淺析漸變側(cè)壓工況下非閉合受力體系結(jié)構(gòu)受扭變形裂縫及應(yīng)對措施

鄭秋蘭

（中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司，福州 350013）

1 緒論

非閉合受力體系是區(qū)別于環(huán)向閉合受力體系的一種結(jié)構(gòu)類型，其主要的特征是：存在至少一個固定節(jié)點(diǎn)及一個以上自由懸臂結(jié)構(gòu)形成的非閉合結(jié)構(gòu)， 其主要代表構(gòu)件有：U 型槽、L 型擋墻、蓋板箱涵等。 在公路路基或橋涵工程中，此類非閉合受力體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分普遍。

由于受實(shí)際地型限制， 實(shí)際中非閉合受力體系結(jié)構(gòu)并不是理想等截面型式， 一般會隨著地型地勢或線路坡度需求，產(chǎn)生側(cè)向高度漸變的結(jié)構(gòu)樣式；且此類結(jié)構(gòu)承受側(cè)向壓力的是其自由懸臂端， 故高度漸變的非閉合受力體系結(jié)構(gòu)常處于側(cè)向壓力漸變的工況影響下。

工程設(shè)計(jì)中， 往往以非閉合受力體系結(jié)構(gòu)的橫截面受力計(jì)算為主，對此體系縱向的空間變形考慮較少，工程實(shí)踐中就常出現(xiàn)體系縱向變形為主導(dǎo)因素的結(jié)構(gòu)裂縫。

本文選取非閉合受力體系中常見的公路U 型槽作為受力分析模形（見圖1 及圖2），結(jié)合現(xiàn)場內(nèi)力變化監(jiān)測數(shù)據(jù)， 分析側(cè)壓漸變工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力作用因素引起的受扭變形，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

圖1 U 型槽鳥瞰圖

圖2 U 型槽斷面示意圖

2 工程案例背景

2.1 工程概況

某市設(shè)計(jì)某公路工程起于規(guī)劃324 國道北側(cè)， 下穿規(guī)劃的324 國道、鷹廈左線、某物流貨車聯(lián)絡(luò)線、廈深鐵路、鷹廈右線。 框架橋規(guī)劃路路幅為（8+11+2+11+8）m，規(guī)劃路紅線寬為40m，道路等級為城市主干道，設(shè)計(jì)行車速度為60km/h。

穿過鷹廈右線主車道分別采用1-13.5m 框架， 道路左右幅框架長度分別為30.63m、29.63m，左右框架兩端均設(shè)鋼筋混凝土U 型槽； 左右非機(jī)動車道采用1-5.5m 框架， 左右非機(jī)動車道框架長度分別為21.23m、17.43m，其左右非機(jī)動車道框架兩端分別接鋼筋混凝土U 型槽，基坑開挖深度7～9m（見圖3）。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此U 型槽主體結(jié)構(gòu)每70m 設(shè)置一條變形縫。U 型槽主體結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)場和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)和施工方案設(shè)計(jì)， 將每兩個變形縫之間主體結(jié)構(gòu)劃分成2 個施工槽段并設(shè)置施工縫， 每個施工槽段長約35m，各槽段自小里程往大里程依次流水施工。同一槽段內(nèi)，各構(gòu)件施工順序由下至上。

圖3 U 型槽立面圖

2.2 案例選取的代表性與普適性

雖然公路工程中非閉合受力體系有眾多的代表性構(gòu)件，但是從代表性和普適性兩個方面考慮，U 型槽是最具代表性的。 其主要理由為：

（1）U 型槽具備了所有非閉合受力體系擋土墻的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特征，特別是自由懸臂端受彎，以及線路向具備結(jié)構(gòu)剛度。

（2）由于蓋板涵頂與側(cè)墻屬非固定連接結(jié)構(gòu)，側(cè)墻水平方向有一定的自由度，類似自由懸臂端。 故U 型槽可以代表其受力特點(diǎn)。

（3）大部分U 型槽設(shè)置在坡度變化段，作用在結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力漸變效果明顯。

（4）由于大部分U 型槽均有受到側(cè)壓作用，且為保證施工的安全，設(shè)計(jì)不可避免的采用支護(hù)措施，對在分析其側(cè)壓力時應(yīng)考慮支護(hù)措施的影響，目前U 型槽深基坑支護(hù)一般采用圍護(hù)樁。 未采用支護(hù)的U 型槽其側(cè)壓分析，可利用在有支護(hù)的受力分析基礎(chǔ)上進(jìn)行等效簡化。

