淺析大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋底板開孔的受力性能

朱靜秋

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳518029）

0 前言

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋具有良好的空間性能，能適應(yīng)現(xiàn)代化施工要求，是跨越大江大河、高山峽谷等的重要選擇橋型之一。隨著此類結(jié)構(gòu)進一步向?qū)捪洹⒈”诘腜C結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，一直伴隨著預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋發(fā)展進程中的主要問題—裂縫問題也就更加凸顯出來。近幾年來，發(fā)生了大量的大跨徑PC箱梁橋在施工底板合龍鋼束的過程中出現(xiàn)了底板開裂甚至崩裂的嚴重事故，嚴重影響了此類結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用。從大量的研究成果進行分析可知，對于出現(xiàn)底板開裂的原因有眾多的研究，但對于底板開孔效應(yīng)對底板受力性能的影響因子則非常之少。為此，本文將以某三跨(47+75+47)m變截面連續(xù)剛構(gòu)橋的底板崩裂事故為背景，對底板開孔效應(yīng)對此類結(jié)構(gòu)的底板受力性能的影響因子進行詳細的分析和研究。

1 工程概況

某三跨(47+75+47)m變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)為變截面單箱單室直腹板箱梁截面，單箱頂寬17.0 m，底板寬8.0 m，翼緣板長4.5 m，支點處梁高4.2 m，跨中梁高2.0 m，梁底曲線按照1.5次拋物線變化，腹板變厚度50～40 cm，底板變厚度50 cm（支點）～25 cm（跨中），僅設(shè)置支點橫隔板，不設(shè)跨中橫隔板，箱梁頂面設(shè)2%單向橫坡。箱梁結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，頂?shù)装宀贾昧舜罅康目v向、橫向和豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，其中中跨跨中底板共配置了22束合龍鋼束。

該橋的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖1～2所示，圖3為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)計算箱梁斷面圖。

2 事故概述

該橋懸澆箱梁在2005年2月22日中午完成勁性骨架鎖定，并與24日晚上完成混凝土澆筑，在3月5～6日晚在混凝土強度達到93%設(shè)計標號強度時完成中跨底板合龍鋼束的張拉，張拉完成后底板就開始出現(xiàn)縱向裂縫，至7日上午發(fā)現(xiàn)底板開裂、局部崩裂和響聲，8#～10#塊底板混凝土在兩側(cè)波紋管布置范圍內(nèi)全部破損，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了主筋外鼓的情況。

3 底板開孔效應(yīng)的分析

3.1 計算模型

設(shè)計依據(jù)平面桿系原理對該橋進行設(shè)計計算發(fā)現(xiàn)主橋箱梁在施工階段及運營階段的應(yīng)力均滿足規(guī)范的要求，不應(yīng)發(fā)生此類嚴重事故。本文將對該橋采用空間實體有限元的方法進行分析計算，其中跨中底板合龍鋼束區(qū)段考慮底板開孔效應(yīng)。結(jié)構(gòu)的具體有限元離散如圖4～5所示。

圖6為不考慮底板開孔箱梁斷面布置圖。

3.2 計算結(jié)果比較

對計算成果（見圖7～14）進行分析可以知道，考慮開孔和不考慮開孔對于箱梁結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果差別較大，同一部位（跨中合龍段底板）在同一個施工階段（如完成底板合龍鋼束張拉后且灌漿之前）主要區(qū)別如下：

（1）考慮底板開孔最大主壓應(yīng)力為-15.9 MPa，不考慮開孔則為-13.39 MPa，后者僅為前者的84.1%。

（2）考慮開孔底板最大橫向拉應(yīng)力點在箱梁下梗腋與底板頂面相交處波紋管上緣，最大值為5.59 MPa，不考慮開孔最大拉應(yīng)力點在下梗腋中間位置，最大僅為1.98 MPa，且底板橫向應(yīng)力分布均勻，后者僅為前者的35.4%。

