多箱室寬箱梁截面參數對頂板橫向受力的影響分析

羅昊沖，李貴峰

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

對于大跨徑連續剛構橋在橫截面上的布置主要是箱梁形式，與橋寬有關，一般布置為單箱單室或單箱雙室，這主要是由于箱梁截面具有抗扭剛度大、整體性好、配筋方便等良好的結構性能，很好的適應大跨徑預應力混凝土連續剛構橋[1]，但有些橋梁由于跨越既有鐵路，不允許直接在鐵路上方懸臂澆筑或滿堂支架施工的情況下，需采用特殊施工方法，如頂推施工或轉體施工工藝，無法分幅修建，此時將采用單箱多室寬箱梁截面布置形式。在整體計算時，僅在縱向將結構簡化為平面桿系計算，橫向僅考慮了有效分布寬度及橫向分布系數的影響，對寬箱梁截面橫向的空間變形及受力狀態及并不明確[2]，且箱梁頂板是直接承受外部荷載的主要結構，同時內部也受縱、橫向預應力的共同作用，預應力孔道又削弱了截面的有效面積，這都使箱梁的橫向受力變得復雜。通過對眾多已建橋梁檢測時發現箱梁頂板的縱向裂縫是常見的裂縫形式之一，因此必須對箱梁進行橫向計算分析。

箱梁橫向的計算方法，一般取控制截面附近縱向單位寬度的框架模型進行計算[3]，但必須滿足框架的變形與整個梁體協調一致的原則，必要時采用空間實體模型計算。對于單箱單室或單箱雙室截面，國內眾多學者對其進行了研究，采用框架模型能夠滿足工程需要，但對于單箱多室寬箱截面，空間受力復雜，應對其進行空間實體分析。

1 工程背景

某大跨預應力混凝土連續剛構橋橋寬為30.5 m，采用單箱四室寬箱截面，為減小底板跨度及橋墩尺寸，腹板采用斜置式腹板,橋墩為雙肢薄壁墩；主墩墩頂處梁高為6.4 m，中跨及邊跨直線段梁高為2.5 m，梁底按二次拋物線變化；邊腹板厚度90～50 cm，中腹板厚80～40 cm，頂板厚除墩頂處為50 cm外，余均為30 cm，底板厚由80～28cm按二次拋物線變化，在支點及跨中設有橫隔梁，按三向預應力結構進行設計，見圖1。

圖1 箱梁支點與跨中斷面圖（單位：cm）

2 計算模型、荷載及參數

頂板橫向預應力采用4-7Φ5高強度、低松弛鋼絞線，采用BM15-4和BP15-4扁錨錨固，見圖2。

圖2 箱梁橫向預應力布置圖（單位：cm）

為研究箱梁頂板的橫向受力，根據圣維南原理，只要邊界與所要研究的區域距離適當，即可建立局部區域模型從而得到更精確解[4]。本文沿縱向取梁高度的2倍以上，以使分析區域不受邊界條件影響，采用通用有限元軟件ANSYS建立局部模型見圖3。

圖3 箱梁橫向局部計算模型

計算荷載：恒載考慮自重、二期（包括鋪裝層、防撞護欄、人行道板、罩棚等）、橫向預應力；活載考慮城-A級汽車荷載、人群荷載，車輛荷載按影響線最不利加載。

為研究箱梁截面參數對于頂板橫向受力的影響，考慮了梁高、腹板斜度、腹板厚度、底板厚度、箱室布置及預應力間距的影響。

3 計算結果分析

本文采用跨中截面作為基本參考，通過改變其他參數研究頂板的受力，結果如下：

3.1 梁高對頂板橫向受力的影響

梁高對頂板的影響表現為在兩邊箱跨中內側上下緣壓應力均增大（見圖4、圖5），邊箱跨中外側壓應力減小的趨勢，懸臂部分無變化，但總體上最大壓應力減小，最小壓應力增大，即壓應力儲備由0.21 MPa提高到1.06 MPa，說明隨梁高的增加頂板受力趨于有利方向，因此在變高箱梁頂板計算中，一般選取跨中截面驗算即可。經實際計算，跨中截面也確實比支點截面更為不利。文獻[5]中對單箱單室箱梁的橫向溫度應力進行了研究，得出梁高對頂板橫向溫度應力的影響程度較大。對于多室箱梁的橫向溫度應力較為復雜，本文旨在找出截面參數對頂板受力的影響規律，未考慮溫度力的影響，在實際工程中應對頂板的橫向應力進行研究，并留有足夠壓應力儲備以減弱不利因素影響。

圖4 梁高對頂板上緣橫向正應力結果

3.2 腹板斜率對頂板橫向受力的影響

圖5 梁高對頂板下緣橫向正應力結果

在保證頂板懸臂長及各箱室凈跨徑不變的前提下，對腹板的斜率考慮1∶2、1∶3、1∶4及直角四種情況，計算結果均表明，懸臂長度一定且各箱室凈跨徑不變的條件下，邊腹板斜率的變化對頂板橫向受力幾乎無影響（未示出計算結果）。

