張冬冬 趙啟林 黃亞新

0 引言

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁橋由于其受力合理、結(jié)構(gòu)剛度大、跨徑較大、線形美觀、橋面行車舒適等優(yōu)點，在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但是，部分橋梁在施工和運營過程中，箱梁底板接縫處(尤其是跨中合龍段附近接縫處)出現(xiàn)多種形式的縱向裂縫，現(xiàn)已成為比較常見的橋梁病害。

關(guān)于箱梁底板接縫處縱向裂縫的成因，國內(nèi)學者做了相關(guān)的研究［1-8］。但是這些研究基本上都是從施工誤差角度出發(fā)，而未考慮施工時結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造的影響，并且其研究對象都局限于合龍段，其結(jié)論普遍認為只是由于合龍段施工誤差導致鋼束定位成折線形，從而導致折點處應(yīng)力集中。實際上，除底板接縫段接縫處，即使避免了合龍段鋼束定位的施工誤差，合龍段及其附近梁段接縫處也會出現(xiàn)縱向裂縫，這說明應(yīng)從其他方面而非僅僅從合龍段鋼束定位的施工誤差因素來考慮接縫處縱向裂縫的成因。

本文從梁段底板接縫處應(yīng)力傳遞機理出發(fā)，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0數(shù)值模擬方法來對箱梁底板空間折角效應(yīng)作一定性分析，以證明箱梁自重效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)引起的空間折角效應(yīng)是底板接縫處縱向裂縫的重要因素。

1 箱梁接縫處縱向裂縫成因分析

連續(xù)箱梁橋底板在設(shè)計階段縱向一般呈拋物線型布置，箱梁梁段底板及底板預(yù)應(yīng)力筋在設(shè)計中是平滑過渡的，但在實際懸澆施工中，是通過多段直線來模擬曲線，這樣底板在縱向梁段接縫處存在很多的折角(見圖1)。

圖1 梁段接縫處示意圖

底板折角效應(yīng)是指箱梁受到預(yù)應(yīng)力以及自重作用時，由于底板與頂板厚度較薄，底板縱向應(yīng)力沿板的長度方向流動，在底板折角位置盡管應(yīng)力值相等，但應(yīng)力的方向不一致，無法形成自平衡，于是在折角位置形成類似于預(yù)應(yīng)力徑向力的分力作用q(見圖 2)，其中，q=q1sinθ1－ q2sinθ2，導致底板產(chǎn)生豎向的形變，而這種豎向變形受到腹板約束作用在橫向的分布是不一致的，從而形成了腹板位置豎向變形小、底板中間位置變形大的空間折角效應(yīng)(見圖3)。

圖2 空間折角效應(yīng)應(yīng)力傳遞途徑

圖3 跨中底板接縫處空間變形

2 ANSYS有限元建模

2.1 模型參數(shù)

本文變高度實體模型的建立依托于泰州長江公路大橋夾江大橋夾江左汊主橋，它為跨徑(87.5+3×125+87.5)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，梁體采用變高度單箱單室直腹板截面。125 m跨中支點處梁高7.5 m，兩側(cè)梁高從距主墩中心2.0 m處開始在55.5 m長度內(nèi)按圓曲線變化到4 m，其他梁段梁高均為4 m。箱梁頂板寬16.0 m;底板寬7.5 m;頂板厚度為25cm，中支點兩側(cè)變高度梁段底板厚度按圓曲線由28cm變化到100cm，其他梁段底板厚度一般為28cm～60cm;腹板厚度為50cm～100cm，由跨中到支點按折線變化。

主橋箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力采用19φs15.2規(guī)格的鋼絞線束。鋼束張拉錨下控制應(yīng)力采用σcon=0.74fpk=1376.4 MPa。波紋管直徑為100mm。其底板預(yù)應(yīng)力鋼束如圖4所示。

