多箱室寬箱梁截面參數(shù)對(duì)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(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

對(duì)于大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋在橫截面上的布置主要是箱梁形式，與橋?qū)捰嘘P(guān)，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(jié)構(gòu)性能，很好的適應(yīng)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)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(zhuǎn)體施工工藝，無(wú)法分幅修建，此時(shí)將采用單箱多室寬箱梁截面布置形式。在整體計(jì)算時(shí)，僅在縱向?qū)⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面桿系計(jì)算，橫向僅考慮了有效分布寬度及橫向分布系數(shù)的影響，對(duì)寬箱梁截面橫向的空間變形及受力狀態(tài)及并不明確[2]，且箱梁頂板是直接承受外部荷載的主要結(jié)構(gòu)，同時(shí)內(nèi)部也受縱、橫向預(yù)應(yīng)力的共同作用，預(yù)應(yīng)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(fù)雜。通過(guò)對(duì)眾多已建橋梁檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)箱梁頂板的縱向裂縫是常見(jiàn)的裂縫形式之一，因此必須對(duì)箱梁進(jìn)行橫向計(jì)算分析。

箱梁橫向的計(jì)算方法，一般取控制截面附近縱向單位寬度的框架模型進(jìn)行計(jì)算[3]，但必須滿足框架的變形與整個(gè)梁體協(xié)調(diào)一致的原則，必要時(shí)采用空間實(shí)體模型計(jì)算。對(duì)于單箱單室或單箱雙室截面，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，采用框架模型能夠滿足工程需要，但對(duì)于單箱多室寬箱截面，空間受力復(fù)雜，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行空間實(shí)體分析。

1 工程背景

某大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋?qū)挒?0.5 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(diǎn)及跨中設(shè)有橫隔梁，按三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖1。

圖1 箱梁支點(diǎn)與跨中斷面圖（單位：cm）

2 計(jì)算模型、荷載及參數(shù)

頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用4-7Φ5高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線，采用BM15-4和BP15-4扁錨錨固，見(jiàn)圖2。

圖2 箱梁橫向預(yù)應(yīng)力布置圖（單位：cm）

為研究箱梁頂板的橫向受力，根據(jù)圣維南原理，只要邊界與所要研究的區(qū)域距離適當(dāng)，即可建立局部區(qū)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(qū)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(jiàn)圖3。

圖3 箱梁橫向局部計(jì)算模型

計(jì)算荷載：恒載考慮自重、二期（包括鋪裝層、防撞護(hù)欄、人行道板、罩棚等）、橫向預(yù)應(yīng)力；活載考慮城-A級(jí)汽車(chē)荷載、人群荷載，車(chē)輛荷載按影響線最不利加載。

為研究箱梁截面參數(shù)對(duì)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(yù)應(yīng)力間距的影響。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文采用跨中截面作為基本參考，通過(guò)改變其他參數(shù)研究頂板的受力，結(jié)果如下：

3.1 梁高對(duì)頂板橫向受力的影響

梁高對(duì)頂板的影響表現(xiàn)為在兩邊箱跨中內(nèi)側(cè)上下緣壓應(yīng)力均增大（見(jiàn)圖4、圖5），邊箱跨中外側(cè)壓應(yīng)力減小的趨勢(shì)，懸臂部分無(wú)變化，但總體上最大壓應(yīng)力減小，最小壓應(yīng)力增大，即壓應(yīng)力儲(chǔ)備由0.21 MPa提高到1.06 MPa，說(shuō)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(jì)算中，一般選取跨中截面驗(yàn)算即可。經(jīng)實(shí)際計(jì)算，跨中截面也確實(shí)比支點(diǎn)截面更為不利。文獻(xiàn)[5]中對(duì)單箱單室箱梁的橫向溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究，得出梁高對(duì)頂板橫向溫度應(yīng)力的影響程度較大。對(duì)于多室箱梁的橫向溫度應(yīng)力較為復(fù)雜，本文旨在找出截面參數(shù)對(duì)頂板受力的影響規(guī)律，未考慮溫度力的影響，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)頂板的橫向應(yīng)力進(jìn)行研究，并留有足夠壓應(yīng)力儲(chǔ)備以減弱不利因素影響。

圖4 梁高對(duì)頂板上緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

3.2 腹板斜率對(duì)頂板橫向受力的影響

圖5 梁高對(duì)頂板下緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

在保證頂板懸臂長(zhǎng)及各箱室凈跨徑不變的前提下，對(duì)腹板的斜率考慮1∶2、1∶3、1∶4及直角四種情況，計(jì)算結(jié)果均表明，懸臂長(zhǎng)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(duì)頂板橫向受力幾乎無(wú)影響（未示出計(jì)算結(jié)果）。

