文/黎抒婕　北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司　北京　100082

P.C變截面連續(xù)箱梁是市政工程中普遍應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)的耐久性及運營的安全性都構(gòu)成了威脅。

從大量相關(guān)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)希髁洪_裂與長期下?lián)舷嗷ビ绊??；炷灵_裂引起主梁剛度減弱，導(dǎo)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(yīng)明顯，設(shè)計時若忽略此效應(yīng)，就會低估該處的撓度與應(yīng)力，導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)或局部破壞[2]。

結(jié)合P.C變截面連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)特點，本文針對設(shè)計中兩方面的內(nèi)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(shè)計要點進行總結(jié)。

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(fù)雜，主要成因是①支座附近剪應(yīng)力較大，巨大的支座反力主要依靠腹板傳遞，此處是預(yù)應(yīng)力鋼筋集中錨固區(qū)域，局部高應(yīng)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(dǎo)致主拉應(yīng)力較大；③腹板設(shè)計厚度偏小，抗剪能力不足；④箱梁外側(cè)腹板受超重車輛的影響，腹板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的拉應(yīng)力相對較大，加上兩外側(cè)腹板受外界環(huán)境的影響較大，溫度變化梯度大于內(nèi)側(cè)腹板，造成外側(cè)腹板的內(nèi)側(cè)裂縫數(shù)量較多。

從設(shè)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(yīng)力，將計算主拉應(yīng)力控制在1Mpa以內(nèi)，這要從腹板厚度和預(yù)應(yīng)力束兩方面予以保證。對于抗剪預(yù)應(yīng)力筋，通常有配置豎向預(yù)應(yīng)力筋和配置彎起筋這兩種方法。實際工程表明，由于豎向預(yù)應(yīng)力筋長度短，張拉延伸量小，施工中因各種因素導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大，或完全失效，近年來一些僅配置豎向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼筋能更好的抵抗主拉應(yīng)力。因此，通常設(shè)計采用以彎起的縱向預(yù)應(yīng)力為主的配筋方式，不夠時加配豎向預(yù)應(yīng)力筋，根據(jù)橋規(guī)在計算豎向預(yù)應(yīng)力筋時其效應(yīng)應(yīng)打6折，同時對其施工應(yīng)提出二次張拉的工藝要求。為防止縱向預(yù)應(yīng)力筋平彎時產(chǎn)生的徑向力引起腹板外側(cè)砼開裂，在縱向預(yù)應(yīng)力筋平彎段需設(shè)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?。箱梁頂?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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力，且底板通常不設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，所以在各種效應(yīng)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(yīng)力、剪應(yīng)力組合形成的主拉應(yīng)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(jié)構(gòu)計算和構(gòu)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(nèi)力外，需重視溫差效應(yīng)，溫度效應(yīng)引起的橫向內(nèi)力值，往往大于車輛荷載引起的相應(yīng)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(gòu)造方面，頂板有足夠的厚度，頂板厚度大，車輛荷載、溫差效應(yīng)所引起的頂板應(yīng)力就小，由于箱梁畸變引起的橫向拉應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的局部承壓裂縫等。

預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力束在錨端產(chǎn)生的嚴重應(yīng)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(yīng)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(shè)計

在箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，箱梁頂板與腹板是現(xiàn)行設(shè)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(yīng)力來控制，故截面上下緣的縱向預(yù)壓應(yīng)力在正截面可能已經(jīng)被抵消，腹板中部還有部分縱向預(yù)壓應(yīng)力。由于剪應(yīng)力沿腹板布置是基本相同的，所以主拉應(yīng)力最大值往往出現(xiàn)在頂?shù)装迮c腹板相交處。設(shè)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(shè)計時多按構(gòu)造配筋，往往較為薄弱。

通過精細化分析得知，底板面內(nèi)方向主拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)力超過實際混凝土極限拉應(yīng)力，會在底板平面內(nèi)產(chǎn)生斜向裂縫；若配筋不足，導(dǎo)致底板構(gòu)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(nèi)原箱梁截面由閉口轉(zhuǎn)變?yōu)殚_口，腹板剪應(yīng)力將會增大。

剪應(yīng)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(dǎo)致主跨下?lián)?。為了解決這個問題，現(xiàn)行設(shè)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(luò)設(shè)計的目的。但隨著橋?qū)捲黾?，跨徑增大，箱梁的扭轉(zhuǎn)和畸變剪應(yīng)力在總剪應(yīng)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(yīng)力放大系數(shù)遠遠大于1.05：跨徑80+100+80m，橋?qū)?2m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?qū)?6.5m的三跨P.C變截面剛構(gòu)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(shè)計時，需結(jié)合橋?qū)挷捎孟鄳?yīng)的活載剪應(yīng)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(shè)計要點

3.1　剪力滯效應(yīng)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(shè)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(yīng)、偏載作用對箱梁造成的扭轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)除橋梁端部外非常有限；當橋梁為寬橋時，剪力滯效應(yīng)在全橋范圍內(nèi)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(yīng)。通過對大量實例分析，一般認為偏載引起的約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力約為相應(yīng)彎曲正應(yīng)力的15%左右，因此計算時活載正應(yīng)力放大系數(shù)按15%考慮將能覆蓋扭轉(zhuǎn)、畸變、剪力滯等荷載效應(yīng)，提高橋梁應(yīng)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(cè)跨中呈二次拋物線變化，通常需要在底板布置縱向預(yù)應(yīng)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(shè)計時應(yīng)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(dǎo)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(shè)計時需充分考慮底板束的徑向力對箱梁底板的作用，應(yīng)驗算底板束周邊砼的抗剪和抗拉強度。構(gòu)造配筋時在底板上下緣鋼筋外側(cè)設(shè)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(jié)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(yīng)用廣泛，若在設(shè)計中對橋梁構(gòu)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(jié)構(gòu)的耐久性、增加橋梁的服務(wù)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(guān)，本文僅從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進行分析，為類似橋梁設(shè)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(jié)構(gòu)實用精細化分析與配筋設(shè)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(jié)構(gòu)工程師.2011 (2).161-166.

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