大跨径宽箱连续刚构桥空间效应分析

杜永超

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司,辽宁 沈阳 110166）

0 引言

伴随着交通运输业的不断发展和基建能力的不断提升，大跨径桥梁的建设逐渐增多，尤其是我国西南地区，崇山峻岭、地形复杂，大跨径桥梁成为山区桥梁建设的重要桥型[1]。

连续刚构桥的适用范围在80～300 m 之间，符合我国桥梁设计安全、经济、美观的原则，不仅能够适用于平原，也能够适用于山区等复杂环境，在国内桥梁建设中得到广泛推广。连续刚构桥结合了T 形刚构桥和连续梁的优点，桥梁整体性强[2]。连续刚构桥的车辆行驶较为平稳舒适，桥墩具有一定的柔度，能够形成稳定的摆动支撑体系[3]。连续刚构桥主要采用从墩顶向两端对称平衡、逐节段施工的方法，并先进行边跨合龙再进行中跨合龙，从而可以将跨中正弯矩转化为支点负弯矩，方便变截面的设计，在节省了建设材料的同时，又提升了桥梁稳定、安全等性能，使桥梁的跨越能力得到大大提高[4]。

1 大跨径连续刚构桥病害及应对措施

大跨径连续刚构桥较为容易出现的病害一般可以分为两种：一种是跨中过度下挠，一种是箱梁开裂。

1.1 跨中过度下挠原因分析

跨中过度下挠出现的原因包括：一是连续刚构桥采用强度较高的混凝土薄壁箱型主梁，虽然可以减轻箱梁自身重量，但混凝土的徐变受混凝土加载龄期的影响较大，徐变系数与加载龄期变化呈相反趋势，混凝土加载龄期时间越短，徐变相应的也会越大[5]。为了尽量缩短桥梁建设的工期，混凝土未达到龄期要求便开始进行预应力张拉，因而使加载龄期变短，而徐变系数相应变大，主梁下挠值增大。施工过程中出现的桥面线形问题可以通过设置预拱度方法进行修正，但对跨中过度下挠问题却不能有效控制。大跨径梁桥箱形截面的轻薄化、混凝土强度等级的提升、混凝土加载龄期减少等多项因素的叠加，使徐变效应越来越大。二是徐变变形与预应力度的变化呈相反趋势，由此可见，大跨度预应力混凝土连续刚构桥梁的预应力度如果较小，徐变变形会相应较大，从而导致主梁下扰变形增大。从已有的连续刚构桥调查发现，孔道的压降存在不饱和情况，导致孔道内存在着一定的孔隙，甚至出现了浆体分离的现象，如此孔道内的预应力束会出现锈蚀现象，使有效预应力逐渐减小，不仅仅导致梁体出现下挠情况，还会导致受弯竖向裂缝，使抗主拉应力的能力降低。三是未考虑荷载长期效应的影响，伴随时间不断推移，桥梁构件的刚度会逐渐减小，挠度慢慢变大，出现此种情况的原因是徐变在受压区混凝土上逐渐显现，钢筋与混凝土的黏结作用在受拉区裂缝处逐渐失效，钢筋的平均应变变大，混凝土的收缩情况在受压区和受拉区出现了不同步，混凝土的弹性模量逐渐减小。四是跨中下挠过大会让结构出现开裂，结构开裂又会加大下挠，形成恶性循环。

1.2 箱梁裂缝原因分析

箱梁裂缝出现的原因包括如下几种：一是预应力钢筋的布置不当导致出现斜裂缝；二是孔跨布置不当。若中边跨比值过大，边跨的支点位置会出现上拉力，边跨与薄壁墩之间受力变得不平衡，主墩的受力容易出现不均衡情况；中边跨比过小时，连续刚构不同跨的刚度会有较大的区别，箱梁顶板、底板、腹板都有结构性裂缝出现的可能。三是界面尺寸的大小。箱梁高度尺寸不足时，结构恒载内力能够相应降低，但同时会使结构刚度有所降低，构件截面的承重下降。同时会使预应力的作用减小，主拉应力在箱梁腹板位置出现损坏。腹板厚度的大小影响箱梁腹板主拉应力的大小，忽略箱梁横向受力，会使腹板出现斜向开裂的情况。顶板和底板的厚度达不到标准时，各种形式的裂缝会出现在顶板和底板上，顶板出现纵向裂缝的原因之一就是发生超载情况。四是温度梯度。日光的照射下，桥面板、腹板侧面的温度会大幅度高于其他不受太阳直射的构件，从而使箱内和箱外的出现较大的温差，由于箱梁自身约束的作用，部分位置的拉应力较大，导致裂缝的出现。五是剪力滞效应。由于剪力滞效应的发生，纵向翘曲位移会在箱梁上出现，纵向位移差会在上翼缘板、底板中央和腹板交汇处产生，导致箱梁各部位出现应力分布不均匀，当箱梁宽跨比、宽高比较大时，顶板的纵向受力会不均匀分布，导致裂缝的出现。六是箱梁畸变。如果箱壁的长宽高较小，同时横隔板较薄时，会出现箱梁的横向应力超过挠曲应力的情况，裂缝在箱形截面的顶板、腹板和底板均有出现的可能，常见的箱梁裂缝如表1 所示。

