喬晉飛

(鐵道第三勘察設(shè)計院，天津 300142)

近年來許多預應(yīng)力混凝土箱梁橋在運營過程中出現(xiàn)了較多的工程病害，嚴重影響了結(jié)構(gòu)安全。病害主要表現(xiàn)在裂縫和撓度兩個方面。引起裂縫的原因是多方面的，從橋梁制造環(huán)節(jié)看，有施工方面的因素，也有設(shè)計方面的因素。本文著重從設(shè)計角度研究裂縫，特別是腹板斜裂縫的成因和控制，提出預應(yīng)力混凝土箱梁在設(shè)計計算及構(gòu)造細節(jié)方面的技術(shù)措施。

1 裂縫分類及成因

按照裂縫產(chǎn)生的外因主要分為荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫和鋼筋銹蝕裂縫。荷載裂縫是指梁體在常規(guī)的動靜載作用下，由于混凝土承受的拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的。其特點是裂縫寬度大、長度長。溫度裂縫是指由于溫度的作用，使混凝土發(fā)生熱脹冷縮的變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。大量研究顯示，溫度應(yīng)力常常很大甚至超過活載產(chǎn)生的應(yīng)力，足以造成混凝土開裂。收縮裂縫是由混凝土不均勻收縮引起的，是一種常見的裂縫。其特點是裂縫寬度較細，縱橫交錯，呈龜裂狀，沒有任何規(guī)律。鋼筋銹蝕裂縫是由于混凝土質(zhì)量差、保護層厚度不足或混凝土開裂等因素，使鋼筋銹蝕，對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹力，導致混凝土保護層開裂剝落。

按照裂縫的力學特性主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭曲裂縫、斷開裂縫和局部應(yīng)力裂縫。彎曲裂縫是由于受彎矩作用產(chǎn)生的，一般是垂直裂縫。剪切裂縫又稱為斜裂縫，發(fā)生在剪應(yīng)力大的位置，主拉應(yīng)力太大是引起此類裂縫的直接原因，所以裂縫與中性軸多呈25°～45°的夾角。扭曲裂縫是構(gòu)件受扭轉(zhuǎn)和彎曲共同作用產(chǎn)生的。斷開裂縫，混凝土構(gòu)件受拉時截面上產(chǎn)生的裂縫為斷開裂縫。局部應(yīng)力裂縫，是由于局部應(yīng)力過大產(chǎn)生的，主要出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位。

按照裂縫發(fā)生的部位主要分為頂?shù)装辶芽p、腹板裂縫和橫隔梁裂縫。頂?shù)装鍣M向裂縫，反映了正截面抗裂能力不足。造成原因主要有:①縱向預應(yīng)力損失過大，實際提供的有效預應(yīng)力不足。有大量資料證明，實測的預應(yīng)力效應(yīng)明顯低于設(shè)計分析期望值。②實際發(fā)生的收縮徐變變形超過理論預測。一方面增大了收縮徐變二次力，另一方面增加了因收縮徐變產(chǎn)生的預應(yīng)力損失。收縮徐變值的大小受收縮徐變終極值及其應(yīng)力歷時影響，也就是說除了對收縮徐變終極值有較為真實的認識外，對構(gòu)件的受力必須有準確的估計，所有的荷載都將影響收縮徐變的大小。③對剪力滯效應(yīng)考慮不夠，截面應(yīng)力峰值超過平均值較多。

頂?shù)装蹇v向裂縫，反應(yīng)了頂板橫向抗裂能力不足。造成原因主要有:①橫向預應(yīng)力損失過大，實際提供的有效預應(yīng)力不足。②橫向預應(yīng)力位置偏差。由于頂板厚度較薄，既要布置橫向預應(yīng)力束，又要布置非預應(yīng)力鋼筋。實際施工中，橫向預應(yīng)力鋼束的“偏心距”較難精確控制，一旦偏心距的實際偏差較大時，極易在頂板下緣出現(xiàn)縱向裂縫。③縱向預應(yīng)力橫向平彎徑向力考慮不足。④順橋向預應(yīng)力過大。在正交向極易產(chǎn)生由泊松比而引起的橫向拉應(yīng)變，甚至沿波紋管的方向產(chǎn)生規(guī)則性的縱向裂縫。管內(nèi)積水銹蝕鋼束，此類裂縫的危害性很大。⑤施工過程中水化熱產(chǎn)生的溫度自應(yīng)力引起的縱向裂縫。

