论文部分内容阅读
【关键词】连续刚构桥;箱梁腹板开裂;问题成因;应力限值
【中图分类号】U448.23 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）08-0192-03
0 前言
近年来，部分连续刚构桥在建设和运行过程中表现出箱梁腹板、顶板、底板、横隔板等部分开裂的情况，相关问题的存在不仅会影响连续刚构桥的整体质量和使用寿命，还会影响桥梁建设和运营安全。因此，为保障连续刚构桥的使用安全和使用寿命，必须对箱梁开裂成因进行分析研究，这对于箱梁养护、建设及设计具有重要意义。据此，本文将对连续刚构桥箱梁腹板开裂成因进行研究分析，以期能够对箱梁腹板开裂问题的有效解决提供一定参考。
1 连续刚构箱梁桥裂缝类型
1.1 边跨梁端腹板斜裂缝
连续刚构箱梁桥边跨张拉的预应力筋需要锚固在边跨端部，因为该结构部分存在锚固应力，而且混凝土具有横向变形的特性，所以该结构具有较强的拉应力;边跨端部的常规做法是在施工接近至最大悬臂时，在支架上进行一次浇筑，该结构在体系转换后会受到次内力和支座反力的影响。由于边跨端部的腹板受力复杂，因此虽然在施工中施工人员非常注意技术处理，但是腹板出现斜裂缝的现象仍然屡见不鲜。
1.2 中跨L/3～L/4处腹板斜裂缝
中跨L/3～L/4处腹板斜裂缝的主要表现特征为距中跨跨中10～20 m的地方，裂缝呈斜向延伸，当延伸到顶、底板时则呈横向延伸，此类裂缝的对称性明显。这种裂缝的产生受剪应力和腹板竖向应力的影响。在较早时期，在设计连续刚构箱梁桥时，受到当时施工条件的限制，设计人员在对箱梁桥进行计算时一般采用平面杆系有限元结合经验系数的方法，忽略了箱梁结构实际存在的空间效应和畸变的影响，因此会导致裂缝的出现。
1.3 箱梁顶、底板纵向裂缝
箱梁顶、底板纵向裂缝的特征是长度不一，方向平行，底板裂缝多于顶板。箱梁桥顶板及底板的纵向开裂的原因比较复杂，一般认为是箱粱结构的畸变和横向弯曲，以及温度梯度效应、变截面箱梁合拢束张拉等均可导致箱梁纵向开裂。
1.4 齿板裂缝
齿板尺寸较小，但是设置了齿板的结构往往会采用大吨位的预应力体系，使得齿板承受很大的压应力，巨大的压应力将产生劈裂应力，若未采取足够的措施，将导致齿板附近的混凝土开裂。
2 工程概况
某连续刚构桥为箱形连续桥，其主跨采用上下分离型设计，截面为单箱单室截面。桥墩高程约108 m，箱梁底板宽约8 m，顶板宽约15.8 m，箱梁两侧悬臂各3.9 m，箱梁高程区间为2.2～5.6 m，腹板宽0.5 m，箱梁底缘呈现抛物线性变化。箱梁纵向预应力钢筋采用φs15.2 mm的钢绞线、竖向预应力钢筋采用φ32 mm精轧螺纹钢筋，其中纵向预应力钢筋的标准强度为1 860 MPa，锚下张拉控制应力为1 395 MPa;竖向预应力钢筋的张拉力为0.8×830 MPa，单根预应力钢筋的横截面面积为8.044×10-4 m2。
3 连续刚构桥箱梁腹板开裂原因分析
连续刚构桥箱梁腹板开裂原因分析将会分别采用Midas有限元分析软件和ANSYS软件进行，其中前者主要用于主梁的仿真分析，后者主要用于局部的仿真分析 [1]。在局部分析过程中，主跨将会通过Solid 65三维实体单元模拟主跨所采用的混凝土材料，同时在模型坐标系构建时，X轴、Y轴和Z轴分别作为桥梁的纵向、横向及竖向，所构成的模型如图1和图2所示，其中图2中模型的起止点为X轴的21.5 m和39 m。
