黎抒婕

【摘要】大跨徑P.C變截面箱梁橋在市政工程中應用廣泛、從實際工程中發(fā)現(xiàn)不少變截面箱梁在施工及運營過程中出現(xiàn)各種裂縫并出現(xiàn)主跨下?lián)系默F(xiàn)象，本文從裂縫成因方面分析，結合數(shù)座P.C變截面箱梁橋的實踐數(shù)據(jù)、有限元精細化分析的數(shù)據(jù)，對該類型橋梁設計要點及配筋設計進行歸納與總結。

【關鍵詞】裂縫成因及控制；主跨下?lián)?；剪力滯效應；精細化分析與配筋設計

P.C變截面連續(xù)箱梁是市政工程中普遍應用的一種梁型，適用于大跨徑橋梁，主跨跨徑多在50m～100m，目前國內建成的變截面橋梁最大跨徑已達到165m。自上世紀70年代以來，在實際工程中發(fā)現(xiàn)不少變截面箱梁在施工過程或使用階段發(fā)生腹板混凝土斜向開裂的情況，有的相當嚴重，對橋梁結構的耐久性及運營的安全性都構成了威脅。

從大量相關文獻資料顯示，大跨徑混凝土箱梁橋的主要病害為箱梁開裂和跨中長期下?lián)?，主梁開裂與長期下?lián)舷嗷ビ绊??；炷灵_裂引起主梁剛度減弱，導致主跨下?lián)?；同樣主梁下?lián)线M一步加劇箱梁開裂，形成惡性循環(huán)。對于薄壁箱梁橋，箱梁懸臂與腹板交接處的剪力滯效應明顯，設計時若忽略此效應，就會低估該處的撓度與應力，導致橋梁失穩(wěn)或局部破壞[2]。

結合P.C變截面連續(xù)箱梁的結構特點，本文針對設計中兩方面的內容進行深入探討：第一，如何有效的控制裂縫與箱梁下?lián)?；第二對該類型箱梁的設計要點進行總結。

1、 P.C變截面箱梁常見裂縫形態(tài)、分布及控制

1.1腹板斜裂縫成因及控制

腹板斜裂縫主要分布在距離支座1/4跨徑的梁體，裂縫方向呈45°分布，并逐漸向受壓區(qū)發(fā)展。腹板斜裂縫形成原因較復雜，主要成因是①支座附近剪應力較大，巨大的支座反力主要依靠腹板傳遞，此處是預應力鋼筋集中錨固區(qū)域，局部高應力所引起的局部徐變也比較大；②端部腹板沒有配彎起束或者彎起束配置不足導致主拉應力較大；③腹板設計厚度偏小，抗剪能力不足；④箱梁外側腹板受超重車輛的影響，腹板內側產(chǎn)生的拉應力相對較大，加上兩外側腹板受外界環(huán)境的影響較大，溫度變化梯度大于內側腹板，造成外側腹板的內側裂縫數(shù)量較多。

從設計方面來說，要控制住腹板裂縫，需要嚴格控制腹板的主拉應力，將計算主拉應力控制在1Mpa以內，這要從腹板厚度和預應力束兩方面予以保證。對于抗剪預應力筋，通常有配置豎向預應力筋和配置彎起筋這兩種方法。實際工程表明，由于豎向預應力筋長度短，張拉延伸量小，施工中因各種因素導致預應力損失較大，或完全失效，近年來一些僅配置豎向預應力筋的橋梁普遍出現(xiàn)斜裂縫。理論和實踐表明彎起的縱向預應力鋼筋能更好的抵抗主拉應力。因此，通常設計采用以彎起的縱向預應力為主的配筋方式，不夠時加配豎向預應力筋，根據(jù)橋規(guī)在計算豎向預應力筋時其效應應打6折，同時對其施工應提出二次張拉的工藝要求。為防止縱向預應力筋平彎時產(chǎn)生的徑向力引起腹板外側砼開裂，在縱向預應力筋平彎段需設置防崩鋼筋。

