鋼桁架橋梁混凝土護(hù)欄開裂分析

李建剛，王桂智，孫云翰，蔣文志

（江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

混凝土護(hù)欄是橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)附屬構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮汽車荷載的撞擊作用，其計(jì)算及配筋主要為滿足結(jié)構(gòu)豎向受力要求，橋梁縱向配筋主要滿足構(gòu)造配筋要求。在很多橋梁結(jié)構(gòu)中，混凝土護(hù)欄均出現(xiàn)了不同程度的裂縫，對(duì)于結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營期間的耐久性、功能性會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。找出結(jié)構(gòu)在各階段開裂的主要因素，有利于為防止裂縫出現(xiàn)或減小裂縫影響提供有效解決方案。

鋼桁架橋梁橋面混凝土護(hù)欄從施工到成橋階段形成的裂縫和施工荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、溫度及混凝土干縮等密切相關(guān)[1-2]。針對(duì)該類橋梁橋面混凝土護(hù)欄出現(xiàn)開裂的問題，文章從施工實(shí)際情況出發(fā)，運(yùn)用有限元軟件建模計(jì)算分析并探討混凝土護(hù)欄開裂原因。

1 工程實(shí)例

某一在建橋梁，其結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支鋼桁架橋，橋面采用鋼筋混凝土護(hù)欄。橋面鋪裝完成后，護(hù)欄出現(xiàn)了不同程度的豎向裂縫，且大多為貫通裂縫（見圖1），裂縫寬度較大，出現(xiàn)的位置較為規(guī)律，大多出現(xiàn)在鋼桁架下弦節(jié)點(diǎn)位置。

圖1 混凝土護(hù)欄裂縫

混凝土開裂成因可分為荷載、溫度變化、混凝土收縮、基礎(chǔ)變形、鋼筋銹蝕、凍脹、施工材料質(zhì)量、施工工藝等幾個(gè)大類[3]。溫度、混凝土干縮均會(huì)導(dǎo)致混凝土護(hù)欄開裂。馬運(yùn)朝[1]對(duì)開孔型混凝土護(hù)欄裂紋進(jìn)行了分析，指出護(hù)欄與橋面板固結(jié)，同時(shí)混凝土護(hù)欄與橋面板變形不同是導(dǎo)致開孔型混凝土護(hù)欄出現(xiàn)裂紋的根本原因。鋼桁架橋產(chǎn)生圖1中的裂紋主要出現(xiàn)在下弦節(jié)點(diǎn)位置，這與護(hù)欄固結(jié)于橋面小縱梁上有關(guān)。在鋼桁架節(jié)點(diǎn)位置處，小縱梁與橫梁通過高強(qiáng)螺栓連接（受力類似于鉸接），當(dāng)溫度及橋面荷載導(dǎo)致橋面變形時(shí)，對(duì)于在節(jié)點(diǎn)處沒有斷縫的混凝土護(hù)欄，因約束變形而受到較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致護(hù)欄開裂。

2 計(jì)算分析

為查明鋼桁架橋面護(hù)欄在橋面鋪裝完成后的開裂機(jī)理，文章根據(jù)混凝土護(hù)欄實(shí)際尺寸，考慮護(hù)欄自重及橋面鋪裝層荷載、溫度作用等因素，利用midas civil建立全橋有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析；同時(shí)對(duì)改變主桁約束體系、改變護(hù)欄分段長(zhǎng)度等因素對(duì)護(hù)欄截面的影響進(jìn)行分析。

2.1 恒載及溫度作用

該鋼桁架橋面護(hù)欄每一節(jié)段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為19.79m，即3個(gè)桁架節(jié)間一段；桁架每側(cè)共設(shè)置4段護(hù)欄，每道護(hù)欄分段均在桁架節(jié)點(diǎn)位置，相鄰護(hù)欄間縫隙寬度為4cm。護(hù)欄與橋面板整體現(xiàn)澆，并通過剪力釘與鋼桁架橫梁、縱梁現(xiàn)澆連接。建模分析時(shí)，護(hù)欄采用梁?jiǎn)卧?jiǎn)化計(jì)算，并與鋼桁架縱梁采用剛接模擬，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型見圖2。護(hù)欄受力分析主要模擬計(jì)算三種工況作用對(duì)護(hù)欄開裂的影響，工況一為護(hù)欄及鋪裝層自重荷載，工況二為結(jié)構(gòu)整體升溫，工況三為結(jié)構(gòu)整體降溫，其計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