（3）考慮開孔底板最大豎向拉應(yīng)力位于箱梁底板與下梗腋相交處以下箱室底板第二根鋼束開孔處的上緣與下緣，呈45°布置，最大值為2.98 MPa，不考慮開孔最大豎向拉應(yīng)力位于下梗腋與底板相交位置，最大值為0.44 MPa，后者僅為前者的14.8%。

圖1 1/2箱梁立面布置圖

圖2 箱梁斷面布置圖

圖3 實際計算箱梁斷面布置圖

圖4 1/2箱梁三維離散圖

對計算結(jié)果進行分析可以得到：

（1）考慮開孔和不考慮開孔，底板最大橫向拉應(yīng)力和最大豎向拉應(yīng)力偏差明顯，其中最大橫向拉應(yīng)力由考慮開孔的5.59 MPa降低到不考慮開孔的1.98 MPa，后者僅為前者的35.4%；最大豎向拉應(yīng)力由考慮開孔的2.98 MPa大幅降低到不考慮開孔的0.44 MPa，兩者的應(yīng)力差明顯；相對最大橫向拉應(yīng)力和最大豎向拉應(yīng)力的大幅度變化，最大縱向壓應(yīng)力差距略小，考慮開孔與不考慮開孔相差15.9%。

圖5 考慮底板開孔箱梁斷面布置圖

圖6 不考慮底板開孔箱梁斷面布置圖

圖7 跨中箱梁底板下緣橫向應(yīng)力圖

圖8 跨中箱梁底板上緣橫向應(yīng)力圖

（2）箱梁結(jié)構(gòu)的最大豎向拉應(yīng)力位于箱梁底板與下梗腋相交處以下箱室底板最內(nèi)側(cè)的三束鋼束管道開孔范圍內(nèi)，角度即便呈現(xiàn)西偏北45°,同時箱梁腹板內(nèi)側(cè)的最大豎向拉應(yīng)力也比不考慮開孔的箱室相同部位的最大豎向拉應(yīng)力大很多；在剔除上述兩個主要部位的最大豎向應(yīng)力后，考慮開孔箱梁其余各部應(yīng)力狀態(tài)基本和不考慮開孔的箱梁吻合。

圖9 考慮開孔跨中箱梁橫向應(yīng)力云圖

圖10 不考慮開孔跨中箱梁橫向應(yīng)力云圖

圖11 開孔跨中合龍段豎向應(yīng)力圖

圖12 不開孔跨中合龍段豎向應(yīng)力圖

圖13 開孔跨中箱梁縱向應(yīng)力圖

圖14 不開孔跨中箱梁縱向應(yīng)力圖

（3）考慮開孔箱梁結(jié)構(gòu)最大橫向拉應(yīng)力發(fā)生在底板與下梗腋相交處臨近波紋管管道開孔上緣和臨近箱室中間的開孔波紋管下緣，從應(yīng)力云圖看其基本呈45°發(fā)散。在扣除這兩個關(guān)鍵部位的最大橫向拉應(yīng)力后，箱室其余部位（頂板和腹板）的最大橫向拉應(yīng)力考慮開孔和不考慮開孔基本吻合。考慮開孔和不考慮開孔在箱室局部位置應(yīng)力差別大而在頂板和腹板應(yīng)力差別不大這一情況說明箱室結(jié)構(gòu)的在張拉底板合龍鋼束的過程中的結(jié)構(gòu)性能主要是由箱梁結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)造確定。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析可知，在實際設(shè)計中，如果用不考慮開孔的計算成果來指導開孔箱梁的底板合龍鋼束張拉過程，則必然將導致結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力與理論應(yīng)力完全不相符的情況，這是導致此類結(jié)構(gòu)箱梁底板開裂甚至崩塌的危險事故的最基本的原因所在。故為了更加真實地反映合龍鋼束張拉過程中的底板受力性能，計算分析應(yīng)考慮底板的開孔效應(yīng)。

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