連續剛構橋箱梁腹板開裂成因及應力限值的相關探索

黃利友

【關鍵詞】連續剛構橋;箱梁腹板開裂;問題成因;應力限值

【中圖分類號】U448.23 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）08-0192-03

0 前言

近年來，部分連續剛構橋在建設和運行過程中表現出箱梁腹板、頂板、底板、橫隔板等部分開裂的情況，相關問題的存在不僅會影響連續剛構橋的整體質量和使用壽命，還會影響橋梁建設和運營安全。因此，為保障連續剛構橋的使用安全和使用壽命，必須對箱梁開裂成因進行分析研究，這對于箱梁養護、建設及設計具有重要意義。據此，本文將對連續剛構橋箱梁腹板開裂成因進行研究分析，以期能夠對箱梁腹板開裂問題的有效解決提供一定參考。

1 連續剛構箱梁橋裂縫類型

1.1 邊跨梁端腹板斜裂縫

連續剛構箱梁橋邊跨張拉的預應力筋需要錨固在邊跨端部，因為該結構部分存在錨固應力，而且混凝土具有橫向變形的特性，所以該結構具有較強的拉應力;邊跨端部的常規做法是在施工接近至最大懸臂時，在支架上進行一次澆筑，該結構在體系轉換后會受到次內力和支座反力的影響。由于邊跨端部的腹板受力復雜，因此雖然在施工中施工人員非常注意技術處理，但是腹板出現斜裂縫的現象仍然屢見不鮮。

1.2 中跨L/3～L/4處腹板斜裂縫

中跨L/3～L/4處腹板斜裂縫的主要表現特征為距中跨跨中10～20 m的地方，裂縫呈斜向延伸，當延伸到頂、底板時則呈橫向延伸，此類裂縫的對稱性明顯。這種裂縫的產生受剪應力和腹板豎向應力的影響。在較早時期，在設計連續剛構箱梁橋時，受到當時施工條件的限制，設計人員在對箱梁橋進行計算時一般采用平面桿系有限元結合經驗系數的方法，忽略了箱梁結構實際存在的空間效應和畸變的影響，因此會導致裂縫的出現。

1.3 箱梁頂、底板縱向裂縫

箱梁頂、底板縱向裂縫的特征是長度不一，方向平行，底板裂縫多于頂板。箱梁橋頂板及底板的縱向開裂的原因比較復雜，一般認為是箱粱結構的畸變和橫向彎曲，以及溫度梯度效應、變截面箱梁合攏束張拉等均可導致箱梁縱向開裂。

1.4 齒板裂縫

齒板尺寸較小，但是設置了齒板的結構往往會采用大噸位的預應力體系，使得齒板承受很大的壓應力，巨大的壓應力將產生劈裂應力，若未采取足夠的措施，將導致齒板附近的混凝土開裂。

2 工程概況

某連續剛構橋為箱形連續橋，其主跨采用上下分離型設計，截面為單箱單室截面。橋墩高程約108 m，箱梁底板寬約8 m，頂板寬約15.8 m，箱梁兩側懸臂各3.9 m，箱梁高程區間為2.2～5.6 m，腹板寬0.5 m，箱梁底緣呈現拋物線性變化。箱梁縱向預應力鋼筋采用φs15.2 mm的鋼絞線、豎向預應力鋼筋采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋，其中縱向預應力鋼筋的標準強度為1 860 MPa，錨下張拉控制應力為1 395 MPa;豎向預應力鋼筋的張拉力為0.8×830 MPa，單根預應力鋼筋的橫截面面積為8.044×10-4 m2。

3 連續剛構橋箱梁腹板開裂原因分析

連續剛構橋箱梁腹板開裂原因分析將會分別采用Midas有限元分析軟件和ANSYS軟件進行，其中前者主要用于主梁的仿真分析，后者主要用于局部的仿真分析 [1]。在局部分析過程中，主跨將會通過Solid 65三維實體單元模擬主跨所采用的混凝土材料，同時在模型坐標系構建時，X軸、Y軸和Z軸分別作為橋梁的縱向、橫向及豎向，所構成的模型如圖1和圖2所示，其中圖2中模型的起止點為X軸的21.5 m和39 m。

3.1 豎向預應力損失

某連續剛構橋豎向預應力鋼筋采用的精軋螺紋鋼筋，在橋梁建設及運營過程中隨著時間的不斷推移，螺母和精軋螺紋鋼筋的間距損失和螺母錨固損失持續增加。基于此種情況，文章分別模擬預應力損失為0、30%、50% 3種條件下豎向預應力損失，分析導致連續剛構橋線路腹板開裂的原因。

在模擬分析過程中，結合當前現行規范標準，確定連續剛構橋的預應力混凝土拉應力σtp和主因應力σcp的計算公式如下 [2]：

在以上公式中：σcx為混凝土向應力，Ms主要是由Ms和預加力產生;Ms為混凝土作用短期組合效應所產生的彎矩;σcy為鋼筋混凝土豎向壓力;τ為彎折預應力鋼筋產生的預加力和Vs共同產生的混凝土剪應力;Vs為由作用短期效應組合計算的剪力;σpc為去除預應力損失后的預壓應力;y0為主應力點到重心軸之間的距離;n為在同一截面上豎向預應力鋼筋總數;σ■■為豎向預應力鋼筋提供的預應力;Apv為豎向預應力鋼筋橫截面面積;sv為豎向預應力鋼筋之間的間距;b為主應力點處箱梁腹板寬度;I0為連續剛構橋慣性力矩。