腹板斜裂縫，反映了斜截面抗裂性能不足。腹板主拉應(yīng)力是腹板開裂的主要衡量標準，其計算復雜，影響因素眾多，常規(guī)的平面有限元分析軟件很難準確計算，是導致腹板斜裂縫產(chǎn)生的主要原因。目前主拉應(yīng)力的計算都是基于平面的，平面計算的主拉應(yīng)力值必然小于空間計算的值。T形、I形梁的空間效應(yīng)不太明顯，采用平面計算是能夠滿足結(jié)構(gòu)安全的。但對箱形梁來說，特別是腹板間距較大的寬箱，再用平面的概念解決問題勢必產(chǎn)生過大的誤差。

比較表1中各規(guī)范C50混凝土主拉應(yīng)力限值，各規(guī)范之間差異很大，即使是同一系列的《公路規(guī)范》，在2004版和1985版之間差異達一倍以上。而我國鐵路規(guī)范在兩版之間是相同的，沒有調(diào)整其限值。從規(guī)范的演變看出，公路建設(shè)在過去的十幾年內(nèi)出現(xiàn)的腹板斜裂縫存在普遍性和嚴重性。而鐵路橋梁卻沒有出現(xiàn)大面積開裂的類似情況。反觀其限值，鐵路規(guī)范限值與公路1985版的規(guī)范大致相當，這其中的原因值得深思。與公路箱梁相比鐵路箱梁一般不需要很寬的橋面，腹板之間的距離較小，橫向效應(yīng)對主應(yīng)力計算影響相對較小。箱寬小的箱梁按照平面計算出來的主拉應(yīng)力值相對可靠一些，這是鐵路橋梁開裂現(xiàn)象沒有公路橋梁廣泛和嚴重的主要原因之一，其它原因這里不再詳述。

橫隔梁裂縫，主要是由于支座布置不合理及橫隔梁計算模型中，外荷載考慮不周造成的。

表1 國內(nèi)各種規(guī)范主拉應(yīng)力限值(混凝土等級C50)

2 裂縫對撓度的影響

許多橋梁實例顯示，梁體的下?lián)吓c裂縫開展的程度有密切的關(guān)系，下?lián)献羁斓臅r刻也正是裂縫大量開展和發(fā)生的時刻。梁體裂縫對撓度的影響主要表現(xiàn)在:①增加了幾何變形、降低梁體的剛度，致使下?lián)喜粩嘣黾?②開裂斷面處所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移至該截面所配置的鋼筋，另一部分轉(zhuǎn)移至未開裂梁段，導致梁體內(nèi)力重分布，使未開裂梁段的應(yīng)力增大，促使新的裂縫產(chǎn)生;③交變荷載作用使得裂縫不斷擴展，撓度不斷增加。

3 設(shè)計對策

3.1 結(jié)構(gòu)計算方面

3.1.1 準確模擬實際施工狀態(tài)

計算中應(yīng)模擬出實際結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的不利施工狀態(tài)，例如對懸臂施工的橋梁，應(yīng)該模擬出這種施工狀態(tài):該節(jié)段混凝土澆筑完畢，錨固于該節(jié)段的預應(yīng)力鋼筋尚未張拉，掛籃尚未前移，頂板混凝土無橋面鋪裝受日照正溫差或日照反溫差影響的情況。

3.1.2 荷載組合時應(yīng)區(qū)分運營前后期

運營前期，此時收縮徐變尚未全部完成就與運營荷載組合。運營后期，此時收縮徐變均已全部完成再和運營荷載組合。有時是運營前期控制，以往習慣只計算運營后期，可能會造成漏算。

3.1.3 綜合考慮主應(yīng)力的空間效應(yīng)

規(guī)范中對主應(yīng)力的計算公式都是針對早期設(shè)計的I形梁、T形梁而言的，因為這兩種梁式應(yīng)用平面計算出來的主拉應(yīng)力是可靠的，能夠控制斜裂縫的開展。但是對于箱梁主應(yīng)力計算并沒有明確的公式。對于箱梁，特別是腹板間距較大的箱梁，橫向框架效應(yīng)對主拉應(yīng)力的影響非常顯著。荷載作用下，箱梁腹板內(nèi)外側(cè)豎向正應(yīng)力σy不是均勻分布的。原來按照平面計算時σy還有一定壓應(yīng)力，在考慮橫向效應(yīng)后可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，這就導致腹板內(nèi)外側(cè)主拉應(yīng)力有很大差異?？紤]空間效應(yīng)與平面計算的主拉應(yīng)力，二者的差異主要與腹板之間的距離有關(guān)。其距離越大，差異也越明顯，按照平面計算的值也就越不可靠。鑒于目前的計算手段，采用空間實體單元或板單元模型尚有困難。因此通常做法都是縱向計算采用平面桿系模型，橫向計算則按平面框架考慮。實施的理念是:縱橫分算，綜合考慮。這里特別強調(diào)一下計算時必須綜合考慮。