3.3 腹板及底板厚度對頂板橫向受力的影響

腹板厚度及底板厚度對箱梁頂板的影響程度與趨勢類似，均表現為厚度增加頂板橫向正應力減小（見圖6～圖9），腹板厚度增加10 cm，頂板最大應力減小不足3%，底板厚增加10 cm頂板最大應力減小不足2%，說明腹板厚及底板厚對頂板橫向受力性能影響有限。文獻[6]中對單箱單室箱梁頂板橫向受力進行了分析，提到通過改善腹板尺寸，從而通過調整腹板支撐剛度來達到調節頂板橫向應力的目的，抑制頂板跨中裂縫的產生，提升效果最高為10%，但對于多室箱梁將十分有限。有次也可以得到如下推論：腹板厚度對頂板的受力性能的影響敏感度隨箱室數目增加而逐漸降低。

3.4 箱室布置對頂板橫向受力的影響

圖6 腹板厚度對頂板上緣橫向正應力結果

圖7 腹板厚度對頂板下緣橫向正應力結果

圖8 底板厚度對頂板上緣橫向正應力結果

圖9 底板厚度對頂板下緣橫向正應力

對于大跨度寬箱梁來說，箱室尺寸布置受許多因素影響，常采用三室、四室甚至5室的情況（見圖10、圖11）。本工程實際采用單箱四室，為分析箱室分布對頂板受力的影響，對比了三室的計算結果。對頂板來說，三室與四室的區別主要是箱室凈跨徑的不同，導致內力不同。結果顯示，對頂板上緣均為邊箱跨中應力最大，而最小應力位置均在邊箱內側磨腳變化處，甚至出現了0.9 MPa的拉應力，而四室模型中邊箱內側磨腳變化處頂板上緣也為壓應力儲備薄弱點，即該位置在其他不利荷載作用下也可能出現拉應力；對頂板下緣正應力最小點均為邊箱跨中，四室最小壓應力為0.9 MPa，三室最小壓應力為0.2 MPa，三室與四室懸臂根部最小壓應力結果基本相同，為0.7 MPa。據文獻[7]指出，某單箱室連續剛構橋頂板實測縱向分布裂縫也是在磨腳處及跨中較多，因此無論箱室如何布置，應加強磨腳處配筋，必要時應對磨腳尺寸進行細部優化。

圖10 箱室布置對頂板上緣橫向正應力結果

圖11 箱室數目對頂板下緣橫向正應力結果

3.5 預應力間距對頂板橫向受力的影響

對頂板施加預應力能極大改善頂板的受力狀態（見圖12、圖13），減小鋼束間距或增大鋼束特性值都可以提高預應力效應，從而改善頂板受力，本文僅考慮鋼束間距的影響。由上圖可以看出，頂板上緣表現為間距減小，應力增加，但對邊箱直腹板側磨腳處增幅較小，由-0.9 MPa變為-0.1 MPa；頂板下緣除懸臂根部為間距減小，應力也減小外，其余均為隨間距減小而應力增大，因此對于箱梁頂板并不能一味增大預應力效應來提高頂板橫向壓應力，應注意結合翼緣板受力合理取值。目前，我國規范規定預應力間距不小于50 cm，若采用三室截面，頂板在恒載與車輛活載作用下即存在拉應力，在考慮收縮徐變、溫度等不利作用時拉應力將更大。

圖12 預應力間距對頂板上緣橫向正應力結果

圖13 預應力間距對頂板下緣橫向正應力結果

4 結論

（1）本工程中梁高對頂板橫向受力的影響表現為在兩邊箱跨中內側上下緣壓應力均增大，邊箱跨中外側壓應力減小的趨勢，懸臂部分無變化，但總體來說，最大應力減小，最小應力增大；而腹板厚及底板厚度增加，使頂板橫向應力均減小，因此一般來說，對于箱梁頂板的橫向驗算取跨中截面即可。

（2）對于頂板，各箱室保持凈跨徑不變時，改變腹板斜率對頂板橫向受力無影響。

（3）箱室布置對頂板橫向受力影響很大，當截面外形尺寸確定時，合理選擇箱室布置形式將極大改善頂板的受力性能。此外，注意頂板磨腳處應加強配筋或優化。

（4）減小預應力間距或增加鋼束特性值能在一定程度上改變頂板受力狀態，但當截面確定后，預應力效應變化不一定能夠使頂板受力全部趨于有利方向，應合理布置鋼束間距，必要時需調整截面尺寸。

[1]邵旭東,程翔云,李立峰.橋梁設計與計算[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]高丕勤,王小松.頂板橫向預應力作用下寬箱梁空間效應分析[J].重慶交通大學學報自然科學版.2012(Z1):669-671.

[3]董素東.鐵路連續箱梁橫向計算分析[J].鐵道建筑.2012(3):1-4.

[4]王兵見,李惠成,宋建永.預應力混凝土箱梁頂板結構縱向裂縫分析方法[J].公路交通科技.2013(3):89-93,99.

[5]顏昌清,陽先全.混凝土薄壁箱梁橫向溫度應力分析[J].橋梁建設.2009(3):25-28,43.

[6]譚竣.預應力混凝土連續箱梁橋的頂板力學性能研究[J].中外公路,2009(5):131-134.

[7]吳文輝,丁志凱.某變截面連續箱梁頂板縱向裂縫病害成因分析[J].交通科技,2013(3):47-49.