大跨徑寬箱連續剛構橋空間效應分析

杜永超

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司,遼寧 沈陽 110166）

0 引言

伴隨著交通運輸業的不斷發展和基建能力的不斷提升，大跨徑橋梁的建設逐漸增多，尤其是我國西南地區，崇山峻嶺、地形復雜，大跨徑橋梁成為山區橋梁建設的重要橋型[1]。

連續剛構橋的適用范圍在80～300 m 之間，符合我國橋梁設計安全、經濟、美觀的原則，不僅能夠適用于平原，也能夠適用于山區等復雜環境，在國內橋梁建設中得到廣泛推廣。連續剛構橋結合了T 形剛構橋和連續梁的優點，橋梁整體性強[2]。連續剛構橋的車輛行駛較為平穩舒適，橋墩具有一定的柔度，能夠形成穩定的擺動支撐體系[3]。連續剛構橋主要采用從墩頂向兩端對稱平衡、逐節段施工的方法，并先進行邊跨合龍再進行中跨合龍，從而可以將跨中正彎矩轉化為支點負彎矩，方便變截面的設計，在節省了建設材料的同時，又提升了橋梁穩定、安全等性能，使橋梁的跨越能力得到大大提高[4]。

1 大跨徑連續剛構橋病害及應對措施

大跨徑連續剛構橋較為容易出現的病害一般可以分為兩種：一種是跨中過度下撓，一種是箱梁開裂。

1.1 跨中過度下撓原因分析

跨中過度下撓出現的原因包括：一是連續剛構橋采用強度較高的混凝土薄壁箱型主梁，雖然可以減輕箱梁自身重量，但混凝土的徐變受混凝土加載齡期的影響較大，徐變系數與加載齡期變化呈相反趨勢，混凝土加載齡期時間越短，徐變相應的也會越大[5]。為了盡量縮短橋梁建設的工期，混凝土未達到齡期要求便開始進行預應力張拉，因而使加載齡期變短，而徐變系數相應變大，主梁下撓值增大。施工過程中出現的橋面線形問題可以通過設置預拱度方法進行修正，但對跨中過度下撓問題卻不能有效控制。大跨徑梁橋箱形截面的輕薄化、混凝土強度等級的提升、混凝土加載齡期減少等多項因素的疊加，使徐變效應越來越大。二是徐變變形與預應力度的變化呈相反趨勢，由此可見，大跨度預應力混凝土連續剛構橋梁的預應力度如果較小，徐變變形會相應較大，從而導致主梁下擾變形增大。從已有的連續剛構橋調查發現，孔道的壓降存在不飽和情況，導致孔道內存在著一定的孔隙，甚至出現了漿體分離的現象，如此孔道內的預應力束會出現銹蝕現象，使有效預應力逐漸減小，不僅僅導致梁體出現下撓情況，還會導致受彎豎向裂縫，使抗主拉應力的能力降低。三是未考慮荷載長期效應的影響，伴隨時間不斷推移，橋梁構件的剛度會逐漸減小，撓度慢慢變大，出現此種情況的原因是徐變在受壓區混凝土上逐漸顯現，鋼筋與混凝土的黏結作用在受拉區裂縫處逐漸失效，鋼筋的平均應變變大，混凝土的收縮情況在受壓區和受拉區出現了不同步，混凝土的彈性模量逐漸減小。四是跨中下撓過大會讓結構出現開裂，結構開裂又會加大下撓，形成惡性循環。

1.2 箱梁裂縫原因分析

箱梁裂縫出現的原因包括如下幾種：一是預應力鋼筋的布置不當導致出現斜裂縫；二是孔跨布置不當。若中邊跨比值過大，邊跨的支點位置會出現上拉力，邊跨與薄壁墩之間受力變得不平衡，主墩的受力容易出現不均衡情況；中邊跨比過小時，連續剛構不同跨的剛度會有較大的區別，箱梁頂板、底板、腹板都有結構性裂縫出現的可能。三是界面尺寸的大小。箱梁高度尺寸不足時，結構恒載內力能夠相應降低，但同時會使結構剛度有所降低，構件截面的承重下降。同時會使預應力的作用減小，主拉應力在箱梁腹板位置出現損壞。腹板厚度的大小影響箱梁腹板主拉應力的大小，忽略箱梁橫向受力，會使腹板出現斜向開裂的情況。頂板和底板的厚度達不到標準時，各種形式的裂縫會出現在頂板和底板上，頂板出現縱向裂縫的原因之一就是發生超載情況。四是溫度梯度。日光的照射下，橋面板、腹板側面的溫度會大幅度高于其他不受太陽直射的構件，從而使箱內和箱外的出現較大的溫差，由于箱梁自身約束的作用，部分位置的拉應力較大，導致裂縫的出現。五是剪力滯效應。由于剪力滯效應的發生，縱向翹曲位移會在箱梁上出現，縱向位移差會在上翼緣板、底板中央和腹板交匯處產生，導致箱梁各部位出現應力分布不均勻，當箱梁寬跨比、寬高比較大時，頂板的縱向受力會不均勻分布，導致裂縫的出現。六是箱梁畸變。如果箱壁的長寬高較小，同時橫隔板較薄時，會出現箱梁的橫向應力超過撓曲應力的情況，裂縫在箱形截面的頂板、腹板和底板均有出現的可能，常見的箱梁裂縫如表1 所示。