表1 混凝土護(hù)欄截面應(yīng)力 單位：MPa

計(jì)算結(jié)果表明，護(hù)欄自重、橋面鋪裝荷載、橋梁整體升溫作用時(shí)，護(hù)欄主要以受拉為主，且拉應(yīng)力較大，混凝土護(hù)欄較易出現(xiàn)裂縫，而拉應(yīng)力最大值主要集中在鋼桁架節(jié)點(diǎn)附近；整體降溫時(shí)，護(hù)欄主要以受壓為主，其對(duì)護(hù)欄開裂的影響不大。

2.2 約束體系影響

為了更清晰地知道護(hù)欄及橋面鋪裝層自重荷載與溫度作用對(duì)護(hù)欄應(yīng)力的影響機(jī)理，建立另一種約束形式并進(jìn)行分析，即在每一道橫梁位置設(shè)置約束支撐，其目的是約束橋面下?lián)献冃危r同2.1，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 改變約束體系的混凝土護(hù)欄截面應(yīng)力 單位：MPa

計(jì)算結(jié)果表明，在護(hù)欄及橋面鋪裝荷載作用、整體降溫作用時(shí)，護(hù)欄截面主要受壓；在整體升溫作用時(shí)，護(hù)欄截面主要受拉。由表1與表2數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在更改約束情況下，溫度對(duì)護(hù)欄應(yīng)力的影響保持不變，而護(hù)欄自重及橋面鋪裝荷載對(duì)護(hù)欄截面應(yīng)力影響由主要受拉變?yōu)橹饕軌骸?/p>

2.3 護(hù)欄分段影響

通過建立3個(gè)不同護(hù)欄節(jié)段長(zhǎng)度的有限元模型，分析護(hù)欄長(zhǎng)度對(duì)其開裂的影響。護(hù)欄節(jié)段按照桁架下弦節(jié)點(diǎn)位置劃分，分別為3個(gè)節(jié)間一段，護(hù)欄長(zhǎng)度為19.79m；2個(gè)節(jié)間一段，護(hù)欄長(zhǎng)度為13.18m；1個(gè)節(jié)間一段，護(hù)欄長(zhǎng)度為6.57m。不同護(hù)欄分段長(zhǎng)度時(shí)的工況一（護(hù)欄自重及橋面鋪裝荷載）、工況二（整體升溫作用）計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同分段長(zhǎng)度的混凝土護(hù)欄截面應(yīng)力 單位：MPa

計(jì)算結(jié)果表明，自重及鋪裝荷載、整體升溫作用下，護(hù)欄分段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，護(hù)欄拉應(yīng)力越大，且護(hù)欄開裂的風(fēng)險(xiǎn)越大；當(dāng)護(hù)欄長(zhǎng)度按照1個(gè)桁架節(jié)間設(shè)置時(shí)，自重及橋面鋪裝、整體升溫對(duì)護(hù)欄開裂影響較小。

3 結(jié)束語

由前文可知，混凝土護(hù)欄最大拉應(yīng)力主要集中于主桁架下弦節(jié)點(diǎn)處，由于節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置有橫梁，且橋面護(hù)欄直接與橋面板現(xiàn)澆，并通過剪力釘與縱梁連接，而縱梁與橫梁采用高強(qiáng)螺栓連接，實(shí)際受力模式接近縱梁與橫梁鉸接的形式，因此結(jié)構(gòu)變形時(shí)，會(huì)受到護(hù)欄的約束而導(dǎo)致應(yīng)力集中于剛度較大的護(hù)欄上，從而發(fā)生護(hù)欄開裂問題。

鋼桁架橋在外荷載及溫度作用時(shí)結(jié)構(gòu)變形較大，如果混凝土護(hù)欄跨桁架節(jié)間設(shè)置時(shí)，會(huì)因約束變形而導(dǎo)致護(hù)欄出現(xiàn)不同程度的開裂。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，護(hù)欄主要考慮豎向受力，沿橋梁縱向鋼筋主要為構(gòu)造配置，當(dāng)結(jié)構(gòu)整體變形較大時(shí)，護(hù)欄縱橋向會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

進(jìn)行鋼桁架橋梁橋面護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)，可以按節(jié)間長(zhǎng)度劃分護(hù)欄長(zhǎng)度，以減小荷載及溫度對(duì)護(hù)欄縱向應(yīng)力的影響，減小護(hù)欄開裂的風(fēng)險(xiǎn)；也可采用鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄避免護(hù)欄開裂問題。