3.3 腹板及底板厚度對(duì)頂板橫向受力的影響

腹板厚度及底板厚度對(duì)箱梁頂板的影響程度與趨勢(shì)類(lèi)似，均表現(xiàn)為厚度增加頂板橫向正應(yīng)力減小（見(jiàn)圖6～圖9），腹板厚度增加10 cm，頂板最大應(yīng)力減小不足3%，底板厚增加10 cm頂板最大應(yīng)力減小不足2%，說(shuō)明腹板厚及底板厚對(duì)頂板橫向受力性能影響有限。文獻(xiàn)[6]中對(duì)單箱單室箱梁頂板橫向受力進(jìn)行了分析，提到通過(guò)改善腹板尺寸，從而通過(guò)調(diào)整腹板支撐剛度來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)頂板橫向應(yīng)力的目的，抑制頂板跨中裂縫的產(chǎn)生，提升效果最高為10%，但對(duì)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(duì)頂板的受力性能的影響敏感度隨箱室數(shù)目增加而逐漸降低。

3.4 箱室布置對(duì)頂板橫向受力的影響

圖6 腹板厚度對(duì)頂板上緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

圖7 腹板厚度對(duì)頂板下緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

圖8 底板厚度對(duì)頂板上緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

圖9 底板厚度對(duì)頂板下緣橫向正應(yīng)力

對(duì)于大跨度寬箱梁來(lái)說(shuō)，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(jiàn)圖10、圖11）。本工程實(shí)際采用單箱四室，為分析箱室分布對(duì)頂板受力的影響，對(duì)比了三室的計(jì)算結(jié)果。對(duì)頂板來(lái)說(shuō)，三室與四室的區(qū)別主要是箱室凈跨徑的不同，導(dǎo)致內(nèi)力不同。結(jié)果顯示，對(duì)頂板上緣均為邊箱跨中應(yīng)力最大，而最小應(yīng)力位置均在邊箱內(nèi)側(cè)磨腳變化處，甚至出現(xiàn)了0.9 MPa的拉應(yīng)力，而四室模型中邊箱內(nèi)側(cè)磨腳變化處頂板上緣也為壓應(yīng)力儲(chǔ)備薄弱點(diǎn)，即該位置在其他不利荷載作用下也可能出現(xiàn)拉應(yīng)力；對(duì)頂板下緣正應(yīng)力最小點(diǎn)均為邊箱跨中，四室最小壓應(yīng)力為0.9 MPa，三室最小壓應(yīng)力為0.2 MPa，三室與四室懸臂根部最小壓應(yīng)力結(jié)果基本相同，為0.7 MPa。據(jù)文獻(xiàn)[7]指出，某單箱室連續(xù)剛構(gòu)橋頂板實(shí)測(cè)縱向分布裂縫也是在磨腳處及跨中較多，因此無(wú)論箱室如何布置，應(yīng)加強(qiáng)磨腳處配筋，必要時(shí)應(yīng)對(duì)磨腳尺寸進(jìn)行細(xì)部?jī)?yōu)化。

圖10 箱室布置對(duì)頂板上緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

圖11 箱室數(shù)目對(duì)頂板下緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

3.5 預(yù)應(yīng)力間距對(duì)頂板橫向受力的影響

對(duì)頂板施加預(yù)應(yīng)力能極大改善頂板的受力狀態(tài)（見(jiàn)圖12、圖13），減小鋼束間距或增大鋼束特性值都可以提高預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，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(xiàn)為間距減小，應(yīng)力增加，但對(duì)邊箱直腹板側(cè)磨腳處增幅較小，由-0.9 MPa變?yōu)?0.1 MPa；頂板下緣除懸臂根部為間距減小，應(yīng)力也減小外，其余均為隨間距減小而應(yīng)力增大，因此對(duì)于箱梁頂板并不能一味增大預(yù)應(yīng)力效應(yīng)來(lái)提高頂板橫向壓應(yīng)力，應(yīng)注意結(jié)合翼緣板受力合理取值。目前，我國(guó)規(guī)范規(guī)定預(yù)應(yīng)力間距不小于50 cm，若采用三室截面，頂板在恒載與車(chē)輛活載作用下即存在拉應(yīng)力，在考慮收縮徐變、溫度等不利作用時(shí)拉應(yīng)力將更大。

圖12 預(yù)應(yīng)力間距對(duì)頂板上緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

圖13 預(yù)應(yīng)力間距對(duì)頂板下緣橫向正應(yīng)力結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本工程中梁高對(duì)頂板橫向受力的影響表現(xiàn)為在兩邊箱跨中內(nèi)側(cè)上下緣壓應(yīng)力均增大，邊箱跨中外側(cè)壓應(yīng)力減小的趨勢(shì)，懸臂部分無(wú)變化，但總體來(lái)說(shuō)，最大應(yīng)力減小，最小應(yīng)力增大；而腹板厚及底板厚度增加，使頂板橫向應(yīng)力均減小，因此一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于箱梁頂板的橫向驗(yàn)算取跨中截面即可。

（2）對(duì)于頂板，各箱室保持凈跨徑不變時(shí)，改變腹板斜率對(duì)頂板橫向受力無(wú)影響。

（3）箱室布置對(duì)頂板橫向受力影響很大，當(dāng)截面外形尺寸確定時(shí)，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(yīng)加強(qiáng)配筋或優(yōu)化。

（4）減小預(yù)應(yīng)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(tài)，但當(dāng)截面確定后，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)變化不一定能夠使頂板受力全部趨于有利方向，應(yīng)合理布置鋼束間距，必要時(shí)需調(diào)整截面尺寸。

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