主應(yīng)力計算時，除綜合考慮橫向框架效應(yīng)的影響外，還必須重視溫度自應(yīng)力對主拉應(yīng)力的影響。主應(yīng)力計算公式中，主應(yīng)力計算點處由荷載產(chǎn)生的沿縱向的正應(yīng)力計算公式應(yīng)為公式最后一項σs為沿截面溫度變化的非線性梯度溫度產(chǎn)生的自約束應(yīng)力。此應(yīng)力用截面內(nèi)力是無法計算出來的，設(shè)計分析容易遺漏，以至于造成主應(yīng)力計算值偏小。

斜腹板箱梁抗剪計算時，應(yīng)采用腹板垂直厚度，而不應(yīng)取腹板水平截線寬度。這點在以往的主應(yīng)力計算中也經(jīng)常被忽視。

3.1.4 預應(yīng)力損失計算參數(shù)應(yīng)取規(guī)范容許值的上限

有大量資料證明預應(yīng)力的有效性實測值，明顯低于設(shè)計分析的期望值。其中一個很重要的原因就是規(guī)范中預應(yīng)力損失計算參數(shù)取值偏低。如管道偏差系數(shù)K，實測值經(jīng)常比規(guī)范值大6倍左右。K值是反映管道線形平順度的，與施工質(zhì)量有很大關(guān)系，存在很大的變數(shù)。美國橋規(guī)中對K的取值比我國規(guī)范要大。鑒于以上原因，設(shè)計計算時預應(yīng)力損失計算參數(shù)均應(yīng)取規(guī)范值的上限。

3.1.5 考慮腹板箍筋雙向受力

對于預應(yīng)力混凝土箱梁，腹板箍筋既要參與縱向抗剪又要承受橫向抗彎。設(shè)計中如果把箍筋100%進行縱向斜截面抗剪計算，強度滿足要求，再把箍筋100%進行橫向框架計算也滿足要求?？此扑序炈愣纪ㄟ^了，實則不然。箍筋不能在參與一個方向受力的同時再100%地在另一個方向發(fā)揮作用。

3.1.6 重視橫隔梁處的受力分析

以往預應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計中往往重視縱向的平面計算和橫向框架計算，對于橫隔梁的分析計算重視程度不夠。高而短的橫隔梁，一般只有兩個支座，且支座離腹板較近，橫隔梁一般不控制設(shè)計。但對于矮而長的橫隔梁，當支座距離腹板較遠，或者個別腹板下面沒對應(yīng)設(shè)置支座時，需要特別注意。這時需要將橫隔梁簡化為工字梁來進行計算。簡化模型的外荷載中不要把腹板傳來的巨大集中剪力漏掉。

3.1.7 局部計算時需要考慮預應(yīng)力徑向力影響

橫向計算以及鋸齒塊或預應(yīng)力鋼束彎曲處局部計算時，不能遺漏預應(yīng)力鋼筋彎曲產(chǎn)生的徑向分力對計算結(jié)果的影響。

3.2 構(gòu)造細節(jié)方面

3.2.1 合理確定箱室構(gòu)造

前面提到由于箱梁的空間效應(yīng)，平面計算的主拉應(yīng)力往往低于箱梁腹板實際產(chǎn)生的主拉應(yīng)力。且二者的差異主要與箱梁腹板之間的距離有關(guān)，箱梁腹板間距越大，按照平面計算的主拉應(yīng)力值就越不可靠。建議預應(yīng)力混凝土箱梁腹板間距不宜太大，當需要較寬的橋面時，可采用單箱多室的箱形截面。梗腋布置在頂?shù)装迮c腹板連接的部位，起均勻過渡力線、增加橫向剛度以抵抗扭轉(zhuǎn)、畸變應(yīng)力。形式上可分為豎承托和橫承托。豎承托對腹板受力有利;橫承托對頂?shù)装迨芰τ欣?。一般而論，受抗剪、主拉?yīng)力控制的宜設(shè)置豎承托;受縱橫向抗彎控制的宜設(shè)置橫承托。對于需要布置豎向預應(yīng)力的箱梁，其梗腋高度不能太小，避免豎向預應(yīng)力錨頭空白區(qū)延伸至腹板，導致靠近翼板加腋處的腹板出現(xiàn)主拉應(yīng)力裂縫。

