预应力混凝土箱梁桥底板空间折角效应研究★

张冬冬 赵启林 黄亚新

0 引言

大跨径预应力混凝土悬浇连续箱梁桥由于其受力合理、结构刚度大、跨径较大、线形美观、桥面行车舒适等优点，在桥梁建设中得到广泛应用。但是，部分桥梁在施工和运营过程中，箱梁底板接缝处(尤其是跨中合龙段附近接缝处)出现多种形式的纵向裂缝，现已成为比较常见的桥梁病害。

关于箱梁底板接缝处纵向裂缝的成因，国内学者做了相关的研究［1-8］。但是这些研究基本上都是从施工误差角度出发，而未考虑施工时结构本身构造的影响，并且其研究对象都局限于合龙段，其结论普遍认为只是由于合龙段施工误差导致钢束定位成折线形，从而导致折点处应力集中。实际上，除底板接缝段接缝处，即使避免了合龙段钢束定位的施工误差，合龙段及其附近梁段接缝处也会出现纵向裂缝，这说明应从其他方面而非仅仅从合龙段钢束定位的施工误差因素来考虑接缝处纵向裂缝的成因。

本文从梁段底板接缝处应力传递机理出发，采用大型通用有限元程序ANSYS10.0数值模拟方法来对箱梁底板空间折角效应作一定性分析，以证明箱梁自重效应和预应力效应引起的空间折角效应是底板接缝处纵向裂缝的重要因素。

1 箱梁接缝处纵向裂缝成因分析

连续箱梁桥底板在设计阶段纵向一般呈抛物线型布置，箱梁梁段底板及底板预应力筋在设计中是平滑过渡的，但在实际悬浇施工中，是通过多段直线来模拟曲线，这样底板在纵向梁段接缝处存在很多的折角(见图1)。

图1 梁段接缝处示意图

底板折角效应是指箱梁受到预应力以及自重作用时，由于底板与顶板厚度较薄，底板纵向应力沿板的长度方向流动，在底板折角位置尽管应力值相等，但应力的方向不一致，无法形成自平衡，于是在折角位置形成类似于预应力径向力的分力作用q(见图 2)，其中，q=q1sinθ1－ q2sinθ2，导致底板产生竖向的形变，而这种竖向变形受到腹板约束作用在横向的分布是不一致的，从而形成了腹板位置竖向变形小、底板中间位置变形大的空间折角效应(见图3)。

图2 空间折角效应应力传递途径

图3 跨中底板接缝处空间变形

2 ANSYS有限元建模

2.1 模型参数

本文变高度实体模型的建立依托于泰州长江公路大桥夹江大桥夹江左汊主桥，它为跨径(87.5+3×125+87.5)m的预应力混凝土连续箱梁桥，梁体采用变高度单箱单室直腹板截面。125 m跨中支点处梁高7.5 m，两侧梁高从距主墩中心2.0 m处开始在55.5 m长度内按圆曲线变化到4 m，其他梁段梁高均为4 m。箱梁顶板宽16.0 m;底板宽7.5 m;顶板厚度为25cm，中支点两侧变高度梁段底板厚度按圆曲线由28cm变化到100cm，其他梁段底板厚度一般为28cm～60cm;腹板厚度为50cm～100cm，由跨中到支点按折线变化。

主桥箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系。纵向预应力采用19φs15.2规格的钢绞线束。钢束张拉锚下控制应力采用σcon=0.74fpk=1376.4 MPa。波纹管直径为100mm。其底板预应力钢束如图4所示。

图4 箱梁跨中底板预应力钢束立面布置图

2.2 ANSYS建模

采用大型通用有限元程序ANSYS10.0，能够正确反映底板束对箱梁的作用效应及自重效应。

分别建立两种实体模型，其中模型一为变高度箱梁，选取前述实桥主跨跨中92 m(跨中10 m为直线段)梁段(见图5a));模型二为等高度箱梁，梁高为4 m，其他横截面参数与模型一相同(见图5b))。对上述两种模型，分别在两种工况下进行建模与计算:工况1不计预应力效应，只计自重作用;工况2不计自重作用，只计预应力效应。对于预应力效应，只选取底板预应力钢束中的一对钢束(最长索)进行分析。

