P.C變截面連續箱梁裂縫控制與設計要點

黎抒婕

【摘要】大跨徑P.C變截面箱梁橋在市政工程中應用廣泛、從實際工程中發現不少變截面箱梁在施工及運營過程中出現各種裂縫并出現主跨下撓的現象，本文從裂縫成因方面分析，結合數座P.C變截面箱梁橋的實踐數據、有限元精細化分析的數據，對該類型橋梁設計要點及配筋設計進行歸納與總結。

【關鍵詞】裂縫成因及控制；主跨下撓；剪力滯效應；精細化分析與配筋設計

P.C變截面連續箱梁是市政工程中普遍應用的一種梁型，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，在實際工程中發現不少變截面箱梁在施工過程或使用階段發生腹板混凝土斜向開裂的情況，有的相當嚴重，對橋梁結構的耐久性及運營的安全性都構成了威脅。

從大量相關文獻資料顯示，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撓，主梁開裂與長期下撓相互影響。混凝土開裂引起主梁剛度減弱，導致主跨下撓；同樣主梁下撓進一步加劇箱梁開裂，形成惡性循環。對于薄壁箱梁橋，箱梁懸臂與腹板交接處的剪力滯效應明顯，設計時若忽略此效應，就會低估該處的撓度與應力，導致橋梁失穩或局部破壞[2]。

結合P.C變截面連續箱梁的結構特點，本文針對設計中兩方面的內容進行深入探討：第一，如何有效的控制裂縫與箱梁下撓；第二對該類型箱梁的設計要點進行總結。

1、 P.C變截面箱梁常見裂縫形態、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，并逐漸向受壓區發展。腹板斜裂縫形成原因較復雜，主要成因是①支座附近剪應力較大，巨大的支座反力主要依靠腹板傳遞，此處是預應力鋼筋集中錨固區域，局部高應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致主拉應力較大；③腹板設計厚度偏小，抗剪能力不足；④箱梁外側腹板受超重車輛的影響，腹板內側產生的拉應力相對較大，加上兩外側腹板受外界環境的影響較大，溫度變化梯度大于內側腹板，造成外側腹板的內側裂縫數量較多。

從設計方面來說，要控制住腹板裂縫，需要嚴格控制腹板的主拉應力，將計算主拉應力控制在1Mpa以內，這要從腹板厚度和預應力束兩方面予以保證。對于抗剪預應力筋，通常有配置豎向預應力筋和配置彎起筋這兩種方法。實際工程表明，由于豎向預應力筋長度短，張拉延伸量小，施工中因各種因素導致預應力損失較大，或完全失效，近年來一些僅配置豎向預應力筋的橋梁普遍出現斜裂縫。理論和實踐表明彎起的縱向預應力鋼筋能更好的抵抗主拉應力。因此，通常設計采用以彎起的縱向預應力為主的配筋方式，不夠時加配豎向預應力筋，根據橋規在計算豎向預應力筋時其效應應打6折，同時對其施工應提出二次張拉的工藝要求。為防止縱向預應力筋平彎時產生的徑向力引起腹板外側砼開裂，在縱向預應力筋平彎段需設置防崩鋼筋。

1.2頂底板縱向裂縫、斜裂縫成因及控制

縱向裂縫與橋梁軸線方向平行，多出現在箱梁頂底板。箱梁頂底板縱向裂縫主要是由于箱梁橋畸變和橫向彎曲產生的。在活載作用下，若頂板橫向彎矩過大，在沒有布置橫向預應力鋼束的情況下，很容易引起頂板的縱向裂縫。在P.C變截面箱梁中，底板曲線預應力產生的徑向力、底板自重作用會在底板產生橫向拉應力，且底板通常不設置橫向預應力鋼束，所以在各種效應組合下會引起底板縱向裂縫。

頂底板斜裂縫是由于箱梁截面在整體荷載作用下彎、剪、扭產生的正應力、剪應力組合形成的主拉應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底板的板厚。

為了有效防止箱梁頂板開裂，在結構計算和構造方面需予以保證。計算時，除了按橋規計算車輛荷載引起的橫向內力外，需重視溫差效應，溫度效應引起的橫向內力值，往往大于車輛荷載引起的相應值。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沿縱向的通縫。構造方面，頂板有足夠的厚度，頂板厚度大，車輛荷載、溫差效應所引起的頂板應力就小，由于箱梁畸變引起的橫向拉應力也將較小。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、預應力錨固區的局部承壓裂縫等。

