混凝土变截面箱梁桥顶板横向预应力工作宽度分析

2012-08-11林小雄周记国

湖南工程学院学报（自然科学版） 2012年4期

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.