳遞的剪力流達(dá)到最大值，剪力流在向翼緣板傳遞的過程中，上、下板均會(huì)發(fā)生一定程度的變形，導(dǎo)致向板內(nèi)傳遞的力不斷減小，從而使彎曲正應(yīng)力的橫向分布沿著翼緣板呈現(xiàn)曲線形狀，當(dāng)靠近腹板處的翼緣板中的縱向應(yīng)力小于正應(yīng)力時(shí)，即為負(fù)剪力滯效應(yīng)，反之則為正剪力滯效應(yīng)。為了方便描述箱梁剪力滯效應(yīng)的影響效果，引入了箱梁剪力滯效應(yīng)系數(shù)為箱梁截面上下板各位置的應(yīng)力與箱梁截面上下板的應(yīng)力平均值的比值。

2.2 不同跨徑寬箱橋梁的模型構(gòu)建

該文以我國西南地區(qū)某特大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的物理特性為基礎(chǔ)，利用有限元分析軟件Midas 對(duì)不同箱寬狀況下橋梁受到三維預(yù)應(yīng)力時(shí)的空間效應(yīng)進(jìn)行分析，大橋的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)；單幅橋?qū)?8 m，全橋?qū)挾?×18 m；設(shè)計(jì)車速為100 km/h。大橋采用雙幅布置，間距9 m，橋梁以單箱單室箱形截面構(gòu)成箱梁結(jié)構(gòu)，頂板尺寸寬18 m，底板尺寸寬9 m。箱梁采用C60 混凝土，主墩采用C50 混凝土。

隨著箱梁寬度的越來越大，箱梁的空間效應(yīng)也會(huì)更加凸顯，箱梁的剪力滯效應(yīng)隨之會(huì)更加的顯著，依托大橋的基礎(chǔ)物理特性，將單箱箱寬增加至22 m，通過模擬兩種箱寬下的空間效應(yīng)，分析研究不同箱寬下剪力滯效應(yīng)的變化規(guī)律，兩種箱梁的截面如圖1 所示。

圖1 A、B 橋箱梁截面圖（m）

2.3 模型剪力滯系數(shù)模擬結(jié)果分析

連續(xù)剛構(gòu)橋制作采用剛性約束，主墩墩底截面施加x、y、z三個(gè)方向的約束，兩邊跨懸臂端施加y、z兩個(gè)方向約束，成橋階段A、B 梁橋剪力滯效應(yīng)沿橋梁方向頂板腹板中心對(duì)齊點(diǎn)、底板腹板中心對(duì)齊點(diǎn)、頂板中心點(diǎn)和底板中心點(diǎn)的剪力滯系數(shù)分布圖如圖2～3 所示。

圖2 A、B 橋頂板、底板腹板中心對(duì)齊點(diǎn)剪力滯系數(shù)沿程分布圖

圖3 A、B 橋頂板中心點(diǎn)剪力滯系數(shù)沿程分布圖

可以看出，箱梁頂板剪力滯效應(yīng)在薄壁墩以外為正，在薄壁墩之間為負(fù)。正剪力滯效應(yīng)距離主墩越遠(yuǎn)，效應(yīng)越明顯，表明箱梁的寬高比對(duì)箱梁剪力滯效應(yīng)有一定的影響，當(dāng)截面的高度增加時(shí)，剪力滯效應(yīng)反而減小。頂板剪力滯效應(yīng)較為明顯，A 橋的頂板正剪力滯效應(yīng)系數(shù)范圍在1.3～1.7，負(fù)剪力滯效應(yīng)系數(shù)較小，僅在薄壁墩附近顯現(xiàn)，且剪力滯系數(shù)在1.15 左右。B 橋頂板正剪力滯效應(yīng)系數(shù)范圍在1.2～1.6，負(fù)剪力滯效應(yīng)在薄壁墩附件顯現(xiàn)且系數(shù)較小，表明此處頂板受力較為均勻。底板剪力滯效應(yīng)較為不明顯，薄壁墩兩側(cè)為正剪力滯效應(yīng)，其余部位為負(fù)剪力滯效應(yīng)。位于20 m 箱梁節(jié)段處的底板正負(fù)剪力滯效應(yīng)有明顯的轉(zhuǎn)換，表明此處底板的受力變化較大。箱梁剪力滯效應(yīng)在頂板的作用與底板相比較明顯，剪力滯效應(yīng)隨著箱梁寬度的增加，剪力滯效應(yīng)越來越明顯。A 橋剪力滯效應(yīng)系數(shù)在1.45 上下浮動(dòng)，而B 橋的剪力滯效應(yīng)在1.35 上下浮動(dòng)，兩橋剪力滯效應(yīng)平均值相差在0.1 左右，剪力滯效應(yīng)增加比例為7.4%，表明箱梁寬度對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)具有較大的影響。

3 結(jié)語

大跨徑箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋容易出現(xiàn)跨中過度下?lián)虾拖淞洪_裂的情況，在橋梁設(shè)計(jì)之初，對(duì)橋梁的空間效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，以改善后期使用過程中橋梁構(gòu)件可能出現(xiàn)的病害。該文以我國西南地區(qū)某特大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的物理特性為基礎(chǔ)，利用有限元分析軟件Midas 對(duì)不同箱寬狀況下橋梁受到三維預(yù)應(yīng)力時(shí)的空間效應(yīng)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）箱梁的剪力滯效應(yīng)隨著箱梁寬度的增加，剪力滯效應(yīng)越來越明顯，箱梁的寬度對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋構(gòu)件的剪力滯效應(yīng)具有較大的影響。

（2）成橋階段箱梁剪力滯效應(yīng)在頂板的表現(xiàn)與底板相比較明顯，箱梁頂板剪力滯效應(yīng)在薄壁墩之間為負(fù)剪力滯，在其他位置為正剪力滯。底板剪力滯效應(yīng)較為不明顯，薄壁墩兩側(cè)為正剪力滯效應(yīng)，其余部位為負(fù)剪力滯效應(yīng)。