韓宏偉,苗建偉
(山東省公路設(shè)計咨詢有限公司 濟南市 250000)
腹板斜裂縫使得箱梁截面強度和剛度削弱,截面鋼筋易于銹蝕,導致橋梁耐久性及承載能力下降,對橋梁結(jié)構(gòu)的安全運營產(chǎn)生較大影響[1]。雖然大量的橋梁工程從業(yè)者對箱梁橋的腹板產(chǎn)生裂縫進行了探究,但是使用階段腹板發(fā)生開裂的情況依舊存在,因而要繼續(xù)摸索解決之道。
依托某連續(xù)剛構(gòu)橋(75+2×140+75)m,公路-Ⅰ級。設(shè)計截面采用單箱單室,跨中處梁高3.2m,橋墩處梁高8.3m,跨中-0號塊箱梁高度使用1.8次拋物線過渡,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,其橫斷面見圖1。
圖1 箱梁橫斷面圖
為了方便研究箱梁腹板的受力情況,將腹板簡化為薄壁結(jié)構(gòu),采用平面狀態(tài)來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行耦合連接。
研究箱梁腹板受力,選取某一施工過程為例,程序中只考慮結(jié)構(gòu)自身重力和預(yù)應(yīng)力,以三個節(jié)點(腹板頂部、腹板中點、腹板底部)為例進行研究,通過施加100%設(shè)計預(yù)應(yīng)力、60%設(shè)計預(yù)應(yīng)力、40%設(shè)計預(yù)應(yīng)力模擬不同豎直方向預(yù)應(yīng)力損失時,腹板三個特殊點的主應(yīng)力,數(shù)據(jù)整理繪制圖3~圖5。
圖3 ①號位置主應(yīng)力曲線
圖4 ②號位置主應(yīng)力曲線
圖5 ③號位置主應(yīng)力曲線
仔細研究分析圖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,同時主壓應(yīng)力越小;換而言之,施加適當?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)力儲備。
因而橋梁工程師在進行箱梁橋設(shè)計工作時,要有超前意識,不僅僅立足于當前設(shè)計,還要考慮后續(xù)漫長的運營期,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)力筋由直線改進為U形,這種改變可以提高預(yù)應(yīng)力筋的長度,對于保證有效預(yù)應(yīng)力具有很大幫助;預(yù)應(yīng)力鋼束采用U形時,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裂。
為了研究腹板下彎鋼束的作用,選擇了兩個布筋方案進行探究:
(1)橋墩左右四分之一跨徑內(nèi)設(shè)計腹板下彎鋼束,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。
使用邁達斯建立橋梁模型如圖6,橋梁單元劃分參考施工梁段和真實截面變化情況,總計177個單元、201個節(jié)點。
圖6 連續(xù)剛構(gòu)橋模型
通過所建模型求解分析,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,本橋為四跨對稱結(jié)構(gòu),因此選擇左半部分(0~215m)腹板中心處數(shù)據(jù)進行分析,繪制出其主拉應(yīng)力曲線見圖7。
圖7 連續(xù)剛構(gòu)左半部分腹板中心主拉應(yīng)力曲線
通過圖7可得:當沒有設(shè)置腹板下彎束的時候橋墩兩側(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。因此進行箱梁橋設(shè)計時應(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)同工作從而保證運營過程中箱梁腹板內(nèi)的有效預(yù)應(yīng)力,抑制裂縫的產(chǎn)生。
為了提高箱梁橋的跨越能力,橋梁設(shè)計中通常通過把腹板變薄從而降低自重。但是,不容忽視的是腹板厚度對于改善箱梁腹板應(yīng)力貢獻顯著,本節(jié)對此進行探究,腹板厚度樣式見表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)進行分析,繪制出承載能力極限狀態(tài)主拉應(yīng)力曲線見圖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。因此橋梁設(shè)計工作中,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?shù)谋∫恍?,二者中間區(qū)域的厚度變化應(yīng)緩和過渡。
(1)豎向預(yù)應(yīng)力損失過大導致鋼束未能發(fā)揮預(yù)期作用,箱梁設(shè)計時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,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;同時橋梁運營中豎向預(yù)應(yīng)力的損失導致有效預(yù)應(yīng)力不足,腹板下彎束對于提高應(yīng)力儲備、降低腹板開裂的貢獻作用就更加凸顯。
(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。因此橋梁設(shè)計工作中,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?shù)乇∫恍?,二者中間區(qū)域的厚度變化應(yīng)緩和過渡。