混凝土变截面箱梁桥顶板横向预应力工作宽度分析

乔 颖，林小雄，周记国

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭411021）

0 前 言

箱梁截面相比较于其他截面，有抗扭刚度大、行车平顺等优点，目前在40～150m的跨径范围内，预应力混凝土连续箱梁桥已成为最主要的桥型之一［1］.在高速公路桥梁中，变截面混凝土连续箱梁桥一般采用单箱单室截面.随着跨度的增大和顶板宽度的增加，跨中弯矩增大，车辆荷载和其他荷载会在混凝土箱梁的顶板下缘产生拉应力，通过在顶板设置横向预应力，来抵抗顶板下缘的拉应力，但是在这一类的桥梁中，仍然出现了顶板纵向开裂的病害［2］，顶板横向预应力筋张拉后，会在顶板两端加上一对预压应力，预应力由两端向顶板中心传递的过程中，会发生一个力的扩散，也就是力的扩散角α，见图1.

图1 力的扩散角

图1中F为横向预应力的张拉力；α为预应力在顶板的扩散角；s为横向预应力筋的相邻距离.

因为横向预应力在顶板上传递时存在扩散角，所以一个截面上的预应力会影响到相邻截面的顶板中心横向应力，根据实际的扩散角来布置顶板横向预应力束，顶板中心的横向应力才能呈均匀分布.根据横向预应力在顶板上传递的扩散角，选择横向预应力的合理布置距离，可以使顶板上的横向预应力分布更加合理，对预防顶板纵向裂缝具有指导意义.

1 工程概况

湖南某桥为关键控制性工程.大桥全长1376 m，主桥部分为45m＋5×80m＋45m连续刚构，桩基最长深度69m，最高墩达88m.左幅主桥共7个合拢段，合龙顺序为先中跨，后边跨.因为主跨为对称结构，所以选取半跨作为研究对象.该段箱梁的梁高由4.929m减小到2.5m，底板厚度由0.688m减小到0.28m，箱梁截面见图2（图中尺寸为mm）.

图2 箱梁截面

2 有限元数值分析

用ANSYS对某特大桥的顶板中心横向预应力进行计算，结构模型见图3和图4.

图3 箱梁局部模型单元结构

图4 箱梁模型截面网格

通过ANSYS计算分析横向预应力在顶板的扩散分布，对顶板上某单根横向预应力束进行模拟计算，其不同位置的横向预应力张拉后的应力云图如图5所示.

图5 单根预应力在顶板的横向预应力云图

由图5可以看出，在顶板横向预应力筋张拉后，横向预应力在顶板的传递范围大致为45°的范围内.由张拉端传递到顶板中心位置的过程中，横向应力也是呈逐渐减小的趋势.由横向应力云图可以清晰看出，从翼板张拉端开始横向预应力的传递，呈45°扩散角传递，当传递至腹板时，由于腹板的约束作用，横向应力变小，传递的范围也会相应的缩小，当预应力穿过腹板厚，由于没有了腹板的约束作用，又开始呈45°扩散角的传递.所以横向预应力在顶板的横向分布规律可以归纳如下：从张拉端至顶板中心，横向应力是逐渐减小的.

由图5可以看出，在预应力混凝土变截面箱梁的不同位置，在顶板横向预应力的45°范围内，预应力对箱梁顶板的横向应力影响较大，在45°范围外，影响很小，可以忽略不计，所以基本可以认为：在箱梁顶板上，横向预应力的扩散角 .通过扩散角来分析顶板中心横向预应力变化曲线，在图6的预应力混凝土变截面箱梁的半跨空间有限元分析中，1／4跨附近的顶板中心横向预应力较大，因为此处截面受到了两端相邻截面上的横向预应力的影响，在顶板中心有横向预应力的叠加；在箱梁端部和跨中的顶板中心横向预应力较小，因为此处受到相邻预应力的作用较小.

图6 张拉后顶板中心横向应力

当跨中附近张拉了横向预应力筋后，由于混凝土的泊松效应，在箱梁顶板的纵向方向产生了拉应力，如图7所示.在张拉截面的腹板处以及相邻的翼板处产生了纵向拉应力，为0.064MPa，如果不加以控制，就有可能会产生裂缝.所以在跨中预应力施工过程中，建议先张拉纵向预应力筋，然后再张拉横向预应力筋，或者同时张拉，以免产生裂缝.

图7 单根预应力在顶板的纵向预应力云图

3 结 论

以湖南省某特大桥为研究背景，用ANSYS建立了空间有限元模型，对预应力混凝土变截面箱梁顶板横向预应力的扩散角以及单根横向预应力张拉后在顶板产生的影响作了研究和探讨，主要结论如下：

（1）在顶板横向预应力的45°范围内，预应力对箱梁顶板的横向应力影响较大，在45°范围外，影响很小，可以忽略不计，所以基本可以认为：在箱梁顶板上，横向预应力的扩散角α＝45°；

（2）预应力混凝土变截面箱梁的半跨空间有限元分析中，1／4跨附近的顶板中心横向预应力较大，因为此处截面受到了两端相邻截面上的横向预应力的影响，在顶板中心有横向预应力的叠加；在箱梁端部和跨中的顶板中心横向预应力较小，因为此处受到的相邻预应力的作用较小；

（3）因为混凝土的泊松效应，张拉横向预应力会在箱梁顶板的纵向产生拉应力，所以在跨中预应力施工过程中，建议先张拉纵向预应力筋，然后再张拉横向预应力筋，或者同时张拉，以免产生裂缝.

［1］ 钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究［J］.铁道工程与科学学报，2006（6）：7－14.

［2］ 李小红，李青山，叶见曙.连续箱梁跨中合龙段箱梁顶板纵向裂缝分析研究［J］.现代交通技术，2010（3）：37－40.

［3］ 钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究（特邀报告）［J］.第十三届结构工程学术会议论文集，工程力学增刊：221－230.

［4］ 黄鹤莅.顶板横向预应力钢束对箱梁横向计算结果的影响［J］.铁道工程学报，2007（10）：50－52.

［5］ 钟新谷.箱形梁的研究［J］.湘潭矿业学院学报，2001（9）：68－73.

［6］ 张 利.预应力混凝土连续刚构桥箱梁顶板纵向裂缝分析［J］.公路，2006（8）：262－264.

［7］ 吴 迅.李君凤.王艺娇.宽底板预应力混凝土桥梁横向应力分析［J］.同济大学学报，2010（4）：481－485.