图5 梁段实体模型

混凝土采用Soild45实体线弹性单元;采用初始应变法来模拟预应力钢束，钢束单元选用Link8;网格划分采用六面体映射网格划分模式，整个模型中底板网格划分较密，以便能较精确地反映底板和实际工作情况，而其他位置则采用了较稀疏的网格(见图6);约束为一端固支，一端铰支。设纵桥向为Z方向，竖桥向为Y方向，横桥向为X方向。

图6 横截面网格划分

锚固力按一束钢束(最长索)作用时进行加载，施加一集中力Np=4745.43 kN，按实际锚固位置进行加载。

3 结果分析

分别提取8 m～82 m梁段底板底缘中点沿桥纵方向的横向应力，分别在两种工况下对其趋势进行对比分析，结果如图7，图8所示。

由以上趋势对比可得出，在预应力和自重作用下，等高度和变高度箱梁底板底缘中点处的横向应力沿桥纵向分布的趋势明显不一致。其中等高度箱梁的变化趋势比较平缓，而且数值也比较小;变高度箱梁横向应力的数值比较大，而且趋势变化很大，尤其是在跨中合龙段折角处落差很大。可以表明，预应力效应和自重引起的底板折角效应会造成梁段接缝处横向应力的突变，其中自重引起的折角效应为不利效应且数值较大，而预应力引起的折角效应为有利效应。

4 结语

1)对于大跨径变高度预应力混凝土连续箱梁桥，在预应力钢束锚固力和箱梁自重作用下，接缝处会产生空间折角效应，使得横向正应力过大。其中自重引起的空间折角效应为不利效应且数值较大，而预应钢束锚固力引起的空间折角效应为有利效应。

图7 钢索锚固力作用下箱梁底板底缘中点横向应力沿桥纵向分布趋势

图8 自重作用下箱梁底板底缘中点横向应力沿桥纵向分布趋势

2)在梁段所有的接缝处中，主跨跨中合龙段附近的空间折角效应最明显。合龙段的纵向裂缝不仅是合龙段预应力钢束定位不准确而造成的应力集中，而且锚固力和自重引起底板空间折角效应也是造成合龙段纵向裂缝的重要因素。

3)连续箱梁桥梁高的变化尽可能采用较平缓的曲线，以尽量减小在悬臂浇筑施工中接缝处的折角，从而减小接缝处的空间折角效应。

4)应尽可能的减小梁体自重，使结构变得轻型化;在保证结构预应力合理的情况下，适当提高合龙段预应力钢束的配束，并对底板所有的预应力束的布置进行优化。

5)横隔梁可以增强底板的横向抗弯刚度，降低横向弯曲导致的底板横向应力，因此在跨中设置一定数量的横隔梁是必要的。而且横隔梁适合设置在合龙段的接缝位置，这样也有利于控制锚固力引起的空间折角效应。

［1］ 何 海.变高度预应力混凝土箱梁桥底板纵向裂缝成因分析及防治［J］.中南公路工程，2001，26(3):61-62.

［2］ 潘钻峰，吕志涛.大跨径连续刚构桥主跨底板合龙预应力束的空间效应研究［J］.世界桥梁，2006(4):36-39.

［3］ 严允中.连续刚构桥箱梁底板崩裂原因及预防措施［J］.公路交通技术，2006，12(6):101-104.

［4］ 颉明军.连续刚构桥箱梁底板裂缝成因分析及防治措施［J］.山西建筑，2007，33(19):298-299.

［5］ 罗文林.连续箱梁刚构桥合龙段常见问题分析［J］.现代交通技术，2009，6(3):55-58.

［6］ 任 峤.浅析连续刚构桥纵向裂缝的成因［J］.中国水运(理论版)，2006，4(5):61-62.

［7］ 陈露晔，陈 瑶.预应力混凝土连续刚构桥底板外崩及对策研究［J］.华东公路，2008，2(1):43-46.

［8］ 魏乐永，沈旭东，肖汝诚，等.预应力混凝土连续箱梁底板崩裂破坏的机理及其对策［J］.结构工程师，2007，23(2):53-57.