多箱室宽箱梁截面参数对顶板横向受力的影响分析

2014-01-08罗昊冲李贵峰

城市道桥与防洪 2014年7期

罗昊冲，李贵峰

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

对于大跨径连续刚构桥在横截面上的布置主要是箱梁形式，与桥宽有关，一般布置为单箱单室或单箱双室，这主要是由于箱梁截面具有抗扭刚度大、整体性好、配筋方便等良好的结构性能，很好的适应大跨径预应力混凝土连续刚构桥[1]，但有些桥梁由于跨越既有铁路，不允许直接在铁路上方悬臂浇筑或满堂支架施工的情况下，需采用特殊施工方法，如顶推施工或转体施工工艺，无法分幅修建，此时将采用单箱多室宽箱梁截面布置形式。在整体计算时，仅在纵向将结构简化为平面杆系计算，横向仅考虑了有效分布宽度及横向分布系数的影响，对宽箱梁截面横向的空间变形及受力状态及并不明确[2]，且箱梁顶板是直接承受外部荷载的主要结构，同时内部也受纵、横向预应力的共同作用，预应力孔道又削弱了截面的有效面积，这都使箱梁的横向受力变得复杂。通过对众多已建桥梁检测时发现箱梁顶板的纵向裂缝是常见的裂缝形式之一，因此必须对箱梁进行横向计算分析。

箱梁横向的计算方法，一般取控制截面附近纵向单位宽度的框架模型进行计算[3]，但必须满足框架的变形与整个梁体协调一致的原则，必要时采用空间实体模型计算。对于单箱单室或单箱双室截面，国内众多学者对其进行了研究，采用框架模型能够满足工程需要，但对于单箱多室宽箱截面，空间受力复杂，应对其进行空间实体分析。

1 工程背景

某大跨预应力混凝土连续刚构桥桥宽为30.5 m，采用单箱四室宽箱截面，为减小底板跨度及桥墩尺寸，腹板采用斜置式腹板,桥墩为双肢薄壁墩；主墩墩顶处梁高为6.4 m，中跨及边跨直线段梁高为2.5 m，梁底按二次抛物线变化；边腹板厚度90～50 cm，中腹板厚80～40 cm，顶板厚除墩顶处为50 cm外，余均为30 cm，底板厚由80～28cm按二次抛物线变化，在支点及跨中设有横隔梁，按三向预应力结构进行设计，见图1。

图1 箱梁支点与跨中断面图（单位：cm）

2 计算模型、荷载及参数

顶板横向预应力采用4-7Φ5高强度、低松弛钢绞线，采用BM15-4和BP15-4扁锚锚固，见图2。

图2 箱梁横向预应力布置图（单位：cm）

为研究箱梁顶板的横向受力，根据圣维南原理，只要边界与所要研究的区域距离适当，即可建立局部区域模型从而得到更精确解[4]。本文沿纵向取梁高度的2倍以上，以使分析区域不受边界条件影响，采用通用有限元软件ANSYS建立局部模型见图3。

图3 箱梁横向局部计算模型

计算荷载：恒载考虑自重、二期（包括铺装层、防撞护栏、人行道板、罩棚等）、横向预应力；活载考虑城-A级汽车荷载、人群荷载，车辆荷载按影响线最不利加载。

为研究箱梁截面参数对于顶板横向受力的影响，考虑了梁高、腹板斜度、腹板厚度、底板厚度、箱室布置及预应力间距的影响。

3 计算结果分析

本文采用跨中截面作为基本参考，通过改变其他参数研究顶板的受力，结果如下：

3.1 梁高对顶板横向受力的影响

梁高对顶板的影响表现为在两边箱跨中内侧上下缘压应力均增大（见图4、图5），边箱跨中外侧压应力减小的趋势，悬臂部分无变化，但总体上最大压应力减小，最小压应力增大，即压应力储备由0.21 MPa提高到1.06 MPa，说明随梁高的增加顶板受力趋于有利方向，因此在变高箱梁顶板计算中，一般选取跨中截面验算即可。经实际计算，跨中截面也确实比支点截面更为不利。文献[5]中对单箱单室箱梁的横向温度应力进行了研究，得出梁高对顶板横向温度应力的影响程度较大。对于多室箱梁的横向温度应力较为复杂，本文旨在找出截面参数对顶板受力的影响规律，未考虑温度力的影响，在实际工程中应对顶板的横向应力进行研究，并留有足够压应力储备以减弱不利因素影响。

