箱梁桥面纵坡对预应力外崩力的影响

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箱梁桥面纵坡对预应力外崩力的影响
杨超

【摘 要】 针对国内连续箱梁桥桥面纵坡各种线形的布置对引起箱梁底板开裂的主要因素如预应力径向外崩力进行了数值计算分析，表明纵向预应力束随桥面纵坡线形的布置方式对箱梁底板裂缝的开展起着重要的作用。从预应力筋布置、预拱度设置、非预应力筋的设置等几方面提出了防裂设计改进建议。 
　　【关键词】 预应力混凝土连续箱梁桥；桥面纵坡；底板裂缝；防裂设计 
　　引 言 
　　随着国家基础设施建设的快速发展，预应力混凝土连续箱梁桥以其结构刚度大、行车平顺性好、伸缩缝少和养护简单等特点，已成为公路建设中最主要的桥型之一。但随着预应力混凝土连续梁式桥（包括连续梁、连续刚构、刚构-连续组合体系），特别是大跨度连续梁式桥的大量修建，已暴露了一些问题。国内类似的变高度预应力混凝土箱梁跨中节段腹板底部及底板底面纵向严重开裂，底板索下的钢筋混凝土与上层混凝土崩离的事故屡有发生，其中混凝土结构底板开裂问题较为突出。 
　　连续梁桥底板开裂的问题已经严重影响桥梁的安全性能与耐久性，这引起了桥梁界广大设计者的重视。 
　　1 桥面纵坡线型和底板预应力外崩力的关系 
　　连续箱梁桥底板开裂的众多因素中，底板纵向预应力筋沿变高度箱梁布置时，产生的径向外崩力是最主要的因素，这被国内许多桥梁专家所验证。为此，现在很多关于底板的防裂设计都是围绕着减小底板钢束的径向外崩力展开的，但是桥面纵坡线型和底板预应力外崩力的关系研究得比较少。本文将结合工程中连续箱梁桥桥面纵坡线型的各种布置，研究底板预应力外崩力的变化关系。 
　　1.1 跨内桥面为单向纵坡 
　　当全桥单向纵坡或桥跨内不设竖曲线时，跨内桥面为单向纵坡，设其纵坡坡度为i，图1为钢束折点处的径向集中力的示意，图2 所示为合拢段及合拢左右各2个节段的示意。 
　　根据图1简单的几何关系，可得出 
　　由图2可见，对于合拢段左侧（上坡侧）： 
　　可得： 
　　对于合拢段右侧（下坡侧）： 
　　可得： 
　　所以根据图3 所得式子，桥面单坡对折点n的径向集中力也没有影响。 
　　1.2 跨内桥面为带竖曲线和双向纵坡 
　　由前面分析可见，单坡段纵坡对预应力径向力没有影响，所以只需要考虑竖曲线段，一般情况下竖曲线为圆弧，假设半径为R。 
　　根据图3所得式子，考虑桥面竖曲线后折点n的径向集中力为： 
　　考虑桥面竖曲线后折点的径向集中力比桥面平坡时大，考虑桥面竖曲线的影响是有必要的。 
　　1.3 跨内桥面设置预拱度 
　　为了克服桥梁后期持续变形和活载变形，连续刚构桥梁跨中一般设置竖向预拱度。理论上，该预拱度沿跨径从墩顶到跨中按二次抛物线分配，如图6所示。 
　　以n号折点为例，根据图3所得式子，考虑桥面设置预拱度后折点n的径向集中力为： 
　　考虑桥面预拱度后折点的径向集中力比桥面平坡时大，考虑桥面预拱度的影响是有必要的。根据预拱度拟合抛物线参数和节段水平分段长度计算。 
　　1.4 工程实桥桥面纵坡对底板径向外崩力的数值计算 
　　某连续刚构桥主跨为200m，悬臂根部梁高11m，跨中梁高3.7m，悬臂根部至跨中最后一个悬臂浇筑节段前端水平距离91.5m，底板底缘曲线采用1.5次抛物线。底板每束预应力张拉力为。箱梁节段长度为1m+6×3.5 m +5×4m+11×4.5m，合拢段长度3m，其中最长的底板预应力束延伸至距离跨中67m处，即除合拢段外单侧共计15个悬臂节段内布置底板预应力钢束。 
　　1.4.1 不考虑桥面纵坡和竖曲线影响时的 
　　不考虑桥面纵坡影响时，箱梁节段折点处的集中钢束径向力按图3所得公式计算，各折点位置的径向力。越接近合拢段，箱梁节段折点处的集中钢束径向力越大。 
　　1.4.2 考虑桥面纵坡和竖曲线影响时的 
　　假定桥面采用以下纵坡和竖曲线，双向2.5％纵坡，跨中设置竖曲线，竖曲线半径为2000米，则该竖曲线T=49.978米。考虑桥面纵坡影响时，箱梁节段折点处的集中钢束径向力按图3所得公式计算。考虑桥面竖曲线影响后，折点径向集中力增大，其增大幅度与节段长度相关。 
　　1.4.3 考虑桥面设置二次抛物线分布的预拱度时的 
　　假定该连续刚构在主梁合拢时顶面形成跨中截面设置20厘米（L/1000）、墩顶为0的沿纵向二次抛物线分布的预拱度，此时箱梁顶面抛物线方程为：（跨中截面顶缘为坐标原点）。考虑桥面此预拱度影响后，箱梁节段折点处的集中钢束径向力按图4所得公式计算。考虑桥面预拱度影响后，折点径向集中力增大，与桥面竖曲线影响相比，其增大幅度较小。 
　　2 结语 
　　（1）连续箱梁桥桥面纵坡对底板钢束张拉时产生的预应力外崩力有明显的影响。桥面单坡时对钢束折点处集中力没有影响；桥面为带竖曲线和双向纵坡时对钢束折点处集中力有明显增大趋势；考虑桥面预拱度影响后，钢束折点处集中力也有增大趋势；且折点处径向集中力的增大幅度与节段长度有关，预拱度的增大幅度比竖曲线的增大幅度较小，这些因素在桥梁的设计阶段容易忽略，应该引起重视。 
　　（2）为提高底板抗裂性，除预应力配束合理外，还要配置一定数量的箍筋与弯起钢筋，对于大跨径变截面连续箱梁在中跨合拢段附近还要布置一定的横向加劲肋，以抵抗因桥面纵坡线型布置形成的钢束折点集中力。 
　　（3）为了有效防止预应力混凝土连续箱梁桥的开裂，平面分析时箱梁翼板有效宽度和内力增大系数的选取、箱梁各部分构造尺寸的合理确定、温度梯度模式的选用；在施工和养护上要注意预应力筋的张拉工艺控制、混凝土的浇筑和养护。 
　　参考文献 
　　[1] 王波，谢肖礼，徐丰，张海龙. 连续刚构桥中跨箱梁底板混凝土局部崩裂分析与加固.施工技术.2007.08. 
　　[2] 李俊，李小珍，卫星，晋智斌，任伟平，司秀勇. 连续刚构桥底板纵向裂纹原因分析.公路.2005.09 
　　[3] 郭丰哲，钱永久，李贞新.预应力连续刚构桥合拢段底板崩裂原因分析[J].公路交通技术.2005.10 
　　作者简介：杨超（1980- ），男，江苏南京，工程师。 

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