劉昀

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410132)

大跨徑預應力混凝土梁式橋通常采用箱形截面，因其截面剛度大，整體性和連續(xù)性好，施工方便，設計理論和施工工藝也較為成熟。

箱梁橋運營一段時間后，設計和施工中的問題逐步顯現(xiàn)，最典型的就是在腹板、頂板、底板、齒板以及橫隔板等部位都易出現(xiàn)不同程度的裂縫。這些裂縫的存在，對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用產(chǎn)生了十分不利的影響：破壞了結(jié)構(gòu)設計的計算假定條件，減小了混凝土有效截面面積，降低了安全度甚至破壞橋梁結(jié)構(gòu)；鋼筋失去了混凝土的保護，銹蝕速度加快，橋梁耐久性下降；降低箱梁的抗彎和抗剪剛度，導致開裂部位幾何變形加大，從而引起主梁跨中下?lián)?。預應力混凝土箱梁裂縫的存在輕則縮短橋梁使用年限，重則影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。因此，探明預應力混凝土箱梁裂縫產(chǎn)生機理及形成規(guī)律、改進完善設計施工措施、了解箱梁開裂后的使用性能已成為橋梁界急需解決的問題。

混凝土箱梁橋裂縫主要有兩大類：結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫是指結(jié)構(gòu)承受荷載時產(chǎn)生的裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫一般是由混凝土材料組成、澆筑方法、養(yǎng)護條件和使用環(huán)境等多種因素影響而形成，如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的橋梁裂縫等。對于非結(jié)構(gòu)性裂縫，一般通過設計和施工中的構(gòu)造措施和施工工藝來加以預防和減輕，而結(jié)構(gòu)性裂縫，則要分析其成因、性質(zhì)和對安全性、耐久性的影響，并采取預防措施。

箱梁腹板的斜裂縫是一種典型的結(jié)構(gòu)性裂縫，其構(gòu)造方面的原因通常認為有：① 邊中跨比偏大，支座處的剪切變形太大，腹板抗剪能力過低，故墩支點處易產(chǎn)生腹板裂縫；② 箱梁豎向預應力筋一般都比較短且預應力損失較大，故邊跨腹板易產(chǎn)生斜裂縫；③ 腹板普通鋼筋網(wǎng)間距過大，抗裂性能不足導致斜裂縫。

以上因素對箱梁開裂的影響程度如何，有何防治措施？該文以某90 m跨徑的箱梁橋為例，進行箱梁腹板斜截面開裂參數(shù)影響分析。

1 工程概況

某預應力混凝土變截面連續(xù)箱橋，跨徑布置為：(60.5+90+60.5)m。該橋為單箱單室截面(圖1)，支點梁高和跨中梁高分別為4.8、2.3 m，頂板寬12.8 m、厚28 cm，腹板厚45 cm，底板寬6.8 m，底板邊支點厚30 cm，中支點厚60 cm。

圖1 箱梁截面尺寸(單位：cm)

通過現(xiàn)場檢測及踏勘，橋梁總體技術(shù)狀況被評定為四類橋，需要進行大修。

2 橋梁開裂參數(shù)影響分析

采用有限元軟件Midas/Civil對該橋建立全橋模型。主橋模型共80個單元，103個節(jié)點。其中邊跨現(xiàn)澆段單元長度為0.44 m，邊跨合龍段單元長度為0.15 m，標準節(jié)段長度分別為3.00、3.50 m，墩頂現(xiàn)澆段根據(jù)實際情況分別采用了2.00、1.50 m兩種單元長度，中跨合龍段長度為1.00 m。結(jié)構(gòu)計算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型

該文著重分析不同豎向預應力作用下梁截面的主拉應力變化規(guī)律，不同箱梁腹板厚度時梁截面上下緣正應力、主應力和箱梁抗剪承載力的變化規(guī)律。

2.1 斜截面抗裂性參數(shù)分析

2.1.1 豎向預應力損失影響

為突出箱梁橋豎向預應力損失對橋梁主應力分布的影響，該文將運營10年后豎向預應力損失100%的情況作為對比工況，分析不同豎向預應力損失下主梁主應力變化規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3 運營10年后不同豎向預應力損失下主梁主應力對比