1.3 病害應對措施

基于上述大跨度連續剛構橋存在的病害情況以及病害原因，應對病害的措施主要包括：一是優化縱向預應力束的布置，跨內縱向預應力束下彎到箱梁截面中心附近，從而改善腹板的主拉應力；二是改善豎向預應力筋設計，減小預應力的損失；三是優化預應力張拉順序及時間，縱向預應力采取混凝土齡期與強度同時控制的方式來避免混凝土后期出現收縮徐變過大的情況。

2 不同跨徑寬箱橋梁的剪力滯效應分析

2.1 剪力滯效應

箱梁空間效應的一個重要表現內容便是箱梁的剪力滯效應，如果箱梁出現了縱向彎曲情況，彎曲正應力會從翼緣一側通過腹板傳遞到另一側，在腹板與翼緣板的相交位置，腹板所傳遞的剪力流達到最大值，剪力流在向翼緣板傳遞的過程中，上、下板均會發生一定程度的變形，導致向板內傳遞的力不斷減小，從而使彎曲正應力的橫向分布沿著翼緣板呈現曲線形狀，當靠近腹板處的翼緣板中的縱向應力小于正應力時，即為負剪力滯效應，反之則為正剪力滯效應。為了方便描述箱梁剪力滯效應的影響效果，引入了箱梁剪力滯效應系數為箱梁截面上下板各位置的應力與箱梁截面上下板的應力平均值的比值。

2.2 不同跨徑寬箱橋梁的模型構建

該文以我國西南地區某特大跨徑連續剛構橋的物理特性為基礎，利用有限元分析軟件Midas 對不同箱寬狀況下橋梁受到三維預應力時的空間效應進行分析，大橋的主要技術標準如下：荷載等級為公路-Ⅰ級；單幅橋寬18 m，全橋寬度2×18 m；設計車速為100 km/h。大橋采用雙幅布置，間距9 m，橋梁以單箱單室箱形截面構成箱梁結構，頂板尺寸寬18 m，底板尺寸寬9 m。箱梁采用C60 混凝土，主墩采用C50 混凝土。

隨著箱梁寬度的越來越大，箱梁的空間效應也會更加凸顯，箱梁的剪力滯效應隨之會更加的顯著，依托大橋的基礎物理特性，將單箱箱寬增加至22 m，通過模擬兩種箱寬下的空間效應，分析研究不同箱寬下剪力滯效應的變化規律，兩種箱梁的截面如圖1 所示。

圖1 A、B 橋箱梁截面圖（m）

2.3 模型剪力滯系數模擬結果分析

連續剛構橋制作采用剛性約束，主墩墩底截面施加x、y、z三個方向的約束，兩邊跨懸臂端施加y、z兩個方向約束，成橋階段A、B 梁橋剪力滯效應沿橋梁方向頂板腹板中心對齊點、底板腹板中心對齊點、頂板中心點和底板中心點的剪力滯系數分布圖如圖2～3 所示。

圖2 A、B 橋頂板、底板腹板中心對齊點剪力滯系數沿程分布圖

圖3 A、B 橋頂板中心點剪力滯系數沿程分布圖

可以看出，箱梁頂板剪力滯效應在薄壁墩以外為正，在薄壁墩之間為負。正剪力滯效應距離主墩越遠，效應越明顯，表明箱梁的寬高比對箱梁剪力滯效應有一定的影響，當截面的高度增加時，剪力滯效應反而減小。頂板剪力滯效應較為明顯，A 橋的頂板正剪力滯效應系數范圍在1.3～1.7，負剪力滯效應系數較小，僅在薄壁墩附近顯現，且剪力滯系數在1.15 左右。B 橋頂板正剪力滯效應系數范圍在1.2～1.6，負剪力滯效應在薄壁墩附件顯現且系數較小，表明此處頂板受力較為均勻。底板剪力滯效應較為不明顯，薄壁墩兩側為正剪力滯效應，其余部位為負剪力滯效應。位于20 m 箱梁節段處的底板正負剪力滯效應有明顯的轉換，表明此處底板的受力變化較大。箱梁剪力滯效應在頂板的作用與底板相比較明顯，剪力滯效應隨著箱梁寬度的增加，剪力滯效應越來越明顯。A 橋剪力滯效應系數在1.45 上下浮動，而B 橋的剪力滯效應在1.35 上下浮動，兩橋剪力滯效應平均值相差在0.1 左右，剪力滯效應增加比例為7.4%，表明箱梁寬度對大跨徑連續剛構橋構件的剪力滯效應具有較大的影響。

3 結語

大跨徑箱梁連續剛構橋容易出現跨中過度下撓和箱梁開裂的情況，在橋梁設計之初，對橋梁的空間效應進行模擬分析，以改善后期使用過程中橋梁構件可能出現的病害。該文以我國西南地區某特大跨徑連續剛構橋的物理特性為基礎，利用有限元分析軟件Midas 對不同箱寬狀況下橋梁受到三維預應力時的空間效應進行分析，可以得出以下結論：

（1）箱梁的剪力滯效應隨著箱梁寬度的增加，剪力滯效應越來越明顯，箱梁的寬度對大跨徑連續剛構橋構件的剪力滯效應具有較大的影響。

（2）成橋階段箱梁剪力滯效應在頂板的表現與底板相比較明顯，箱梁頂板剪力滯效應在薄壁墩之間為負剪力滯，在其他位置為正剪力滯。底板剪力滯效應較為不明顯，薄壁墩兩側為正剪力滯效應，其余部位為負剪力滯效應。