圖4 箱梁跨中底板預(yù)應(yīng)力鋼束立面布置圖

2.2 ANSYS建模

采用大型通用有限元程序ANSYS10.0，能夠正確反映底板束對箱梁的作用效應(yīng)及自重效應(yīng)。

分別建立兩種實體模型，其中模型一為變高度箱梁，選取前述實橋主跨跨中92 m(跨中10 m為直線段)梁段(見圖5a));模型二為等高度箱梁，梁高為4 m，其他橫截面參數(shù)與模型一相同(見圖5b))。對上述兩種模型，分別在兩種工況下進行建模與計算:工況1不計預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只計自重作用;工況2不計自重作用，只計預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。對于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，只選取底板預(yù)應(yīng)力鋼束中的一對鋼束(最長索)進行分析。

圖5 梁段實體模型

混凝土采用Soild45實體線彈性單元;采用初始應(yīng)變法來模擬預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束單元選用Link8;網(wǎng)格劃分采用六面體映射網(wǎng)格劃分模式，整個模型中底板網(wǎng)格劃分較密，以便能較精確地反映底板和實際工作情況，而其他位置則采用了較稀疏的網(wǎng)格(見圖6);約束為一端固支，一端鉸支。設(shè)縱橋向為Z方向，豎橋向為Y方向，橫橋向為X方向。

圖6 橫截面網(wǎng)格劃分

錨固力按一束鋼束(最長索)作用時進行加載，施加一集中力Np=4745.43 kN，按實際錨固位置進行加載。

3 結(jié)果分析

分別提取8 m～82 m梁段底板底緣中點沿橋縱方向的橫向應(yīng)力，分別在兩種工況下對其趨勢進行對比分析，結(jié)果如圖7，圖8所示。

由以上趨勢對比可得出，在預(yù)應(yīng)力和自重作用下，等高度和變高度箱梁底板底緣中點處的橫向應(yīng)力沿橋縱向分布的趨勢明顯不一致。其中等高度箱梁的變化趨勢比較平緩，而且數(shù)值也比較小;變高度箱梁橫向應(yīng)力的數(shù)值比較大，而且趨勢變化很大，尤其是在跨中合龍段折角處落差很大?？梢员砻?，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和自重引起的底板折角效應(yīng)會造成梁段接縫處橫向應(yīng)力的突變，其中自重引起的折角效應(yīng)為不利效應(yīng)且數(shù)值較大，而預(yù)應(yīng)力引起的折角效應(yīng)為有利效應(yīng)。

4 結(jié)語

1)對于大跨徑變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固力和箱梁自重作用下，接縫處會產(chǎn)生空間折角效應(yīng)，使得橫向正應(yīng)力過大。其中自重引起的空間折角效應(yīng)為不利效應(yīng)且數(shù)值較大，而預(yù)應(yīng)鋼束錨固力引起的空間折角效應(yīng)為有利效應(yīng)。

圖7 鋼索錨固力作用下箱梁底板底緣中點橫向應(yīng)力沿橋縱向分布趨勢

圖8 自重作用下箱梁底板底緣中點橫向應(yīng)力沿橋縱向分布趨勢

2)在梁段所有的接縫處中，主跨跨中合龍段附近的空間折角效應(yīng)最明顯。合龍段的縱向裂縫不僅是合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束定位不準確而造成的應(yīng)力集中，而且錨固力和自重引起底板空間折角效應(yīng)也是造成合龍段縱向裂縫的重要因素。

3)連續(xù)箱梁橋梁高的變化盡可能采用較平緩的曲線，以盡量減小在懸臂澆筑施工中接縫處的折角，從而減小接縫處的空間折角效應(yīng)。

4)應(yīng)盡可能的減小梁體自重，使結(jié)構(gòu)變得輕型化;在保證結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力合理的情況下，適當提高合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束的配束，并對底板所有的預(yù)應(yīng)力束的布置進行優(yōu)化。

5)橫隔梁可以增強底板的橫向抗彎剛度，降低橫向彎曲導致的底板橫向應(yīng)力，因此在跨中設(shè)置一定數(shù)量的橫隔梁是必要的。而且橫隔梁適合設(shè)置在合龍段的接縫位置，這樣也有利于控制錨固力引起的空間折角效應(yīng)。

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