從圖3可以看出：該橋運營10年后，豎向預應力損失100%后會在左、右邊跨分別產(chǎn)生約2.10、1.92 MPa的主拉應力，在兩個橋墩頂支座處的主拉應力也分別達到1.26、1.21 MPa。

不同豎向預應力損失后主梁主應力在最不利作用組合(恒載+汽車荷載+整體降溫)下的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 最不利組合作用下不同豎向預應力損失梁截面主應力

從圖4可以看出：豎向預應力損失100%后會在左、右邊跨分別產(chǎn)生約2.38、2.28 MPa的拉應力，在兩個橋墩頂支座處的拉應力也分別達到1.83、1.91 MPa。相比原設計狀態(tài)，沒有了豎向預應力的作用，邊跨主梁主拉應力的壓應力會減少1.99～6.27 MPa，中跨主梁主拉應力的壓應力減少0.29～4.43 MPa。

以上結(jié)果說明：豎向預應力對主梁的主拉應力影響顯著。在實際施工中，豎向預應力不張拉或張拉不到位、無壓漿或壓漿不飽滿等情況常有發(fā)生，加上箱梁本身高度有限，極易受到施工質(zhì)量的影響而導致預應力損失過大。豎向預應力筋損失增加時，梁截面的主拉應力的壓應力儲備不斷變小，甚至出現(xiàn)主拉應力。

2.1.2 箱梁腹板厚度影響

(1)運營10年后不同腹板厚度梁截面上、下緣正應力及主應力變化規(guī)律

在其他條件不變的情況下，運營10年后不同腹板厚度梁截面上、下緣正應力及主應力變化規(guī)律如圖5～7所示。

圖5顯示：3條主梁上緣正應力曲線在大部分區(qū)域比較接近，在邊跨1/4附近的影響稍大，墩頂和跨中壓應力儲備最小的區(qū)域影響約為0.45 MPa，原設計(腹板厚45 cm)全橋主梁截面上緣也沒有出現(xiàn)拉應力。因此，腹板厚度的改變對主梁截面上緣正應力的影響不大。

圖6顯示的規(guī)律和圖5相似，3條主梁下緣正應力曲線依然非常接近，腹板厚度的改變對主梁截面下緣正應力的影響也不大。

圖5 運營10年后不同腹板厚度主梁截面上緣正應力

圖6 運營10年后不同腹板厚度主梁截面下緣正應力

圖7顯示：兩個橋墩墩頂上方的主梁主應力為65 cm厚腹板主梁的最大主應力(1.26 MPa)比45 cm厚腹板的最大主應力(1.04 MPa)減小了約0.2 MPa，說明腹板厚度的適當增加能有效減小主梁截面的主應力。

圖7 運營10年后不同腹板厚度主梁截面主應力

(2)最不利組合作用下不同腹板厚度梁截面上下緣正應力及主應力變化規(guī)律

經(jīng)過對各作用效應組合對比分析，該文選取恒載+汽車荷載+整體降溫的結(jié)果作為最不利組合，運營10年后不同腹板厚度梁截面上、下緣正應力及主應力變化規(guī)律如圖8～10所示。

結(jié)合圖8的計算數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，3條曲線在大部分區(qū)域依然比較接近，但在兩個墩頂上方位置的主梁在最不利組合作用下3種腹板厚度時均出現(xiàn)了拉應力。不過隨著腹板厚度的增加，拉應力由2.23 MPa減小到0.49 MPa。因此，腹板厚度的增加能明顯減小主梁截面上緣在最不利效應組合作用下的正應力。