預應力錨固區的承壓裂縫一般從底板錨塊后面開始，與箱梁橋軸成30～45°方向發展，是由預應力束在錨端產生的嚴重應力造成的。

橫隔板裂縫多發生在人孔周邊，呈放射型布置，主要是由孔洞周圍應力集中產生的。孔洞周邊的豎向裂縫多是由支座反力引起的。

2 、P.C變截面箱梁跨中下撓成因及精細化分析與配筋設計

在箱梁結構設計中，箱梁頂板與腹板是現行設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拉應力來控制，故截面上下緣的縱向預壓應力在正截面可能已經被抵消，腹板中部還有部分縱向預壓應力。由于剪應力沿腹板布置是基本相同的，所以主拉應力最大值往往出現在頂底板與腹板相交處。設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。而箱梁底板設計時多按構造配筋，往往較為薄弱。

通過精細化分析得知，底板面內方向主拉應力最不利位置在底板加腋的根部、靠近箱室中心方向，減小該處剪應力的最有效方法是優化縱向配束，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力超過實際混凝土極限拉應力，會在底板平面內產生斜向裂縫；若配筋不足，導致底板構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。如若發生上述情況，在開裂區域內原箱梁截面由閉口轉變為開口，腹板剪應力將會增大。

剪應力增大會加劇箱梁橋的開裂，裂縫增大引起主梁剛度下降，導致主跨下撓。為了解決這個問題，現行設計采用平面桿系計算時，將活載剪力放大系數按5%考慮，以達到包絡設計的目的。但隨著橋寬增加，跨徑增大，箱梁的扭轉和畸變剪應力在總剪應力中所占比重增大，一律采用5%的放大系數顯得不盡合理，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]進行精細化分析發現，橋梁的活載剪應力放大系數遠遠大于1.05：跨徑80+100+80m，橋寬12m的三跨P.C變截面連續箱梁，平均放大系數達到1.5；跨徑140+268+140m，橋寬16.5m的三跨P.C變截面剛構箱梁，平均放大系數達到2.0。因此在進行P.C變截面橋梁設計時，需結合橋寬采用相應的活載剪應力系數，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撓。

3、 P.C變截面箱梁設計要點

3.1剪力滯效應及放大系數

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、偏載作用對箱梁造成的扭轉與翹曲。

箱梁的剪力滯現象用剪力滯系數λ來表征，λ越大，剪力滯效應越明顯。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，剪力滯效應除橋梁端部外非常有限；當橋梁為寬橋時，剪力滯效應在全橋范圍內都非常顯著，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。通過對大量實例分析，一般認為偏載引起的約束扭轉正應力約為相應彎曲正應力的15%左右，因此計算時活載正應力放大系數按15%考慮將能覆蓋扭轉、畸變、剪力滯等荷載效應，提高橋梁應力儲備、減少裂縫的產生，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跨中呈二次拋物線變化，通常需要在底板布置縱向預應力鋼束。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，故在設計時應適當增加底板束的長度。底板束是向上凸起的，會產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，極易導致底板產生縱向裂縫、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。故設計時需充分考慮底板束的徑向力對箱梁底板的作用，應驗算底板束周邊砼的抗剪和抗拉強度。構造配筋時在底板上下緣鋼筋外側設置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。

結語：

P.C變截面箱梁橋因其受力明確、造型優美、跨度大等優點在市政工程中應用廣泛，若在設計中對橋梁構件的受力情況采用精細化分析、明確配筋原則、對箱梁頂底板及腹板裂縫加以嚴格控制，將能進一步提高該類型橋梁結構的耐久性、增加橋梁的服務年限。變截面箱梁橋的裂縫及撓度控制還與施工工藝、氣候環境、材料性能等因素有關，本文僅從結構設計方面進行分析，為類似橋梁設計起到拋磚引玉的作用。

參考文獻：

[1]徐棟，趙瑜，劉超著.混凝土橋梁結構實用精細化分析與配筋設計[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狀與發展[J].結構工程師.2011 （2）.161-166.

[3]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTG D62-2004.人民交通出版社.