混凝土箱梁的设计与桥梁宽度增加对剪力滞效应影响的分析

2023-11-25代瑞娟

四川水泥 2023年10期

代瑞娟

（山西工程技术学院，山西阳泉 045000）

0 引言

随着交通流量的快速增加，以及科技水平的飞速发展，箱梁桥宽度有很大的变化，箱梁腹板间距也在增加，同时增加了腹板外悬臂板的悬挑长度，导致箱梁横截面上出现剪力滞效应。所以，传统的初等梁理论已经无法继续使用，而且悬臂施工方法在我国的预应力混凝土箱梁桥中使用的比重较大，剪力滞效应在悬臂施工过程中的作用较为明显。如果在混凝土箱形桥梁施工控制中对剪力滞效应没有引起足够的重视，就会导致计算应力与实测应力相偏离，对结构的实际应力状态无法全面精准地掌握，造成结构处于预应力失衡的状态，甚至导致混凝土出现开裂现象，对结构的安全性产生严重影响。因此，本文结合某县桥梁建设对箱梁的设计要点进行介绍，并对桥梁宽度增加对剪力滞效应影响进行了分析。

1 剪力滞效应概述

箱梁界面翼板的纵向翘曲位移容易受到桥体来自对称竖向弯曲荷载的干扰，而且，如果存在横向差异的话，也会造成顶底板的纵向位移出现差别[1]，这种情况的发生会造成上下方向弯曲压力下的横截面正应力分布出现失衡。当箱梁上面的腹板越靠近翼缘，得到的截面正应力数值越大，相反，当远离腹板时，得到的截面正应力的数值也就随之变小，而且，如果将腹板间距扩大的话，剪力滞效应表现得就突出[2]。如果测得截面翼缘与腹板交汇处的实际正应力同采用初等梁理论测算出的实际正应力的比值＞1，那么即是正剪力滞效应，相反，如果比值＜1，则叫做负剪力滞效应，见图1所示。

图1 剪力滞效应

一般情况下，为将箱梁截面的剪力滞效应大小明确地反映出来，通常会使用“λ”作为剪力滞系数的表示形式，具体的参考等式如下：

2 箱梁的设计

2.1 工程概况

某县城为有效连接河岸两边城市商区，同时为当地产业集聚区提供便利的交通环境，在河道中间架起了一座公路大桥A。该县城河道宽在210m左右，有着基本居中的主河槽，近50m宽，是一个相对较宽的河道，有着常年近2m深的水位，河水流速相对平稳缓慢，对于河道的冲刷力度不大，河床相对稳定。建设的公路大桥A与河道成95°度左右的交角。在布置预应力混凝土箱梁时，具体的跨径为45m+61m+61m+45m，桥梁总长214m，宽度27m。该工程的重点之一为箱梁的设计。

2.2 箱梁设计

（1）具体使用材料：在主梁和调平层方面，主要使用型号为C50的混凝土进行施工，而在盖梁、立柱、桥墩建造方面，使用的材料型号同样为C50的混凝土。对于预应力钢绞线的选择，必须符合国家标准GB/T 5224-2003，保证预应力钢绞线能够在强度和松弛度方面符合标准。对于普通钢筋的选择，也需要达到一定的标准，即热轧HPB300(GB 1499.1-2008)和HRB400(GB1499.2-2007)。

（2）箱梁结构设计：该座大桥在上部结构选择方面，采用预应力混凝土变截面箱梁，位于主桥墩的位置，桥梁高度达到3m，同时有近1.5m的跨中处梁高。使用二次抛物线的方式设计梁高变化曲线，跨中合拢段的长度达到2m，同时设计13.5m的边跨支架现浇段。对于箱梁的设计数据要求，顶宽达到26.5m，底宽要保证达到22.5m，有着水平的箱梁底板，设计1.5%双向横坡在顶面，同时要求箱梁两侧悬臂板长度达2m。对于悬臂底部的厚度至少要达到50cm，同时要达到18cm的悬臂板端部厚度，而箱梁顶板厚度、底板厚度、腹板厚度分别要达到30cm、30～40cm以及50～60cm，并将倒角设计在截面转角处。