根據圖1中的某連續剛構橋整體模型，基于上述公式，可以計算出連續剛構橋主梁各點主壓應力值，具體計算點如圖3所示。不同點的豎向有效預應力下的主壓應力值見表1，不同豎向預應力損失之間的拉應力變化情況見表2。

由表1和表2可知，箱梁腹板的主壓應力和主拉應力會隨著主梁預應力損失的變化而變化，并且在預應力損失增加的情況下，主壓應力變化較小、主拉應力變化較大 [3]，隨著主梁預應力損失的持續變化，箱梁腹板的主拉應力變化也將會逐漸明顯，一定情況下甚至可能會出現拉應力變化值大于1 MPa的情況。

根據圖2中的局部模型分別對0、30%、50% 3種預應力損失情況下的箱梁腹板受力情況進行模擬分析，最終獲取到圖4中的分析結果。

由圖4可知，隨著豎向預應力損失的持續增加，連續剛構橋腹板開裂情況也逐漸嚴重，尤其在豎向預應力損失達到50%時，腹板已經出現明顯開裂的情況 [4]。由此可見，豎向預應力損失將會對腹板開裂產生直接的影響，不僅需要在設計過程中對相關因素進行充分考慮，還需要在施工過程中嚴格控制施工標準，避免因人為因素引發的預應力損失問題，避免腹板出現應力不符合設計要求而引發的腹板開裂情況。

3.2 環境溫度

通常情況下，環境溫度對連續剛構橋箱梁腹板造成的影響由年溫差和局部溫差兩個部分組成，在對兩種影響進行模擬的過程中，年溫差所造成的影響需要對整體結構進行充分考慮。若是針對溫度結構，那么年溫差通常會造成均值變化，若是針對無水平約束結構，那么只會造成結構均勻收縮，卻不會引發結構整體出現溫度應力情況。若是結構呈現均勻伸縮約束，那么年溫差所造成的影響將會產生溫度應力，進而影響整體結構及應力變化;對于局部溫差，其所造成的影響在箱梁腹板上主要體現出沿界面高度方向的日照溫差影響。

確定受日照的影響，“T”形連續梁橋面板與其他結構之間會產生溫度差，進而產生溫度應力。結合現有資料可知，在部分季節中，連續剛構橋的箱梁頂板和頂板之間的溫差可達到10～15 ℃ [5]。穩定應力應包括溫度自應力和溫度次應力，相關因素主要受到混凝土及橋面板的影響，其中溫度自應力的計算公式如下：

基于上述公式，分別對某連續剛構橋的溫度自應力和溫度次應力進行計算分析，根據某連續剛構橋的實際情況，在對溫度應力進行計算時應考慮頂板與底板之間的溫度變化，假設主梁整體降溫20 ℃，那么頂板可能會降溫15 ℃，腹板和底板則可能會降溫20 ℃，進而導致頂板與腹板和底板之間存在溫度差，溫度差為5 ℃ [6]。兩種情況所造成的影響如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，結構存在溫度差的情況則會導致箱梁腹板存在明顯開裂情況，并且此種情況會隨著溫度差的增加而越發嚴重，然而將我國現行標準與國際標準進行對比后可以發現，我國現行標準中的規范溫度差相對較低[7]，以此進行設計的橋梁將可能會存在一定的安全隱患，應進一步規范溫度差，以此提高應力限值，確保連續剛構橋在建設和運營過程中箱梁腹板的整體質量。

4 結語

綜上所述，本文以某連續剛構橋為研究對象，通過仿真模擬分析的方式最終確定線路腹板開裂的成因為豎向預應力損失及頂板和底板之間的溫度差，并且結合我國現行標準分析后發現，我國現行標準中的規范溫度差相對較低，以此進行設計的連續剛構橋將會存在一定的安全隱患，應對相關標準進行完善，進而提高連續剛構橋的整體應力限值，保障連續剛構橋在建設與運營中的整體質量及使用壽命。

參 考 文 獻

[1]張曉.連續剛構橋箱梁腹板裂縫成因分析及預應力效應研究[D].西安：長安大學，2015.

[2]杜斌，趙人達.大跨預應力混凝土連續剛構橋箱梁裂縫成因分析及防治對策[J].四川建筑科學研究，2010，36

（3）：77-81.

[3]唐小兵，賈志偉，黃愛.連續剛構橋施工過程中腹板斜裂縫成因分析及試驗研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2017，41（2）：195-198.

[4]羅岸峰.連續剛構橋箱梁腹板裂縫產生主要原因分析[J].工程技術（文摘版）·建筑，2016（7）：282.

[5]肖光宏，張秋陵.連續剛構橋箱梁L/4截面腹板裂縫成因分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2010，29

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[6]姜震.連續剛構箱梁橋腹板及頂板裂縫成因分析與維修加固[D].哈爾濱：東北林業大學，2013.

[7]衛星，趙駿銘，肖林，等.連續剛構橋施工過程中腹板裂縫檢測與研究[J].鐵道工程學報，2019（7）：38-43.