箱梁橋面縱坡對預應力外崩力的影響

【摘 要】 針對國內(nèi)連續(xù)箱梁橋橋面縱坡各種線形的布置對引起箱梁底板開裂的主要因素如預應力徑向外崩力進行了數(shù)值計算分析，表明縱向預應力束隨橋面縱坡線形的布置方式對箱梁底板裂縫的開展起著重要的作用。從預應力筋布置、預拱度設置、非預應力筋的設置等幾方面提出了防裂設計改進建議。

【關(guān)鍵詞】 預應力混凝土連續(xù)箱梁橋；橋面縱坡；底板裂縫；防裂設計

引 言

隨著國家基礎(chǔ)設施建設的快速發(fā)展，預應力混凝土連續(xù)箱梁橋以其結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順性好、伸縮縫少和養(yǎng)護簡單等特點，已成為公路建設中最主要的橋型之一。但隨著預應力混凝土連續(xù)梁式橋（包括連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、剛構(gòu)-連續(xù)組合體系），特別是大跨度連續(xù)梁式橋的大量修建，已暴露了一些問題。國內(nèi)類似的變高度預應力混凝土箱梁跨中節(jié)段腹板底部及底板底面縱向嚴重開裂，底板索下的鋼筋混凝土與上層混凝土崩離的事故屢有發(fā)生，其中混凝土結(jié)構(gòu)底板開裂問題較為突出。

連續(xù)梁橋底板開裂的問題已經(jīng)嚴重影響橋梁的安全性能與耐久性，這引起了橋梁界廣大設計者的重視。

1 橋面縱坡線型和底板預應力外崩力的關(guān)系

連續(xù)箱梁橋底板開裂的眾多因素中，底板縱向預應力筋沿變高度箱梁布置時，產(chǎn)生的徑向外崩力是最主要的因素，這被國內(nèi)許多橋梁專家所驗證。為此，現(xiàn)在很多關(guān)于底板的防裂設計都是圍繞著減小底板鋼束的徑向外崩力展開的，但是橋面縱坡線型和底板預應力外崩力的關(guān)系研究得比較少。本文將結(jié)合工程中連續(xù)箱梁橋橋面縱坡線型的各種布置，研究底板預應力外崩力的變化關(guān)系。

1.1 跨內(nèi)橋面為單向縱坡

當全橋單向縱坡或橋跨內(nèi)不設豎曲線時，跨內(nèi)橋面為單向縱坡，設其縱坡坡度為i，圖1為鋼束折點處的徑向集中力的示意，圖2 所示為合攏段及合攏左右各2個節(jié)段的示意。

根據(jù)圖1簡單的幾何關(guān)系，可得出

由圖2可見，對于合攏段左側(cè)（上坡側(cè)）：

可得：

對于合攏段右側(cè)（下坡側(cè)）：

可得：

所以根據(jù)圖3 所得式子，橋面單坡對折點n的徑向集中力也沒有影響。

1.2 跨內(nèi)橋面為帶豎曲線和雙向縱坡

由前面分析可見，單坡段縱坡對預應力徑向力沒有影響，所以只需要考慮豎曲線段，一般情況下豎曲線為圓弧，假設半徑為R。

根據(jù)圖3所得式子，考慮橋面豎曲線后折點n的徑向集中力為：

考慮橋面豎曲線后折點的徑向集中力比橋面平坡時大，考慮橋面豎曲線的影響是有必要的。

1.3 跨內(nèi)橋面設置預拱度

為了克服橋梁后期持續(xù)變形和活載變形，連續(xù)剛構(gòu)橋梁跨中一般設置豎向預拱度。理論上，該預拱度沿跨徑從墩頂?shù)娇缰邪炊螔佄锞€分配，如圖6所示。

以n號折點為例，根據(jù)圖3所得式子，考慮橋面設置預拱度后折點n的徑向集中力為：

考慮橋面預拱度后折點的徑向集中力比橋面平坡時大，考慮橋面預拱度的影響是有必要的。根據(jù)預拱度擬合拋物線參數(shù)和節(jié)段水平分段長度計算。

1.4 工程實橋橋面縱坡對底板徑向外崩力的數(shù)值計算

某連續(xù)剛構(gòu)橋主跨為200m，懸臂根部梁高11m，跨中梁高3.7m，懸臂根部至跨中最后一個懸臂澆筑節(jié)段前端水平距離91.5m，底板底緣曲線采用1.5次拋物線。底板每束預應力張拉力為。箱梁節(jié)段長度為1m+6×3.5 m +5×4m+11×4.5m，合攏段長度3m，其中最長的底板預應力束延伸至距離跨中67m處，即除合攏段外單側(cè)共計15個懸臂節(jié)段內(nèi)布置底板預應力鋼束。

1.4.1 不考慮橋面縱坡和豎曲線影響時的

不考慮橋面縱坡影響時，箱梁節(jié)段折點處的集中鋼束徑向力按圖3所得公式計算，各折點位置的徑向力。越接近合攏段，箱梁節(jié)段折點處的集中鋼束徑向力越大。

1.4.2 考慮橋面縱坡和豎曲線影響時的

假定橋面采用以下縱坡和豎曲線，雙向2.5％縱坡，跨中設置豎曲線，豎曲線半徑為2000米，則該豎曲線T=49.978米。考慮橋面縱坡影響時，箱梁節(jié)段折點處的集中鋼束徑向力按圖3所得公式計算。考慮橋面豎曲線影響后，折點徑向集中力增大，其增大幅度與節(jié)段長度相關(guān)。

1.4.3 考慮橋面設置二次拋物線分布的預拱度時的

假定該連續(xù)剛構(gòu)在主梁合攏時頂面形成跨中截面設置20厘米（L/1000）、墩頂為0的沿縱向二次拋物線分布的預拱度，此時箱梁頂面拋物線方程為：（跨中截面頂緣為坐標原點）。考慮橋面此預拱度影響后，箱梁節(jié)段折點處的集中鋼束徑向力按圖4所得公式計算。考慮橋面預拱度影響后，折點徑向集中力增大，與橋面豎曲線影響相比，其增大幅度較小。

2 結(jié)語

（1）連續(xù)箱梁橋橋面縱坡對底板鋼束張拉時產(chǎn)生的預應力外崩力有明顯的影響。橋面單坡時對鋼束折點處集中力沒有影響；橋面為帶豎曲線和雙向縱坡時對鋼束折點處集中力有明顯增大趨勢；考慮橋面預拱度影響后，鋼束折點處集中力也有增大趨勢；且折點處徑向集中力的增大幅度與節(jié)段長度有關(guān)，預拱度的增大幅度比豎曲線的增大幅度較小，這些因素在橋梁的設計階段容易忽略，應該引起重視。

（2）為提高底板抗裂性，除預應力配束合理外，還要配置一定數(shù)量的箍筋與彎起鋼筋，對于大跨徑變截面連續(xù)箱梁在中跨合攏段附近還要布置一定的橫向加勁肋，以抵抗因橋面縱坡線型布置形成的鋼束折點集中力。

（3）為了有效防止預應力混凝土連續(xù)箱梁橋的開裂，平面分析時箱梁翼板有效寬度和內(nèi)力增大系數(shù)的選取、箱梁各部分構(gòu)造尺寸的合理確定、溫度梯度模式的選用；在施工和養(yǎng)護上要注意預應力筋的張拉工藝控制、混凝土的澆筑和養(yǎng)護。

參考文獻

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作者簡介：楊超（1980- ），男，江蘇南京，工程師。