（3）预应力设计：利用高强度、低松弛的钢绞线作为桥梁的纵向预应力体系，张拉控制应力等于1860MPa，势能等于1.95×105MPa，将塑料波纹管制作成孔道，辅以真空形式压浆。同时，选择直径适当、孔群锚数量为15的钢绞线，作为束材料，而在中跨底板合拢束上，钢绞线应该选择规格为15.2mm直径、12孔群锚，边跨合拢顶板束则选择规格为15.2mm直径、16孔群锚钢绞线。

（4）支座设计：在支座设计时，最为重要的考虑就是抗震效果，通常采用球形抗震钢支座，具体的支座设计见图2所示。

图2 支座设计图

（5）施工阶段划分见表1所示。

表1 施工分段表

3 主梁截面正应力变化分析

在浇筑混凝土阶段和张拉预应力束阶段是整个施工过程中出现主梁截面正应力变化的阶段，对于无孔道应力幅值来说，始终小于有孔道模型的顶板正应力幅值，大概相差在1.2MPa以内，孔道影响箱梁界面正应力效果最显著的阶段应该是在合拢之前的施工阶段。同时，随着悬臂施工的不断推进，箱梁截面会出现越来越大的应力幅值，而造成截面正应力受到孔道的影响逐渐变小[3]。在施工不断进行的过程中，预应力孔道与无孔道的区别逐渐缩小，这主要是因为在混凝土泥浆灌入孔道使得孔道数量下降，孔道对于截面的影响力也就随之降低，同时，能够承受预应力作用的结构孔道数量逐渐增加，在合拢的过程中，预应力孔道与无孔道差距越来越小，这就证明了如果结构受力的过程中，孔道全面参与受力，那么影响顶板的孔道正应力就已经可以忽略不计了。

4 桥梁宽度增加对剪力滞效应影响的分析

在现阶段的技术条件下，桥梁宽度的增加可通过箱室个数的增加、腹板间距的增加或翼缘板宽度的增加来确保桥梁建设的质量，本文主要分析前两种增加对剪力滞效应影响。

4.1 箱室数量增加对剪力滞效应的影响

为了分析桥梁宽度对剪力滞效应的影响，我们通过模型进行模拟实验，分析剪力滞效应在箱室数量变化后出现的反应。在箱室数量增加的前提条件下，首先会产生的剪力滞系数变化是在顶板和中腹板交汇的位置，顶板的剪力滞系数达到最大，并且在桥梁宽度增加的情况下与无孔道剪力滞系数和有孔道剪力滞系数成正比；其次会产生的剪力滞系数变化是在顶板周边区域，顶板剪力滞系数达到最小，并且在桥梁宽度增加的情况下与无孔道剪力滞系数和有孔道剪力滞系数成反比；最后会产生的剪力滞系数变化是在顶板和中腹板交汇的位置，底板的剪力滞系数达到最大，并且在桥梁宽度增加的情况下与无孔道剪力滞系数和有孔道剪力滞系数成正比。由此可以证明，如果不考虑腹板间距的变化，那么桥梁宽度增加会影响到箱梁剪力滞效应，但是，造成的影响非常小，完全可以不考虑。

4.2 腹板间距增加对剪力滞效应的影响

在分析腹板间距对桥梁宽度影响时，可以通过模拟实验的方式进行，只对箱室间距进行改变，而保持箱室个数稳定，在不考虑其他因素作用的情况下，首先会产生的剪力滞系数变化是在顶板和中腹板交汇的位置，顶板的剪力滞系数达到最大，并且在腹板间距增加的情况下与无孔道剪力滞系数和有孔道剪力滞系数成正比；其次会产生的剪力滞系数变化是在顶板周边区域，顶板剪力滞系数达到最小，并且在腹板间距增加的情况下与无孔道剪力滞系数和有孔道剪力滞系数成反比；最后会产生的剪力滞系数变化是在顶板和中腹板交汇的位置，底板的剪力滞系数达到最大，并且在腹板间距增加的情况下与无孔道剪力滞系数和有孔道剪力滞系数成正比。由此可以证明，剪力滞效应受到腹板间距的影响还是存在的，并且剪力滞效应的变化程度与腹板间距的变化程度成正比，但是，这种变化程度相对并不显著，如果不考虑桥梁宽度的变化以及其他因素，腹板间距的变化对箱梁剪力滞效应的影响也可以暂不考虑。