3.1 竖向预应力损失
某连续刚构桥竖向预应力钢筋采用的精轧螺纹钢筋，在桥梁建设及运营过程中随着时间的不断推移，螺母和精轧螺纹钢筋的间距损失和螺母锚固损失持续增加。基于此种情况，文章分别模拟预应力损失为0、30%、50% 3种条件下竖向预应力损失，分析导致连续刚构桥线路腹板开裂的原因。
在模拟分析过程中，结合当前现行规范标准，确定连续刚构桥的预应力混凝土拉应力σtp和主因应力σcp的计算公式如下 [2]：
在以上公式中：σcx为混凝土向应力，Ms主要是由Ms和预加力产生;Ms为混凝土作用短期组合效应所产生的弯矩;σcy为钢筋混凝土竖向压力;τ为弯折预应力钢筋产生的预加力和Vs共同产生的混凝土剪应力;Vs为由作用短期效应组合计算的剪力;σpc为去除预应力损失后的预压应力;y0为主应力点到重心轴之间的距离;n为在同一截面上竖向预应力钢筋总数;σ■■为竖向预应力钢筋提供的预应力;Apv为竖向预应力钢筋横截面面积;sv为竖向预应力钢筋之间的间距;b为主应力点处箱梁腹板宽度;I0为连续刚构桥惯性力矩。
根据图1中的某连续刚构桥整体模型，基于上述公式，可以计算出连续刚构桥主梁各点主压应力值，具体计算点如图3所示。不同点的竖向有效预应力下的主压应力值见表1，不同竖向预应力损失之间的拉应力变化情况见表2。
由表1和表2可知，箱梁腹板的主压应力和主拉应力会随着主梁预应力损失的变化而變化，并且在预应力损失增加的情况下，主压应力变化较小、主拉应力变化较大 [3]，随着主梁预应力损失的持续变化，箱梁腹板的主拉应力变化也将会逐渐明显，一定情况下甚至可能会出现拉应力变化值大于1 MPa的情况。
根据图2中的局部模型分别对0、30%、50% 3种预应力损失情况下的箱梁腹板受力情况进行模拟分析，最终获取到图4中的分析结果。
由图4可知，随着竖向预应力损失的持续增加，连续刚构桥腹板开裂情况也逐渐严重，尤其在竖向预应力损失达到50%时，腹板已经出现明显开裂的情况 [4]。由此可见，竖向预应力损失将会对腹板开裂产生直接的影响，不仅需要在设计过程中对相关因素进行充分考虑，还需要在施工过程中严格控制施工标准，避免因人为因素引发的预应力损失问题，避免腹板出现应力不符合设计要求而引发的腹板开裂情况。 3.2 环境温度
通常情况下，环境温度对连续刚构桥箱梁腹板造成的影响由年温差和局部温差两个部分组成，在对两种影响进行模拟的过程中，年温差所造成的影响需要对整体结构进行充分考虑。若是针对温度结构，那么年温差通常会造成均值变化，若是针对无水平约束结构，那么只会造成结构均匀收缩，却不会引发结构整体出现温度应力情况。若是结构呈现均匀伸缩约束，那么年温差所造成的影响将会产生温度应力，进而影响整体结构及应力变化;对于局部温差，其所造成的影响在箱梁腹板上主要体现出沿界面高度方向的日照温差影响。
确定受日照的影响，“T”形连续梁桥面板与其他结构之间会产生温度差，进而产生温度应力。结合现有资料可知，在部分季节中，连续刚构桥的箱梁顶板和顶板之间的温差可达到10～15 ℃ [5]。稳定应力应包括温度自应力和温度次应力，相关因素主要受到混凝土及桥面板的影响，其中温度自应力的计算公式如下：
基于上述公式，分别对某连续刚构桥的温度自应力和温度次应力进行计算分析，根据某连续刚构桥的实际情况，在对温度应力进行计算时应考虑顶板与底板之间的温度变化，假设主梁整体降温20 ℃，那么顶板可能会降温15 ℃，腹板和底板则可能会降温20 ℃，进而导致顶板与腹板和底板之间存在温度差，温度差为5 ℃ [6]。两种情况所造成的影响如图5和图6所示。
