钢桁架桥梁混凝土护栏开裂分析

2020-03-16李建刚王桂智孙云翰蒋文志

工程技术研究 2020年24期

李建刚，王桂智，孙云翰，蒋文志

（江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127）

混凝土护栏是桥梁结构的一个附属构件，设计时主要考虑汽车荷载的撞击作用，其计算及配筋主要为满足结构竖向受力要求，桥梁纵向配筋主要满足构造配筋要求。在很多桥梁结构中，混凝土护栏均出现了不同程度的裂缝，对于结构后期运营期间的耐久性、功能性会产生比较大的影响。找出结构在各阶段开裂的主要因素，有利于为防止裂缝出现或减小裂缝影响提供有效解决方案。

钢桁架桥梁桥面混凝土护栏从施工到成桥阶段形成的裂缝和施工荷载导致结构变形、温度及混凝土干缩等密切相关[1-2]。针对该类桥梁桥面混凝土护栏出现开裂的问题，文章从施工实际情况出发，运用有限元软件建模计算分析并探讨混凝土护栏开裂原因。

1 工程实例

某一在建桥梁，其结构为简支钢桁架桥，桥面采用钢筋混凝土护栏。桥面铺装完成后，护栏出现了不同程度的竖向裂缝，且大多为贯通裂缝（见图1），裂缝宽度较大，出现的位置较为规律，大多出现在钢桁架下弦节点位置。

图1 混凝土护栏裂缝

混凝土开裂成因可分为荷载、温度变化、混凝土收缩、基础变形、钢筋锈蚀、冻胀、施工材料质量、施工工艺等几个大类[3]。温度、混凝土干缩均会导致混凝土护栏开裂。马运朝[1]对开孔型混凝土护栏裂纹进行了分析，指出护栏与桥面板固结，同时混凝土护栏与桥面板变形不同是导致开孔型混凝土护栏出现裂纹的根本原因。钢桁架桥产生图1中的裂纹主要出现在下弦节点位置，这与护栏固结于桥面小纵梁上有关。在钢桁架节点位置处，小纵梁与横梁通过高强螺栓连接（受力类似于铰接），当温度及桥面荷载导致桥面变形时，对于在节点处没有断缝的混凝土护栏，因约束变形而受到较大的拉应力，导致护栏开裂。

2 计算分析

为查明钢桁架桥面护栏在桥面铺装完成后的开裂机理，文章根据混凝土护栏实际尺寸，考虑护栏自重及桥面铺装层荷载、温度作用等因素，利用midas civil建立全桥有限元模型进行计算分析；同时对改变主桁约束体系、改变护栏分段长度等因素对护栏截面的影响进行分析。

2.1 恒载及温度作用

该钢桁架桥面护栏每一节段设计长度为19.79m，即3个桁架节间一段；桁架每侧共设置4段护栏，每道护栏分段均在桁架节点位置，相邻护栏间缝隙宽度为4cm。护栏与桥面板整体现浇，并通过剪力钉与钢桁架横梁、纵梁现浇连接。建模分析时，护栏采用梁单元简化计算，并与钢桁架纵梁采用刚接模拟，结构整体计算模型见图2。护栏受力分析主要模拟计算三种工况作用对护栏开裂的影响，工况一为护栏及铺装层自重荷载，工况二为结构整体升温，工况三为结构整体降温，其计算结果见表1。

图2 结构整体计算模型

表1 混凝土护栏截面应力单位：MPa

计算结果表明，护栏自重、桥面铺装荷载、桥梁整体升温作用时，护栏主要以受拉为主，且拉应力较大，混凝土护栏较易出现裂缝，而拉应力最大值主要集中在钢桁架节点附近；整体降温时，护栏主要以受压为主，其对护栏开裂的影响不大。

2.2 约束体系影响

为了更清晰地知道护栏及桥面铺装层自重荷载与温度作用对护栏应力的影响机理，建立另一种约束形式并进行分析，即在每一道横梁位置设置约束支撑，其目的是约束桥面下挠变形，工况同2.1，计算结果见表2。

表2 改变约束体系的混凝土护栏截面应力单位：MPa

计算结果表明，在护栏及桥面铺装荷载作用、整体降温作用时，护栏截面主要受压；在整体升温作用时，护栏截面主要受拉。由表1与表2数据对比可知，在更改约束情况下，温度对护栏应力的影响保持不变，而护栏自重及桥面铺装荷载对护栏截面应力影响由主要受拉变为主要受压。

2.3 护栏分段影响

通过建立3个不同护栏节段长度的有限元模型，分析护栏长度对其开裂的影响。护栏节段按照桁架下弦节点位置划分，分别为3个节间一段，护栏长度为19.79m；2个节间一段，护栏长度为13.18m；1个节间一段，护栏长度为6.57m。不同护栏分段长度时的工况一（护栏自重及桥面铺装荷载）、工况二（整体升温作用）计算结果见表3。