（5）U 型槽變形縫間距設(shè)置一般較長，在漸變側(cè)壓工況作用下，受扭變形更加明顯。

綜上所述，本文所選案例中的U 型槽，既有漸變側(cè)壓工況，又有支護(hù)構(gòu)造。 故既滿足了結(jié)構(gòu)受力的代表性，又體現(xiàn)了U 型槽的普適性。

3 側(cè)壓漸變工況下的變形特征

3.1 結(jié)構(gòu)側(cè)墻受扭變形裂縫的規(guī)律統(tǒng)計(jì)

（1）U 型槽側(cè)墻施工工藝及裂縫出現(xiàn)狀況

由于U 型槽主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻高約7～10m， 需分上下兩部分分別施工。 依次為底板→拆除第二道支撐→側(cè)墻下部→拆除第一道支撐→側(cè)墻上部→兩側(cè)回填。

當(dāng)側(cè)墻下部模板拆除時，主體結(jié)構(gòu)開始開裂。隨著相鄰槽段和上側(cè)墻的施工，裂縫開始由少到多逐漸出現(xiàn),特別是相鄰槽段的混凝土支架或鋼支架拆除后的第3 天至第4 天，混凝土表面開始出現(xiàn)裂縫，并逐漸擴(kuò)展為裂隙。在上部側(cè)墻施工完成后，會連通出現(xiàn)在上部側(cè)墻，且所有裂縫的上下界限有規(guī)律性。

（2）U 型槽側(cè)墻裂縫出現(xiàn)特點(diǎn)

①單條裂縫一般從頂部開始，下限呈反拋物線，長度最長上至側(cè)墻頂，下至底板頂。最長裂縫一般出現(xiàn)在構(gòu)件中部偏高段（見圖4）；

②裂縫寬度最大0.4～0.6mm；

③豎向裂縫是常態(tài)，相互間基本平行；

圖4 U 型槽側(cè)墻裂縫位置示意立面圖

④裂縫寬度呈倒三角形，頂端大，底端小；

⑤豎向裂縫全側(cè)墻貫通；

⑥側(cè)墻的裂縫均延伸至頂部，且以最長裂縫為中心，裂縫向兩側(cè)由密至疏，由長至短分布排列。

3.2 結(jié)構(gòu)變形裂縫的規(guī)律分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，結(jié)構(gòu)變形裂縫的規(guī)律分析如下：

(1)裂縫間距收斂趨勢與側(cè)壓漸變趨勢反向一致性

根據(jù)裂縫分布圖可以看出。 雖然裂縫間距收斂趨勢呈相向收斂， 但是從結(jié)構(gòu)上分析， 分析對像構(gòu)件長度有限，經(jīng)多個相似構(gòu)件裂縫統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件縱向越長，裂縫間距收斂中心越向高度側(cè)偏移。 故可以看作裂縫間距收斂趨勢與側(cè)壓漸變趨勢反向一致性， 即側(cè)壓漸變趨勢決定的裂縫分布趨勢， 且漸變趨勢大小與裂縫分布密度呈正相關(guān)性。

(2)裂縫間距比與U 型槽側(cè)墻剛度比的相關(guān)性

裂縫間距比即是相鄰裂縫間距之比， 裂縫間距比可以體現(xiàn)裂縫密度的變化。 U 型槽側(cè)墻剛度比指的是側(cè)墻高度與側(cè)墻平均寬度之比（也稱長細(xì)比）。 兩個指標(biāo)對比可以發(fā)現(xiàn)，最大裂縫低端側(cè)，側(cè)墻剛度比越小，裂縫間距比也相應(yīng)變小，呈正相關(guān)性，最大裂縫高端側(cè)則相關(guān)，呈負(fù)相關(guān)性。

4 結(jié)構(gòu)受力變形因素分析及建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)側(cè)壓漸變工況下的變形特征分析，U 型槽側(cè)墻變形主要體現(xiàn)為受扭變形， 其產(chǎn)生及對結(jié)構(gòu)的時空作用分析如下：

（1）原設(shè)計(jì)工程受力模型與實(shí)際受力偏差因系分析

公路U 型槽在原設(shè)計(jì)時，一般以橫（正）截面為主作為受力分析模型，在模型基礎(chǔ)上根據(jù)不同時期拆撐、回填等工況，模擬計(jì)算橫（正）截面的彎矩、軸力、剪力等，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋和截面大小設(shè)計(jì)、 正常使用裂縫計(jì)算、沉降計(jì)算等。