3.2.2 優(yōu)化鋼束布置

預應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計時不單要重視仿真計算，還必須進行合理的鋼束布置。在許多設(shè)計圖紙中，經(jīng)常會看到鋼束隨意布置的現(xiàn)象。預應(yīng)力鋼束的布置應(yīng)引起高度重視。

頂?shù)装蹇v向預應(yīng)力鋼束錨固位置應(yīng)盡量布置在靠近截面厚實部位附近，鋸齒塊應(yīng)盡量與腹板連成一體或靠近腹板。讓錨固力傳至全截面的區(qū)段盡量短，同時有利于克服剪力滯效應(yīng)。

懸臂施工的變高度箱梁，腹板束下彎錨固角度盡量大一些，分批下彎錨固的腹板束需有前后重疊部分，避免出現(xiàn)沒有預剪力的空白區(qū)。在梁端需要配置向上彎起錨固的鋼束。

縱向預應(yīng)力鋼束平彎時，必須妥善處理平彎與腹板箍筋位置重疊的問題，避免過分削弱腹板抗剪能力。預應(yīng)力鋼束彎曲處，會在彎曲平面內(nèi)產(chǎn)生垂直預應(yīng)力鋼束的徑向分力。在布置縱向預應(yīng)力鋼束時應(yīng)盡量避免這個力對結(jié)構(gòu)局部造成不利影響。

由于橋面板較薄，橫向預應(yīng)力一般采用扁波紋管。在實際工程中常用鋼束根數(shù)為4束或5束。其錨圈口的損失，5束大于4束，且比圓錨時要大，其錨固效率系數(shù)也難保證達到95%。同時在穿束過程中也極易糾纏在一起，建議每管內(nèi)不宜超過4束。扁波紋管的高度不宜太小，太小不利于飽滿灌漿和可靠握裹。

豎向預應(yīng)力鋼筋應(yīng)布置在腹板中心線上。經(jīng)常會看到豎向預應(yīng)力鋼筋沿腹板布置在一條直線上，以利構(gòu)造和施工。但是對于跨徑較大的箱梁，腹板厚度一般會設(shè)計幾個梯度進行變化，且均在腹板內(nèi)側(cè)加厚。因而上述這種構(gòu)造，將會導致在腹板中存在一個預偏心而產(chǎn)生附加彎矩，使腹板內(nèi)外側(cè)豎向正應(yīng)力σy不均勻分布，加劇腹板主拉應(yīng)力裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

3.2.3 支座布置

支座布置不合理及橫隔梁計算模型中外荷載考慮不周是造成橫隔梁裂縫的主要原因。支座應(yīng)盡量靠近箱梁腹板布置。對于單箱雙室的箱梁，橫向應(yīng)設(shè)置三個支座，分別對應(yīng)三道腹板。

3.2.4 其它構(gòu)造措施

頂?shù)装蹇v向預應(yīng)力鋼束不應(yīng)在受拉區(qū)同一斷面上集中錨固，避免出現(xiàn)錨后局部受拉裂縫。與腹板連成一體的齒塊，除在頂?shù)装邋^后設(shè)置抗裂鋼筋外還應(yīng)在腹板設(shè)置錨后抗裂鋼筋。箱梁截面縱向普通鋼筋應(yīng)采用小直徑的 HRB335鋼筋，間距不宜超過10 cm，以利于防止混凝土表面收縮裂縫等非受力裂縫的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

經(jīng)以上分析研究，提出以下主要結(jié)論:

1)設(shè)計時應(yīng)全面考慮各種因素，按照結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)以偏安全的原則編制計算簡圖，進行準確建模仿真計算，不遺漏可能的控制工況。

2)保證預應(yīng)力的有效性對于防止各種裂縫非常關(guān)鍵。設(shè)計計算時應(yīng)選擇準確的預應(yīng)力損失計算參數(shù)，并適當增加預壓應(yīng)力安全儲備。

3)重視預應(yīng)力混凝土箱梁的整體構(gòu)造及細節(jié)處理，采用橫向受力較好的截面形式，盡量減小“空間效應(yīng)”影響。

4)各種預應(yīng)力鋼束，需要綜合分析，合理布置。保證預應(yīng)力荷載傳遞勻順，盡量避免應(yīng)力集中。

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