1.2頂?shù)装蹇v向裂縫、斜裂縫成因及控制

縱向裂縫與橋梁軸線方向平行，多出現(xiàn)在箱梁頂?shù)装濉Ｏ淞喉數(shù)装蹇v向裂縫主要是由于箱梁橋畸變和橫向彎曲產(chǎn)生的。在活載作用下，若頂板橫向彎矩過大，在沒有布置橫向預應力鋼束的情況下，很容易引起頂板的縱向裂縫。在P.C變截面箱梁中，底板曲線預應力產(chǎn)生的徑向力、底板自重作用會在底板產(chǎn)生橫向拉應力，且底板通常不設置橫向預應力鋼束，所以在各種效應組合下會引起底板縱向裂縫。

頂?shù)装逍绷芽p是由于箱梁截面在整體荷載作用下彎、剪、扭產(chǎn)生的正應力、剪應力組合形成的主拉應力超過了混凝土的抗拉強度，引起開裂。這種裂縫往往穿透整個頂?shù)装宓陌搴瘛?/p>

為了有效防止箱梁頂板開裂，在結構計算和構造方面需予以保證。計算時，除了按橋規(guī)計算車輛荷載引起的橫向內力外，需重視溫差效應，溫度效應引起的橫向內力值，往往大于車輛荷載引起的相應值。在高溫作用下，箱梁頂板表面將會向上拱曲，同時箱梁頂板將受到腹板的嵌固約束，頂板整個下緣均受拉，在頂板下緣接近腹板的地方出現(xiàn)沿縱向的通縫。構造方面，頂板有足夠的厚度，頂板厚度大，車輛荷載、溫差效應所引起的頂板應力就小，由于箱梁畸變引起的橫向拉應力也將較小。頂板厚度也不可過大，否則引起箱梁自重荷載過大。

1.3其他形式裂縫

其他裂縫主要是局部裂縫，包括橫隔板裂縫、預應力錨固區(qū)的局部承壓裂縫等。

預應力錨固區(qū)的承壓裂縫一般從底板錨塊后面開始，與箱梁橋軸成30～45°方向發(fā)展，是由預應力束在錨端產(chǎn)生的嚴重應力造成的。

橫隔板裂縫多發(fā)生在人孔周邊，呈放射型布置，主要是由孔洞周圍應力集中產(chǎn)生的?？锥粗苓叺呢Q向裂縫多是由支座反力引起的。

2 、P.C變截面箱梁跨中下?lián)铣梢蚣熬毣治雠c配筋設計

在箱梁結構設計中，箱梁頂板與腹板是現(xiàn)行設計方法中主要考慮的對象。通常箱梁上下緣在正常使用階段以不出現(xiàn)拉應力來控制，故截面上下緣的縱向預壓應力在正截面可能已經(jīng)被抵消，腹板中部還有部分縱向預壓應力。由于剪應力沿腹板布置是基本相同的，所以主拉應力最大值往往出現(xiàn)在頂?shù)装迮c腹板相交處。設計時頂板橫向鋼筋的配置通常會加強，以減少頂板砼剪切開裂的問題。而箱梁底板設計時多按構造配筋，往往較為薄弱。

通過精細化分析得知，底板面內方向主拉應力最不利位置在底板加腋的根部、靠近箱室中心方向，減小該處剪應力的最有效方法是優(yōu)化縱向配束，降低截面上的剪力，從而減小底板的彎曲剪力流。若配束不當，底板上的合成主拉應力超過實際混凝土極限拉應力，會在底板平面內產(chǎn)生斜向裂縫；若配筋不足，導致底板構造鋼筋屈服造成混凝土之間的錯動，明顯影響箱梁的縱向受力和變形。如若發(fā)生上述情況，在開裂區(qū)域內原箱梁截面由閉口轉變?yōu)殚_口，腹板剪應力將會增大。

