浅析渐变侧压工况下非闭合受力体系结构受扭变形裂缝及应对措施

郑秋兰

（中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司，福州 350013）

1 绪论

非闭合受力体系是区别于环向闭合受力体系的一种结构类型，其主要的特征是：存在至少一个固定节点及一个以上自由悬臂结构形成的非闭合结构， 其主要代表构件有：U 型槽、L 型挡墙、盖板箱涵等。 在公路路基或桥涵工程中，此类非闭合受力体系结构的应用十分普遍。

由于受实际地型限制， 实际中非闭合受力体系结构并不是理想等截面型式， 一般会随着地型地势或线路坡度需求，产生侧向高度渐变的结构样式；且此类结构承受侧向压力的是其自由悬臂端， 故高度渐变的非闭合受力体系结构常处于侧向压力渐变的工况影响下。

工程设计中， 往往以非闭合受力体系结构的横截面受力计算为主，对此体系纵向的空间变形考虑较少，工程实践中就常出现体系纵向变形为主导因素的结构裂缝。

本文选取非闭合受力体系中常见的公路U 型槽作为受力分析模形（见图1 及图2），结合现场内力变化监测数据， 分析侧压渐变工况下的结构内力作用因素引起的受扭变形，并提出相应的应对措施。

图1 U 型槽鸟瞰图

图2 U 型槽断面示意图

2 工程案例背景

2.1 工程概况

某市设计某公路工程起于规划324 国道北侧， 下穿规划的324 国道、鹰厦左线、某物流货车联络线、厦深铁路、鹰厦右线。 框架桥规划路路幅为（8+11+2+11+8）m，规划路红线宽为40m，道路等级为城市主干道，设计行车速度为60km/h。

穿过鹰厦右线主车道分别采用1-13.5m 框架， 道路左右幅框架长度分别为30.63m、29.63m，左右框架两端均设钢筋混凝土U 型槽； 左右非机动车道采用1-5.5m 框架， 左右非机动车道框架长度分别为21.23m、17.43m，其左右非机动车道框架两端分别接钢筋混凝土U 型槽，基坑开挖深度7～9m（见图3）。

根据设计要求，此U 型槽主体结构每70m 设置一条变形缝。U 型槽主体结构根据现场和设计要求，进行施工组织设计和施工方案设计， 将每两个变形缝之间主体结构划分成2 个施工槽段并设置施工缝， 每个施工槽段长约35m，各槽段自小里程往大里程依次流水施工。同一槽段内，各构件施工顺序由下至上。

图3 U 型槽立面图

2.2 案例选取的代表性与普适性

虽然公路工程中非闭合受力体系有众多的代表性构件，但是从代表性和普适性两个方面考虑，U 型槽是最具代表性的。 其主要理由为：

（1）U 型槽具备了所有非闭合受力体系挡土墙的基本结构特点和受力特征，特别是自由悬臂端受弯，以及线路向具备结构刚度。

（2）由于盖板涵顶与侧墙属非固定连接结构，侧墙水平方向有一定的自由度，类似自由悬臂端。 故U 型槽可以代表其受力特点。

（3）大部分U 型槽设置在坡度变化段，作用在结构上的侧压力渐变效果明显。

（4）由于大部分U 型槽均有受到侧压作用，且为保证施工的安全，设计不可避免的采用支护措施，对在分析其侧压力时应考虑支护措施的影响，目前U 型槽深基坑支护一般采用围护桩。 未采用支护的U 型槽其侧压分析，可利用在有支护的受力分析基础上进行等效简化。

（5）U 型槽变形缝间距设置一般较长，在渐变侧压工况作用下，受扭变形更加明显。

综上所述，本文所选案例中的U 型槽，既有渐变侧压工况，又有支护构造。 故既满足了结构受力的代表性，又体现了U 型槽的普适性。

3 侧压渐变工况下的变形特征

3.1 结构侧墙受扭变形裂缝的规律统计

（1）U 型槽侧墙施工工艺及裂缝出现状况

由于U 型槽主体结构侧墙高约7～10m， 需分上下两部分分别施工。 依次为底板→拆除第二道支撑→侧墙下部→拆除第一道支撑→侧墙上部→两侧回填。

当侧墙下部模板拆除时，主体结构开始开裂。随着相邻槽段和上侧墙的施工，裂缝开始由少到多逐渐出现,特别是相邻槽段的混凝土支架或钢支架拆除后的第3 天至第4 天，混凝土表面开始出现裂缝，并逐渐扩展为裂隙。在上部侧墙施工完成后，会连通出现在上部侧墙，且所有裂缝的上下界限有规律性。

