混凝土箱梁的設計與橋梁寬度增加對剪力滯效應影響的分析

代瑞娟

（山西工程技術學院，山西 陽泉 045000）

0 引言

隨著交通流量的快速增加，以及科技水平的飛速發展，箱梁橋寬度有很大的變化，箱梁腹板間距也在增加，同時增加了腹板外懸臂板的懸挑長度，導致箱梁橫截面上出現剪力滯效應。所以，傳統的初等梁理論已經無法繼續使用，而且懸臂施工方法在我國的預應力混凝土箱梁橋中使用的比重較大，剪力滯效應在懸臂施工過程中的作用較為明顯。如果在混凝土箱形橋梁施工控制中對剪力滯效應沒有引起足夠的重視，就會導致計算應力與實測應力相偏離，對結構的實際應力狀態無法全面精準地掌握，造成結構處于預應力失衡的狀態，甚至導致混凝土出現開裂現象，對結構的安全性產生嚴重影響。因此，本文結合某縣橋梁建設對箱梁的設計要點進行介紹，并對橋梁寬度增加對剪力滯效應影響進行了分析。

1 剪力滯效應概述

箱梁界面翼板的縱向翹曲位移容易受到橋體來自對稱豎向彎曲荷載的干擾，而且，如果存在橫向差異的話，也會造成頂底板的縱向位移出現差別[1]，這種情況的發生會造成上下方向彎曲壓力下的橫截面正應力分布出現失衡。當箱梁上面的腹板越靠近翼緣，得到的截面正應力數值越大，相反，當遠離腹板時，得到的截面正應力的數值也就隨之變小，而且，如果將腹板間距擴大的話，剪力滯效應表現得就突出[2]。如果測得截面翼緣與腹板交匯處的實際正應力同采用初等梁理論測算出的實際正應力的比值＞1，那么即是正剪力滯效應，相反，如果比值＜1，則叫做負剪力滯效應，見圖1所示。

圖1 剪力滯效應

一般情況下，為將箱梁截面的剪力滯效應大小明確地反映出來，通常會使用“λ”作為剪力滯系數的表示形式，具體的參考等式如下：

2 箱梁的設計

2.1 工程概況

某縣城為有效連接河岸兩邊城市商區，同時為當地產業集聚區提供便利的交通環境，在河道中間架起了一座公路大橋A。該縣城河道寬在210m左右，有著基本居中的主河槽，近50m寬，是一個相對較寬的河道，有著常年近2m深的水位，河水流速相對平穩緩慢，對于河道的沖刷力度不大，河床相對穩定。建設的公路大橋A與河道成95°度左右的交角。在布置預應力混凝土箱梁時，具體的跨徑為45m+61m+61m+45m，橋梁總長214m，寬度27m。該工程的重點之一為箱梁的設計。

2.2 箱梁設計

（1）具體使用材料：在主梁和調平層方面，主要使用型號為C50的混凝土進行施工，而在蓋梁、立柱、橋墩建造方面，使用的材料型號同樣為C50的混凝土。對于預應力鋼絞線的選擇，必須符合國家標準GB/T 5224-2003，保證預應力鋼絞線能夠在強度和松弛度方面符合標準。對于普通鋼筋的選擇，也需要達到一定的標準，即熱軋HPB300(GB 1499.1-2008)和HRB400(GB1499.2-2007)。

（2）箱梁結構設計：該座大橋在上部結構選擇方面，采用預應力混凝土變截面箱梁，位于主橋墩的位置，橋梁高度達到3m，同時有近1.5m的跨中處梁高。使用二次拋物線的方式設計梁高變化曲線，跨中合攏段的長度達到2m，同時設計13.5m的邊跨支架現澆段。對于箱梁的設計數據要求，頂寬達到26.5m，底寬要保證達到22.5m，有著水平的箱梁底板，設計1.5%雙向橫坡在頂面，同時要求箱梁兩側懸臂板長度達2m。對于懸臂底部的厚度至少要達到50cm，同時要達到18cm的懸臂板端部厚度，而箱梁頂板厚度、底板厚度、腹板厚度分別要達到30cm、30～40cm以及50～60cm，并將倒角設計在截面轉角處。

（3）預應力設計：利用高強度、低松弛的鋼絞線作為橋梁的縱向預應力體系，張拉控制應力等于1860MPa，勢能等于1.95×105MPa，將塑料波紋管制作成孔道，輔以真空形式壓漿。同時，選擇直徑適當、孔群錨數量為15的鋼絞線，作為束材料，而在中跨底板合攏束上，鋼絞線應該選擇規格為15.2mm直徑、12孔群錨，邊跨合攏頂板束則選擇規格為15.2mm直徑、16孔群錨鋼絞線。