剪應力增大會加劇箱梁橋的開裂，裂縫增大引起主梁剛度下降，導致主跨下?lián)?。為了解決這個問題，現(xiàn)行設計采用平面桿系計算時，將活載剪力放大系數(shù)按5%考慮，以達到包絡設計的目的。但隨著橋寬增加，跨徑增大，箱梁的扭轉和畸變剪應力在總剪應力中所占比重增大，一律采用5%的放大系數(shù)顯得不盡合理，需采用有限元法進一步計算和分析。通過對大跨徑P.C變截面箱梁橋的幾個樣本[1]進行精細化分析發(fā)現(xiàn)，橋梁的活載剪應力放大系數(shù)遠遠大于1.05：跨徑80+100+80m，橋寬12m的三跨P.C變截面連續(xù)箱梁，平均放大系數(shù)達到1.5；跨徑140+268+140m，橋寬16.5m的三跨P.C變截面剛構箱梁，平均放大系數(shù)達到2.0。因此在進行P.C變截面橋梁設計時，需結合橋寬采用相應的活載剪應力系數(shù)，并增強箱梁底板的配筋，避免箱梁底板混凝土開裂引起主跨下?lián)稀?/p>

3、 P.C變截面箱梁設計要點

3.1剪力滯效應及放大系數(shù)

進行P.C變截面箱梁橋計算時，平截面假定和桿系理論是設計人員常用的計算方法，然而對于翼緣較寬的橋梁還需要考慮剪力滯效應、偏載作用對箱梁造成的扭轉與翹曲。

箱梁的剪力滯現(xiàn)象用剪力滯系數(shù)λ來表征，λ越大，剪力滯效應越明顯。λ隨著寬跨比的增大而增加，當橋梁寬跨比符合梁橋概念時，剪力滯效應除橋梁端部外非常有限；當橋梁為寬橋時，剪力滯效應在全橋范圍內都非常顯著，尤其在梁端支座截面處。

對于大跨徑P.C變截面箱梁橋，恒載剪力滯影響偏小，主要考慮活載的剪力滯效應。通過對大量實例分析，一般認為偏載引起的約束扭轉正應力約為相應彎曲正應力的15%左右，因此計算時活載正應力放大系數(shù)按15%考慮將能覆蓋扭轉、畸變、剪力滯等荷載效應，提高橋梁應力儲備、減少裂縫的產(chǎn)生，確保橋梁運營安全。

3.2底板束對變截面箱梁的影響

大跨徑P.C變截面箱梁，箱梁截面高度從中支點到兩側跨中呈二次拋物線變化，通常需要在底板布置縱向預應力鋼束。由于底板束的束型正好與箱梁抵抗跨中正彎矩的形式相反，底板束提供的負彎矩會隨著底板束長度的增加而減小，故在設計時應適當增加底板束的長度。底板束是向上凸起的，會產(chǎn)生向反方向的徑向力，徑向力作用于底板束與箱梁底板之間的混凝土上，極易導致底板產(chǎn)生縱向裂縫、管道間貫穿裂縫，甚至使跨中附近底板處砼大面積酥脆、崩塌。故設計時需充分考慮底板束的徑向力對箱梁底板的作用，應驗算底板束周邊砼的抗剪和抗拉強度。構造配筋時在底板上下緣鋼筋外側設置U形鋼筋，使底板整體受力；同時要留足底板束的混凝土保護層厚度，以不小于13cm為宜。

結語：

P.C變截面箱梁橋因其受力明確、造型優(yōu)美、跨度大等優(yōu)點在市政工程中應用廣泛，若在設計中對橋梁構件的受力情況采用精細化分析、明確配筋原則、對箱梁頂?shù)装寮案拱辶芽p加以嚴格控制，將能進一步提高該類型橋梁結構的耐久性、增加橋梁的服務年限。變截面箱梁橋的裂縫及撓度控制還與施工工藝、氣候環(huán)境、材料性能等因素有關，本文僅從結構設計方面進行分析，為類似橋梁設計起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]徐棟，趙瑜，劉超著.混凝土橋梁結構實用精細化分析與配筋設計[M].人民交通出版社.

[2]陳鴻鳴，喬靜宇.混凝土箱梁橋剪力滯研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].結構工程師.2011 （2）.161-166.

[3]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG D62-2004.人民交通出版社.