由图5和图6可知，结构存在温度差的情况则会导致箱梁腹板存在明显开裂情况，并且此种情况会随着温度差的增加而越发严重，然而将我国现行标准与国际标准进行对比后可以发现，我国现行标准中的规范温度差相对较低[7]，以此进行设计的桥梁将可能会存在一定的安全隐患，应进一步规范溫度差，以此提高应力限值，确保连续刚构桥在建设和运营过程中箱梁腹板的整体质量。
4 结语
综上所述，本文以某连续刚构桥为研究对象，通过仿真模拟分析的方式最终确定线路腹板开裂的成因为竖向预应力损失及顶板和底板之间的温度差，并且结合我国现行标准分析后发现，我国现行标准中的规范温度差相对较低，以此进行设计的连续刚构桥将会存在一定的安全隐患，应对相关标准进行完善，进而提高连续刚构桥的整体应力限值，保障连续刚构桥在建设与运营中的整体质量及使用寿命。
参 考 文 献
[1]张晓.连续刚构桥箱梁腹板裂缝成因分析及预应力效应研究[D].西安：长安大学，2015.
[2]杜斌，赵人达.大跨预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析及防治对策[J].四川建筑科学研究，2010，36
（3）：77-81.
[3]唐小兵，贾志伟，黄爱.连续刚构桥施工过程中腹板斜裂缝成因分析及试验研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017，41（2）：195-198.
[4]罗岸峰.连续刚构桥箱梁腹板裂缝产生主要原因分析[J].工程技术（文摘版）·建筑，2016（7）：282.
[5]肖光宏，张秋陵.连续刚构桥箱梁L/4截面腹板裂缝成因分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2010，29
（6）：846-848.
[6]姜震.连续刚构箱梁桥腹板及顶板裂缝成因分析与维修加固[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.
[7]卫星，赵骏铭，肖林，等.连续刚构桥施工过程中腹板裂缝检测与研究[J].铁道工程学报，2019（7）：38-43.
【中图分类号】U448.23 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）08-0192-03
0 前言
近年来，部分连续刚构桥在建设和运行过程中表现出箱梁腹板、顶板、底板、横隔板等部分开裂的情况，相关问题的存在不仅会影响连续刚构桥的整体质量和使用寿命，还会影响桥梁建设和运营安全。因此，为保障连续刚构桥的使用安全和使用寿命，必须对箱梁开裂成因进行分析研究，这对于箱梁养护、建设及设计具有重要意义。据此，本文将对连续刚构桥箱梁腹板开裂成因进行研究分析，以期能够对箱梁腹板开裂问题的有效解决提供一定参考。
1 连续刚构箱梁桥裂缝类型
1.1 边跨梁端腹板斜裂缝
连续刚构箱梁桥边跨张拉的预应力筋需要锚固在边跨端部，因为该结构部分存在锚固应力，而且混凝土具有横向变形的特性，所以该结构具有较强的拉应力;边跨端部的常规做法是在施工接近至最大悬臂时，在支架上进行一次浇筑，该结构在体系转换后会受到次内力和支座反力的影响。由于边跨端部的腹板受力复杂，因此虽然在施工中施工人员非常注意技术处理，但是腹板出现斜裂缝的现象仍然屡见不鲜。