（4）支座設計：在支座設計時，最為重要的考慮就是抗震效果，通常采用球形抗震鋼支座，具體的支座設計見圖2所示。

圖2 支座設計圖

（5）施工階段劃分見表1所示。

表1 施工分段表

3 主梁截面正應力變化分析

在澆筑混凝土階段和張拉預應力束階段是整個施工過程中出現主梁截面正應力變化的階段，對于無孔道應力幅值來說，始終小于有孔道模型的頂板正應力幅值，大概相差在1.2MPa以內，孔道影響箱梁界面正應力效果最顯著的階段應該是在合攏之前的施工階段。同時，隨著懸臂施工的不斷推進，箱梁截面會出現越來越大的應力幅值，而造成截面正應力受到孔道的影響逐漸變小[3]。在施工不斷進行的過程中，預應力孔道與無孔道的區別逐漸縮小，這主要是因為在混凝土泥漿灌入孔道使得孔道數量下降，孔道對于截面的影響力也就隨之降低，同時，能夠承受預應力作用的結構孔道數量逐漸增加，在合攏的過程中，預應力孔道與無孔道差距越來越小，這就證明了如果結構受力的過程中，孔道全面參與受力，那么影響頂板的孔道正應力就已經可以忽略不計了。

4 橋梁寬度增加對剪力滯效應影響的分析

在現階段的技術條件下，橋梁寬度的增加可通過箱室個數的增加、腹板間距的增加或翼緣板寬度的增加來確保橋梁建設的質量，本文主要分析前兩種增加對剪力滯效應影響。

4.1 箱室數量增加對剪力滯效應的影響

為了分析橋梁寬度對剪力滯效應的影響，我們通過模型進行模擬實驗，分析剪力滯效應在箱室數量變化后出現的反應。在箱室數量增加的前提條件下，首先會產生的剪力滯系數變化是在頂板和中腹板交匯的位置，頂板的剪力滯系數達到最大，并且在橋梁寬度增加的情況下與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成正比；其次會產生的剪力滯系數變化是在頂板周邊區域，頂板剪力滯系數達到最小，并且在橋梁寬度增加的情況下與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成反比；最后會產生的剪力滯系數變化是在頂板和中腹板交匯的位置，底板的剪力滯系數達到最大，并且在橋梁寬度增加的情況下與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成正比。由此可以證明，如果不考慮腹板間距的變化，那么橋梁寬度增加會影響到箱梁剪力滯效應，但是，造成的影響非常小，完全可以不考慮。

4.2 腹板間距增加對剪力滯效應的影響

在分析腹板間距對橋梁寬度影響時，可以通過模擬實驗的方式進行，只對箱室間距進行改變，而保持箱室個數穩定，在不考慮其他因素作用的情況下，首先會產生的剪力滯系數變化是在頂板和中腹板交匯的位置，頂板的剪力滯系數達到最大，并且在腹板間距增加的情況下與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成正比；其次會產生的剪力滯系數變化是在頂板周邊區域，頂板剪力滯系數達到最小，并且在腹板間距增加的情況下與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成反比；最后會產生的剪力滯系數變化是在頂板和中腹板交匯的位置，底板的剪力滯系數達到最大，并且在腹板間距增加的情況下與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成正比。由此可以證明，剪力滯效應受到腹板間距的影響還是存在的，并且剪力滯效應的變化程度與腹板間距的變化程度成正比，但是，這種變化程度相對并不顯著，如果不考慮橋梁寬度的變化以及其他因素，腹板間距的變化對箱梁剪力滯效應的影響也可以暫不考慮。

5 結束語

本文結合某縣橋梁建設，介紹了箱梁的設計，并對橋梁寬度增加對剪力滯效應影響進行了分析，結論如下：

（1）在橋梁寬度增加的情況下，箱梁的剪力滯系數與無孔道剪力滯系數和有孔道剪力滯系數成正比；

（2）如果不考慮腹板間距的變化，那么橋梁寬度增加會影響到箱梁剪力滯效應，但是，造成的影響非常小，完全可以不考慮。

（3）剪力滯效應的變化程度與腹板間距的變化程度成正比，但是，這種變化程度相對并不顯著，如果不考慮橋梁寬度的變化以及其他因素，腹板間距的變化對箱梁剪力滯效應的影響也可以暫不考慮。