图4 梁高对顶板上缘横向正应力结果

3.2 腹板斜率对顶板横向受力的影响

图5 梁高对顶板下缘横向正应力结果

在保证顶板悬臂长及各箱室净跨径不变的前提下，对腹板的斜率考虑1∶2、1∶3、1∶4及直角四种情况，计算结果均表明，悬臂长度一定且各箱室净跨径不变的条件下，边腹板斜率的变化对顶板横向受力几乎无影响（未示出计算结果）。

3.3 腹板及底板厚度对顶板横向受力的影响

腹板厚度及底板厚度对箱梁顶板的影响程度与趋势类似，均表现为厚度增加顶板横向正应力减小（见图6～图9），腹板厚度增加10 cm，顶板最大应力减小不足3%，底板厚增加10 cm顶板最大应力减小不足2%，说明腹板厚及底板厚对顶板横向受力性能影响有限。文献[6]中对单箱单室箱梁顶板横向受力进行了分析，提到通过改善腹板尺寸，从而通过调整腹板支撑刚度来达到调节顶板横向应力的目的，抑制顶板跨中裂缝的产生，提升效果最高为10%，但对于多室箱梁将十分有限。有次也可以得到如下推论：腹板厚度对顶板的受力性能的影响敏感度随箱室数目增加而逐渐降低。

3.4 箱室布置对顶板横向受力的影响

图6 腹板厚度对顶板上缘横向正应力结果

图7 腹板厚度对顶板下缘横向正应力结果

图8 底板厚度对顶板上缘横向正应力结果

图9 底板厚度对顶板下缘横向正应力

对于大跨度宽箱梁来说，箱室尺寸布置受许多因素影响，常采用三室、四室甚至5室的情况（见图10、图11）。本工程实际采用单箱四室，为分析箱室分布对顶板受力的影响，对比了三室的计算结果。对顶板来说，三室与四室的区别主要是箱室净跨径的不同，导致内力不同。结果显示，对顶板上缘均为边箱跨中应力最大，而最小应力位置均在边箱内侧磨脚变化处，甚至出现了0.9 MPa的拉应力，而四室模型中边箱内侧磨脚变化处顶板上缘也为压应力储备薄弱点，即该位置在其他不利荷载作用下也可能出现拉应力；对顶板下缘正应力最小点均为边箱跨中，四室最小压应力为0.9 MPa，三室最小压应力为0.2 MPa，三室与四室悬臂根部最小压应力结果基本相同，为0.7 MPa。据文献[7]指出，某单箱室连续刚构桥顶板实测纵向分布裂缝也是在磨脚处及跨中较多，因此无论箱室如何布置，应加强磨脚处配筋，必要时应对磨脚尺寸进行细部优化。

图10 箱室布置对顶板上缘横向正应力结果

图11 箱室数目对顶板下缘横向正应力结果

3.5 预应力间距对顶板横向受力的影响

对顶板施加预应力能极大改善顶板的受力状态（见图12、图13），减小钢束间距或增大钢束特性值都可以提高预应力效应，从而改善顶板受力，本文仅考虑钢束间距的影响。由上图可以看出，顶板上缘表现为间距减小，应力增加，但对边箱直腹板侧磨脚处增幅较小，由-0.9 MPa变为-0.1 MPa；顶板下缘除悬臂根部为间距减小，应力也减小外，其余均为随间距减小而应力增大，因此对于箱梁顶板并不能一味增大预应力效应来提高顶板横向压应力，应注意结合翼缘板受力合理取值。目前，我国规范规定预应力间距不小于50 cm，若采用三室截面，顶板在恒载与车辆活载作用下即存在拉应力，在考虑收缩徐变、温度等不利作用时拉应力将更大。