预应力混凝土箱梁桥腹板裂缝影响因素研究

韩宏伟，苗建伟

(山东省公路设计咨询有限公司 济南市 250000)

0 引言

腹板斜裂缝使得箱梁截面强度和刚度削弱，截面钢筋易于锈蚀，导致桥梁耐久性及承载能力下降，对桥梁结构的安全运营产生较大影响[1]。虽然大量的桥梁工程从业者对箱梁桥的腹板产生裂缝进行了探究，但是使用阶段腹板发生开裂的情况依旧存在，因而要继续摸索解决之道。

1 桥梁工程概况

依托某连续刚构桥(75+2×140+75)m，公路-Ⅰ级。设计截面采用单箱单室，跨中处梁高3.2m，桥墩处梁高8.3m，跨中-0号块箱梁高度使用1.8次抛物线过渡，刚构桥除布置纵向预应力外，在横向和竖向也施加了预应力，其横断面见图1。

图1 箱梁横断面图

2 竖向预应力对腹板开裂的影响

为了方便研究箱梁腹板的受力情况，将腹板简化为薄壁结构，采用平面状态来分析箱梁腹板的受力。腹板内微小部分的应力符合式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：σx、σy、τxy依次代表腹板内的纵向应力、竖向应力、剪切应力；σc、σl分别表示混凝土的抗压和抗拉强度；Qn代表剪切力；Sy代表截面净距；I代表截面的惯性矩；bw代表腹板厚度。

(4)

(5)

分析得到：箱梁纵向正应力满足规范，可以通过两种方式降低腹板内主拉应力：合适的竖向预加力、降低腹板内剪切应力。

图2 刚构桥模型

使用ANSYS建立桥梁模型如图2，混凝土使用SOLID45单元，预应力筋使用LINK8单元，钢筋和混凝土之间进行耦合连接。

研究箱梁腹板受力，选取某一施工过程为例，程序中只考虑结构自身重力和预应力，以三个节点(腹板顶部、腹板中点、腹板底部)为例进行研究，通过施加100%设计预应力、60%设计预应力、40%设计预应力模拟不同竖直方向预应力损失时，腹板三个特殊点的主应力，数据整理绘制图3～图5。

图3 ①号位置主应力曲线

图4 ②号位置主应力曲线

图5 ③号位置主应力曲线

仔细研究分析图3～图5可知：竖向预应力与箱梁腹板内的主应力是有联系的，预应力损失越大，那么主拉应力越大，同时主压应力越小；换而言之，施加适当的竖向预加力，能够减小主拉应力，提高相应的压应力储备。

因而桥梁工程师在进行箱梁桥设计工作时，要有超前意识，不仅仅立足于当前设计，还要考虑后续漫长的运营期，采取一定措施以保证施加预应力的有效性。

(1)改良竖向预加力的锚固形式，即将常规的锚具改良为整体锚垫板，除了能够保证有效的竖向预加力，还能够提高整体工作性能，改善传统锚具之间的受力性能(减小或者使两根钢束之间的预应力盲区消失)。

(2)将传统的竖向预应力筋改进为布置环向预应力钢筋，即预应力筋由直线改进为U形，这种改变可以提高预应力筋的长度，对于保证有效预应力具有很大帮助；预应力钢束采用U形时，相应的张拉方式也变为了两端张拉，相比一端张拉，两端张拉可以更能保证灌浆质量，更加有效地保证竖向预加力发挥应有的作用。

(3)调整常规的竖直布置竖向预应力钢束为倾斜布置(与竖直方向存在一定角度，保证预应力与主拉应力处于相同方向)，有一定倾角能够最大化使用预加应力，同时能够减少两钢束纵桥向间距，改善钢束间的预应力盲区，从而可以减缓腹板开裂。

3 腹板下弯钢束对腹板开裂的影响

为了研究腹板下弯钢束的作用，选择了两个布筋方案进行探究：

(1)桥墩左右四分之一跨径内设计腹板下弯钢束，箱梁腹板沿纵桥向按照0.5m的间距设置竖向钢束。

(2)桥墩左右四分之一跨径内不设计腹板下弯钢束，将腹板下弯束等效成同样数量的顶板束，箱梁腹板沿纵桥向按照0.5m的间距设置竖向钢束。

使用迈达斯建立桥梁模型如图6，桥梁单元划分参考施工梁段和真实截面变化情况，总计177个单元、201个节点。

图6 连续刚构桥模型

通过所建模型求解分析，可得到刚构桥各梁段截面正常使用极限状态下腹板中心的主拉应力，本桥为四跨对称结构，因此选择左半部分(0～215m)腹板中心处数据进行分析，绘制出其主拉应力曲线见图7。

图7 连续刚构左半部分腹板中心主拉应力曲线

通过图7可得：当没有设置腹板下弯束的时候桥墩两侧四分之一跨径内主拉应力普遍显著升高，腹板下弯束在很大程度上能够影响主拉应力。因此进行箱梁桥设计时应在腹板内既设置竖向钢束又设置腹板下弯束，协同工作从而保证运营过程中箱梁腹板内的有效预应力，抑制裂缝的产生。

4 腹板厚度对腹板开裂的影响

为了提高箱梁桥的跨越能力，桥梁设计中通常通过把腹板变薄从而降低自重。但是，不容忽视的是腹板厚度对于改善箱梁腹板应力贡献显著，本节对此进行探究，腹板厚度样式见表1。

表1 箱梁腹板厚度样式

采用第3节模型，保持其他条件相同，只按照表1的形式改变腹板厚度，同样选择左半部分(0～215m)腹板中心处数据进行分析，绘制出承载能力极限状态主拉应力曲线见图8。

图8 连续刚构左半部分腹板中心主应力曲线

通过图8可得：这四种腹板类型中，类型D主拉应力最大，这种类型控制腹板开裂最差；腹板厚度形式不同，主拉应力曲线也相应的有所差别，受其影响最明显的是30～125m和175～215m两个段落；桥墩左右两侧腹板的主拉应力最大，自墩顶位置向跨中截面呈渐渐减小趋势。因此桥梁设计工作中，腹板的厚度在桥墩左右两侧一定区域内应大些，靠近跨中的一定区域内腹板厚度宜适当的薄一些，二者中间区域的厚度变化应缓和过渡。

5 结论

(1)竖向预应力损失过大导致钢束未能发挥预期作用，箱梁设计时可以将竖向钢束倾斜布置、环向布置或者使用整体锚垫板等措施改进，保证有效预应力。

(2)桥墩左右四分之一桥跨内设置腹板下弯束能够降低本范围的腹板主拉应力；同时桥梁运营中竖向预应力的损失导致有效预应力不足，腹板下弯束对于提高应力储备、降低腹板开裂的贡献作用就更加凸显。

(3)桥墩左右两侧腹板的主拉应力最大，自墩顶位置向跨中截面呈渐渐减小趋势。因此桥梁设计工作中，腹板的厚度在桥墩左右两侧一定区域内应大些，靠近跨中的一定区域内腹板厚度宜适当地薄一些，二者中间区域的厚度变化应缓和过渡。