預應力混凝土箱梁橋腹板裂縫影響因素研究

韓宏偉，苗建偉

(山東省公路設計咨詢有限公司 濟南市 250000)

0 引言

腹板斜裂縫使得箱梁截面強度和剛度削弱，截面鋼筋易于銹蝕，導致橋梁耐久性及承載能力下降，對橋梁結構的安全運營產生較大影響[1]。雖然大量的橋梁工程從業者對箱梁橋的腹板產生裂縫進行了探究，但是使用階段腹板發生開裂的情況依舊存在，因而要繼續摸索解決之道。

1 橋梁工程概況

依托某連續剛構橋(75+2×140+75)m，公路-Ⅰ級。設計截面采用單箱單室，跨中處梁高3.2m，橋墩處梁高8.3m，跨中-0號塊箱梁高度使用1.8次拋物線過渡，剛構橋除布置縱向預應力外，在橫向和豎向也施加了預應力，其橫斷面見圖1。

圖1 箱梁橫斷面圖

2 豎向預應力對腹板開裂的影響

為了方便研究箱梁腹板的受力情況，將腹板簡化為薄壁結構，采用平面狀態來分析箱梁腹板的受力。腹板內微小部分的應力符合式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：σx、σy、τxy依次代表腹板內的縱向應力、豎向應力、剪切應力；σc、σl分別表示混凝土的抗壓和抗拉強度；Qn代表剪切力；Sy代表截面凈距；I代表截面的慣性矩；bw代表腹板厚度。

(4)

(5)

分析得到：箱梁縱向正應力滿足規范，可以通過兩種方式降低腹板內主拉應力：合適的豎向預加力、降低腹板內剪切應力。

圖2 剛構橋模型

使用ANSYS建立橋梁模型如圖2，混凝土使用SOLID45單元，預應力筋使用LINK8單元，鋼筋和混凝土之間進行耦合連接。

研究箱梁腹板受力，選取某一施工過程為例，程序中只考慮結構自身重力和預應力，以三個節點(腹板頂部、腹板中點、腹板底部)為例進行研究，通過施加100%設計預應力、60%設計預應力、40%設計預應力模擬不同豎直方向預應力損失時，腹板三個特殊點的主應力，數據整理繪制圖3～圖5。

圖3 ①號位置主應力曲線

圖4 ②號位置主應力曲線

圖5 ③號位置主應力曲線

仔細研究分析圖3～圖5可知：豎向預應力與箱梁腹板內的主應力是有聯系的，預應力損失越大，那么主拉應力越大，同時主壓應力越??；換而言之，施加適當的豎向預加力，能夠減小主拉應力，提高相應的壓應力儲備。

因而橋梁工程師在進行箱梁橋設計工作時，要有超前意識，不僅僅立足于當前設計，還要考慮后續漫長的運營期，采取一定措施以保證施加預應力的有效性。

(1)改良豎向預加力的錨固形式，即將常規的錨具改良為整體錨墊板，除了能夠保證有效的豎向預加力，還能夠提高整體工作性能，改善傳統錨具之間的受力性能(減小或者使兩根鋼束之間的預應力盲區消失)。

(2)將傳統的豎向預應力筋改進為布置環向預應力鋼筋，即預應力筋由直線改進為U形，這種改變可以提高預應力筋的長度，對于保證有效預應力具有很大幫助；預應力鋼束采用U形時，相應的張拉方式也變為了兩端張拉，相比一端張拉，兩端張拉可以更能保證灌漿質量，更加有效地保證豎向預加力發揮應有的作用。

(3)調整常規的豎直布置豎向預應力鋼束為傾斜布置(與豎直方向存在一定角度，保證預應力與主拉應力處于相同方向)，有一定傾角能夠最大化使用預加應力，同時能夠減少兩鋼束縱橋向間距，改善鋼束間的預應力盲區，從而可以減緩腹板開裂。

3 腹板下彎鋼束對腹板開裂的影響

為了研究腹板下彎鋼束的作用，選擇了兩個布筋方案進行探究：

(1)橋墩左右四分之一跨徑內設計腹板下彎鋼束，箱梁腹板沿縱橋向按照0.5m的間距設置豎向鋼束。

(2)橋墩左右四分之一跨徑內不設計腹板下彎鋼束，將腹板下彎束等效成同樣數量的頂板束，箱梁腹板沿縱橋向按照0.5m的間距設置豎向鋼束。

使用邁達斯建立橋梁模型如圖6，橋梁單元劃分參考施工梁段和真實截面變化情況，總計177個單元、201個節點。

圖6 連續剛構橋模型

通過所建模型求解分析，可得到剛構橋各梁段截面正常使用極限狀態下腹板中心的主拉應力，本橋為四跨對稱結構，因此選擇左半部分(0～215m)腹板中心處數據進行分析，繪制出其主拉應力曲線見圖7。

圖7 連續剛構左半部分腹板中心主拉應力曲線

通過圖7可得：當沒有設置腹板下彎束的時候橋墩兩側四分之一跨徑內主拉應力普遍顯著升高，腹板下彎束在很大程度上能夠影響主拉應力。因此進行箱梁橋設計時應在腹板內既設置豎向鋼束又設置腹板下彎束，協同工作從而保證運營過程中箱梁腹板內的有效預應力，抑制裂縫的產生。

4 腹板厚度對腹板開裂的影響

為了提高箱梁橋的跨越能力，橋梁設計中通常通過把腹板變薄從而降低自重。但是，不容忽視的是腹板厚度對于改善箱梁腹板應力貢獻顯著，本節對此進行探究，腹板厚度樣式見表1。

表1 箱梁腹板厚度樣式

采用第3節模型，保持其他條件相同，只按照表1的形式改變腹板厚度，同樣選擇左半部分(0～215m)腹板中心處數據進行分析，繪制出承載能力極限狀態主拉應力曲線見圖8。

圖8 連續剛構左半部分腹板中心主應力曲線

通過圖8可得：這四種腹板類型中，類型D主拉應力最大，這種類型控制腹板開裂最差；腹板厚度形式不同，主拉應力曲線也相應的有所差別，受其影響最明顯的是30～125m和175～215m兩個段落；橋墩左右兩側腹板的主拉應力最大，自墩頂位置向跨中截面呈漸漸減小趨勢。因此橋梁設計工作中，腹板的厚度在橋墩左右兩側一定區域內應大些，靠近跨中的一定區域內腹板厚度宜適當的薄一些，二者中間區域的厚度變化應緩和過渡。

5 結論

(1)豎向預應力損失過大導致鋼束未能發揮預期作用，箱梁設計時可以將豎向鋼束傾斜布置、環向布置或者使用整體錨墊板等措施改進，保證有效預應力。

(2)橋墩左右四分之一橋跨內設置腹板下彎束能夠降低本范圍的腹板主拉應力；同時橋梁運營中豎向預應力的損失導致有效預應力不足，腹板下彎束對于提高應力儲備、降低腹板開裂的貢獻作用就更加凸顯。

(3)橋墩左右兩側腹板的主拉應力最大，自墩頂位置向跨中截面呈漸漸減小趨勢。因此橋梁設計工作中，腹板的厚度在橋墩左右兩側一定區域內應大些，靠近跨中的一定區域內腹板厚度宜適當地薄一些，二者中間區域的厚度變化應緩和過渡。