1.3 病害应对措施

基于上述大跨度连续刚构桥存在的病害情况以及病害原因，应对病害的措施主要包括：一是优化纵向预应力束的布置，跨内纵向预应力束下弯到箱梁截面中心附近，从而改善腹板的主拉应力；二是改善竖向预应力筋设计，减小预应力的损失；三是优化预应力张拉顺序及时间，纵向预应力采取混凝土龄期与强度同时控制的方式来避免混凝土后期出现收缩徐变过大的情况。

2 不同跨径宽箱桥梁的剪力滞效应分析

2.1 剪力滞效应

箱梁空间效应的一个重要表现内容便是箱梁的剪力滞效应，如果箱梁出现了纵向弯曲情况，弯曲正应力会从翼缘一侧通过腹板传递到另一侧，在腹板与翼缘板的相交位置，腹板所传递的剪力流达到最大值，剪力流在向翼缘板传递的过程中，上、下板均会发生一定程度的变形，导致向板内传递的力不断减小，从而使弯曲正应力的横向分布沿着翼缘板呈现曲线形状，当靠近腹板处的翼缘板中的纵向应力小于正应力时，即为负剪力滞效应，反之则为正剪力滞效应。为了方便描述箱梁剪力滞效应的影响效果，引入了箱梁剪力滞效应系数为箱梁截面上下板各位置的应力与箱梁截面上下板的应力平均值的比值。

2.2 不同跨径宽箱桥梁的模型构建

该文以我国西南地区某特大跨径连续刚构桥的物理特性为基础，利用有限元分析软件Midas 对不同箱宽状况下桥梁受到三维预应力时的空间效应进行分析，大桥的主要技术标准如下：荷载等级为公路-Ⅰ级；单幅桥宽18 m，全桥宽度2×18 m；设计车速为100 km/h。大桥采用双幅布置，间距9 m，桥梁以单箱单室箱形截面构成箱梁结构，顶板尺寸宽18 m，底板尺寸宽9 m。箱梁采用C60 混凝土，主墩采用C50 混凝土。

随着箱梁宽度的越来越大，箱梁的空间效应也会更加凸显，箱梁的剪力滞效应随之会更加的显著，依托大桥的基础物理特性，将单箱箱宽增加至22 m，通过模拟两种箱宽下的空间效应，分析研究不同箱宽下剪力滞效应的变化规律，两种箱梁的截面如图1 所示。

图1 A、B 桥箱梁截面图（m）

2.3 模型剪力滞系数模拟结果分析

连续刚构桥制作采用刚性约束，主墩墩底截面施加x、y、z三个方向的约束，两边跨悬臂端施加y、z两个方向约束，成桥阶段A、B 梁桥剪力滞效应沿桥梁方向顶板腹板中心对齐点、底板腹板中心对齐点、顶板中心点和底板中心点的剪力滞系数分布图如图2～3 所示。

图2 A、B 桥顶板、底板腹板中心对齐点剪力滞系数沿程分布图

图3 A、B 桥顶板中心点剪力滞系数沿程分布图

可以看出，箱梁顶板剪力滞效应在薄壁墩以外为正，在薄壁墩之间为负。正剪力滞效应距离主墩越远，效应越明显，表明箱梁的宽高比对箱梁剪力滞效应有一定的影响，当截面的高度增加时，剪力滞效应反而减小。顶板剪力滞效应较为明显，A 桥的顶板正剪力滞效应系数范围在1.3～1.7，负剪力滞效应系数较小，仅在薄壁墩附近显现，且剪力滞系数在1.15 左右。B 桥顶板正剪力滞效应系数范围在1.2～1.6，负剪力滞效应在薄壁墩附件显现且系数较小，表明此处顶板受力较为均匀。底板剪力滞效应较为不明显，薄壁墩两侧为正剪力滞效应，其余部位为负剪力滞效应。位于20 m 箱梁节段处的底板正负剪力滞效应有明显的转换，表明此处底板的受力变化较大。箱梁剪力滞效应在顶板的作用与底板相比较明显，剪力滞效应随着箱梁宽度的增加，剪力滞效应越来越明显。A 桥剪力滞效应系数在1.45 上下浮动，而B 桥的剪力滞效应在1.35 上下浮动，两桥剪力滞效应平均值相差在0.1 左右，剪力滞效应增加比例为7.4%，表明箱梁宽度对大跨径连续刚构桥构件的剪力滞效应具有较大的影响。

3 结语

大跨径箱梁连续刚构桥容易出现跨中过度下挠和箱梁开裂的情况，在桥梁设计之初，对桥梁的空间效应进行模拟分析，以改善后期使用过程中桥梁构件可能出现的病害。该文以我国西南地区某特大跨径连续刚构桥的物理特性为基础，利用有限元分析软件Midas 对不同箱宽状况下桥梁受到三维预应力时的空间效应进行分析，可以得出以下结论：

（1）箱梁的剪力滞效应随着箱梁宽度的增加，剪力滞效应越来越明显，箱梁的宽度对大跨径连续刚构桥构件的剪力滞效应具有较大的影响。

（2）成桥阶段箱梁剪力滞效应在顶板的表现与底板相比较明显，箱梁顶板剪力滞效应在薄壁墩之间为负剪力滞，在其他位置为正剪力滞。底板剪力滞效应较为不明显，薄壁墩两侧为正剪力滞效应，其余部位为负剪力滞效应。