圖8 最不利組合作用下不同腹板厚度的梁截面上緣正應力

圖9中的3條曲線非常接近，因此腹板厚度的增加對主梁截面下緣在最不利效應組合作用下的正應力影響不大。

圖9 最不利組合作用下不同腹板厚度的梁截面下緣正應力

圖10中的腹板增至65 cm厚時主梁主應力曲線相比腹板薄的明顯偏小，尤其在橋墩墩頂朝跨中側(cè)區(qū)域影響最明顯。因此，腹板厚度增加時梁截面的主拉應力減小明顯。

圖10 最不利組合作用下不同腹板厚度的梁截面主應力

綜合以上結(jié)論，過大的豎向預應力損失和偏薄的腹板厚度都可能使箱梁出現(xiàn)腹板斜裂縫，在設計和施工中適當加大腹板厚度、采取有效措施減小豎向預應力損失是避免出現(xiàn)此類裂縫的有效措施。

2.2 斜截面抗剪承載力參數(shù)分析

為分析箱梁抗剪承載力受腹板厚度的影響，該文選取以下4種荷載組合，9個控制位置(圖11)，分別加大腹板厚度進行分析。

圖11 抗剪承載力控制位置

組合Ⅰ：恒荷載(1.0)+鋼束一次張拉(1.0)+鋼束二次張拉(1.0)+汽車荷載(1.4)。

組合Ⅱ：恒荷載(1.2)+鋼束二次張拉(1.2)+徐變二次(1.0)+收縮二次(1.0)+汽車荷載(1.4)+整體升溫(1.12)。

組合Ⅲ：恒荷載(1.2)+鋼束二次張拉(1.2)+徐變二次(1.0)+收縮二次(1.0)+汽車荷載(1.4)+整體降溫(1.12)。

組合Ⅳ：恒荷載(1.0)+鋼束二次張拉(1.0)+徐變二次(1.0)+收縮二次(1.0)+汽車荷載(1.4)+整體升溫(1.12)。

不同腹板厚度對主梁截面抗剪承載力對比結(jié)果見圖12。

圖12 不同腹板厚度主梁抗剪承載力

由圖11可知：

(1)原設計采用的腹板厚度為45 cm，此設計狀態(tài)下兩邊跨支點附近、中跨跨中附近抗剪承載力滿足要求，但左、右邊跨跨中和中跨支座附近抗剪承載力不滿足要求，需要進行加固。

(2)當腹板厚度由45 cm增加到55 cm時，抗剪承載能力增加了約4%；當腹板厚度由55 cm增加到65 cm時，抗剪承載能力增加了約5%。說明隨著腹板厚度的增加，梁截面的抗剪承載能力在提高，但增加幅度不大。

(3)隨著腹板厚度的增加，梁截面在荷載組合作用下，除跨中外(跨中剪力減少了8%)剪力增加了3%～5%。

3 結(jié)論

結(jié)合某預應力混凝土變截面連續(xù)箱橋的受力狀態(tài)和裂縫成因參數(shù)研究，分析了豎向預應力損失和不同腹板厚度對斜截面抗裂性和斜截面承載能力的影響，得到如下結(jié)論：

(1)由斜截面抗裂性驗算可知，連續(xù)箱梁邊墩支點附近的邊跨現(xiàn)澆梁段的主拉應力值較大(屬于斜裂縫危險區(qū)域)，同時這些位置截面梁高又較小，施工和運營階段豎向預應力損失過大會導致這些區(qū)域出現(xiàn)腹板斜裂縫。

(2)腹板厚度對截面主拉應力的影響較小，而對斜截面抗剪承載力的相對影響較大。

(3)斜截面抗剪承載力驗算表明該橋箱梁支點附近梁段腹板厚度較薄，從而導致斜截面抗剪承載能力不足。

(4)豎向預應力能夠提供較大的豎向壓應力儲備，從而改善腹板主拉應力。但是豎向預應力損失過大會加速腹板斜裂縫的出現(xiàn)。施工時可采取二次張拉或補張拉的措施進行彌補。