在工程實(shí)際中U 型槽不僅在橫（正）截面上表現(xiàn)為變形，由于支護(hù)的變化，回填的加入等因素，實(shí)際上沿線路縱向也發(fā)生了變形， 這通過現(xiàn)場實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)可以得出。

U 型槽在沿線路方向上，自由變形端（側(cè)墻）所受側(cè)壓力是一個線性變化狀態(tài)(見圖5)，這使得U 型槽側(cè)墻受到了扭曲作用。并且側(cè)墻的剛度不是一個均勻體，在彎扭作用下， 不可避免在施工過程中剛度薄弱處產(chǎn)生水平剪力，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)垂直裂縫。

圖5 U 型槽側(cè)墻側(cè)壓力漸變示意圖

（2）建立側(cè)壓漸變工況實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图坝?jì)算原理

為了驗(yàn)證U 型槽結(jié)構(gòu)受力變形因素理論分析的結(jié)論，根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶纯v向受扭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受扭構(gòu)件預(yù)估變形裂縫處的拉力和剪力通過應(yīng)變計(jì)讀取。 依據(jù)以上分析，先估算出側(cè)墻最長裂縫區(qū)域，選取未施工的槽段布設(shè)測點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)力監(jiān)測， 主要圍繞最長裂縫周邊展開監(jiān)測。

測點(diǎn)安放側(cè)墻外中內(nèi)三處， 推斷裂縫的發(fā)展方向及監(jiān)測混凝土外墻內(nèi)部的健康狀態(tài)。 采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測試驗(yàn)來獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)力的應(yīng)變（變形）數(shù)據(jù)。 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可以用結(jié)構(gòu)的彈性模量來計(jì)算。一般情況下，應(yīng)變計(jì)的初始值在應(yīng)變計(jì)安裝完畢且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后讀取， 當(dāng)結(jié)構(gòu)受力或其他條件影響時，再讀取應(yīng)變計(jì)的測量值。 此時，差值=（測量值-初始值）是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變條件,這個差值包括影響結(jié)構(gòu)變形的所有因素。在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)盡可能采取措施消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力前后測得的應(yīng)變片的差異， 消除結(jié)構(gòu)溫度和化學(xué)變化對結(jié)構(gòu)變形的影響(設(shè)置降溫管)，消除以上差異后才能得到較準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

5 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

先建立側(cè)壓漸變工況實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?并在現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，側(cè)墻每個斷面布設(shè)上中下三處,每處設(shè)外中內(nèi)三點(diǎn)。 為減小溫度應(yīng)力的影響，側(cè)墻內(nèi)埋置降溫管，施工混凝土過程中進(jìn)行通水降溫（見圖6～9）。

圖6 應(yīng)變計(jì)實(shí)物圖

圖7 現(xiàn)場布置圖

圖8 應(yīng)變計(jì)立面布設(shè)圖

圖9 應(yīng)變計(jì)平面布設(shè)圖

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)例發(fā)現(xiàn)，在線路方向上，U 型槽最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在事先估算出的最長裂縫右側(cè)30cm 處，且以最長裂縫為中心，兩側(cè)的剪應(yīng)力呈曲線下降，下降幅度與裂縫密度呈正相關(guān)。

各裂縫區(qū)域內(nèi)的外中內(nèi)三個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，均表現(xiàn)出構(gòu)件受扭變形破壞的力學(xué)特點(diǎn)，以最長裂縫處為例（見圖10），側(cè)墻中部變形最小，內(nèi)外變形大，呈明顯的扭剪特點(diǎn)。

圖10 最長裂縫處應(yīng)變計(jì)力讀數(shù)曲線圖

6 分析結(jié)論及應(yīng)對措施

(1)根據(jù)理論分析及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以明確得知，U型槽側(cè)壓漸變工況作用下， 受扭作用對結(jié)構(gòu)的破壞明顯大于原設(shè)計(jì)考慮或常規(guī)工況。 在U 型槽所代表的非閉合受力體系結(jié)構(gòu)中，均存在類似情況。

(2)為避免此類變形裂縫，最直接的措施為每一定間距增加橫向剛度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如U 型槽增加暗柱或橫墻，L型擋墻增加分隔三角墻。