（2）U 型槽侧墙裂缝出现特点

①单条裂缝一般从顶部开始，下限呈反抛物线，长度最长上至侧墙顶，下至底板顶。最长裂缝一般出现在构件中部偏高段（见图4）；

②裂缝宽度最大0.4～0.6mm；

③竖向裂缝是常态，相互间基本平行；

图4 U 型槽侧墙裂缝位置示意立面图

④裂缝宽度呈倒三角形，顶端大，底端小；

⑤竖向裂缝全侧墙贯通；

⑥侧墙的裂缝均延伸至顶部，且以最长裂缝为中心，裂缝向两侧由密至疏，由长至短分布排列。

3.2 结构变形裂缝的规律分析

根据现场实际统计情况，结合结构设计情况，结构变形裂缝的规律分析如下：

(1)裂缝间距收敛趋势与侧压渐变趋势反向一致性

根据裂缝分布图可以看出。 虽然裂缝间距收敛趋势呈相向收敛， 但是从结构上分析， 分析对像构件长度有限，经多个相似构件裂缝统计，可以发现，构件纵向越长，裂缝间距收敛中心越向高度侧偏移。 故可以看作裂缝间距收敛趋势与侧压渐变趋势反向一致性， 即侧压渐变趋势决定的裂缝分布趋势， 且渐变趋势大小与裂缝分布密度呈正相关性。

(2)裂缝间距比与U 型槽侧墙刚度比的相关性

裂缝间距比即是相邻裂缝间距之比， 裂缝间距比可以体现裂缝密度的变化。 U 型槽侧墙刚度比指的是侧墙高度与侧墙平均宽度之比（也称长细比）。 两个指标对比可以发现，最大裂缝低端侧，侧墙刚度比越小，裂缝间距比也相应变小，呈正相关性，最大裂缝高端侧则相关，呈负相关性。

4 结构受力变形因素分析及建立实验模型

根据侧压渐变工况下的变形特征分析，U 型槽侧墙变形主要体现为受扭变形， 其产生及对结构的时空作用分析如下：

（1）原设计工程受力模型与实际受力偏差因系分析

公路U 型槽在原设计时，一般以横（正）截面为主作为受力分析模型，在模型基础上根据不同时期拆撑、回填等工况，模拟计算横（正）截面的弯矩、轴力、剪力等，并依据计算结果进行配筋和截面大小设计、 正常使用裂缝计算、沉降计算等。

在工程实际中U 型槽不仅在横（正）截面上表现为变形，由于支护的变化，回填的加入等因素，实际上沿线路纵向也发生了变形， 这通过现场实际情况统计可以得出。

U 型槽在沿线路方向上，自由变形端（侧墙）所受侧压力是一个线性变化状态(见图5)，这使得U 型槽侧墙受到了扭曲作用。并且侧墙的刚度不是一个均匀体，在弯扭作用下， 不可避免在施工过程中刚度薄弱处产生水平剪力，出现结构垂直裂缝。

图5 U 型槽侧墙侧压力渐变示意图

（2）建立侧压渐变工况实验模型及计算原理

为了验证U 型槽结构受力变形因素理论分析的结论，根据分析结果，实验模型按纵向受扭进行实验，受扭构件预估变形裂缝处的拉力和剪力通过应变计读取。 依据以上分析，先估算出侧墙最长裂缝区域，选取未施工的槽段布设测点进行内力监测， 主要围绕最长裂缝周边展开监测。

测点安放侧墙外中内三处， 推断裂缝的发展方向及监测混凝土外墙内部的健康状态。 采用应变计监测试验来获取结构内力的应变（变形）数据。 结构的应力可以用结构的弹性模量来计算。一般情况下，应变计的初始值在应变计安装完毕且结构稳定后读取， 当结构受力或其他条件影响时，再读取应变计的测量值。 此时，差值=（测量值-初始值）是结构的应变条件,这个差值包括影响结构变形的所有因素。在实验中，应尽可能采取措施消除结构应力前后测得的应变片的差异， 消除结构温度和化学变化对结构变形的影响(设置降温管)，消除以上差异后才能得到较准确的结构应力。

5 实验过程及数据分析

先建立侧压渐变工况实验模型， 并在现场进行监测点布设，侧墙每个断面布设上中下三处,每处设外中内三点。 为减小温度应力的影响，侧墙内埋置降温管，施工混凝土过程中进行通水降温（见图6～9）。

图6 应变计实物图

图7 现场布置图

图8 应变计立面布设图

图9 应变计平面布设图

根据现场监测实例发现，在线路方向上，U 型槽最大剪应力出现在事先估算出的最长裂缝右侧30cm 处，且以最长裂缝为中心，两侧的剪应力呈曲线下降，下降幅度与裂缝密度呈正相关。

各裂缝区域内的外中内三个应力监测点，均表现出构件受扭变形破坏的力学特点，以最长裂缝处为例（见图10），侧墙中部变形最小，内外变形大，呈明显的扭剪特点。

图10 最长裂缝处应变计力读数曲线图

6 分析结论及应对措施

(1)根据理论分析及现场实验验证，可以明确得知，U型槽侧压渐变工况作用下， 受扭作用对结构的破坏明显大于原设计考虑或常规工况。 在U 型槽所代表的非闭合受力体系结构中，均存在类似情况。

(2)为避免此类变形裂缝，最直接的措施为每一定间距增加横向刚度增强结构，如U 型槽增加暗柱或横墙，L型挡墙增加分隔三角墙。