1.2 中跨L/3～L/4处腹板斜裂缝
中跨L/3～L/4处腹板斜裂缝的主要表现特征为距中跨跨中10～20 m的地方，裂缝呈斜向延伸，当延伸到顶、底板时则呈横向延伸，此类裂缝的对称性明显。这种裂缝的产生受剪应力和腹板竖向应力的影响。在较早时期，在设计连续刚构箱梁桥时，受到当时施工条件的限制，设计人员在对箱梁桥进行计算时一般采用平面杆系有限元结合经验系数的方法，忽略了箱梁结构实际存在的空间效应和畸变的影响，因此会导致裂缝的出现。
1.3 箱梁顶、底板纵向裂缝
箱梁顶、底板纵向裂缝的特征是长度不一，方向平行，底板裂缝多于顶板。箱梁桥顶板及底板的纵向开裂的原因比较复杂，一般认为是箱粱结构的畸变和横向弯曲，以及温度梯度效应、变截面箱梁合拢束张拉等均可导致箱梁纵向开裂。
1.4 齿板裂缝
齿板尺寸较小，但是设置了齿板的结构往往会采用大吨位的预应力体系，使得齿板承受很大的压应力，巨大的压应力将产生劈裂应力，若未采取足够的措施，将导致齿板附近的混凝土开裂。
2 工程概况
某连续刚构桥为箱形连续桥，其主跨采用上下分离型设计，截面为单箱单室截面。桥墩高程约108 m，箱梁底板宽约8 m，顶板宽约15.8 m，箱梁两侧悬臂各3.9 m，箱梁高程区间为2.2～5.6 m，腹板宽0.5 m，箱梁底缘呈现抛物线性变化。箱梁纵向预应力钢筋采用φs15.2 mm的钢绞线、竖向预应力钢筋采用φ32 mm精轧螺纹钢筋，其中纵向预应力钢筋的标准强度为1 860 MPa，锚下张拉控制应力为1 395 MPa;竖向预应力钢筋的张拉力为0.8×830 MPa，单根预应力钢筋的横截面面积为8.044×10-4 m2。
3 连续刚构桥箱梁腹板开裂原因分析
连续刚构桥箱梁腹板开裂原因分析将会分别采用Midas有限元分析软件和ANSYS软件进行，其中前者主要用于主梁的仿真分析，后者主要用于局部的仿真分析 [1]。在局部分析过程中，主跨将会通过Solid 65三维实体单元模拟主跨所采用的混凝土材料，同时在模型坐标系构建时，X轴、Y轴和Z轴分别作为桥梁的纵向、横向及竖向，所构成的模型如图1和图2所示，其中图2中模型的起止点为X轴的21.5 m和39 m。
3.1 竖向预应力损失
某连续刚构桥竖向预应力钢筋采用的精轧螺纹钢筋，在桥梁建设及运营过程中随着时间的不断推移，螺母和精轧螺纹钢筋的间距损失和螺母锚固损失持续增加。基于此种情况，文章分别模拟预应力损失为0、30%、50% 3种条件下竖向预应力损失，分析导致连续刚构桥线路腹板开裂的原因。
在模拟分析过程中，结合当前现行规范标准，确定连续刚构桥的预应力混凝土拉应力σtp和主因应力σcp的计算公式如下 [2]：
在以上公式中：σcx为混凝土向应力，Ms主要是由Ms和预加力产生;Ms为混凝土作用短期组合效应所产生的弯矩;σcy为钢筋混凝土竖向压力;τ为弯折预应力钢筋产生的预加力和Vs共同产生的混凝土剪应力;Vs为由作用短期效应组合计算的剪力;σpc为去除预应力损失后的预压应力;y0为主应力点到重心轴之间的距离;n为在同一截面上竖向预应力钢筋总数;σ■■为竖向预应力钢筋提供的预应力;Apv为竖向预应力钢筋横截面面积;sv为竖向预应力钢筋之间的间距;b为主应力点处箱梁腹板宽度;I0为连续刚构桥惯性力矩。
根据图1中的某连续刚构桥整体模型，基于上述公式，可以计算出连续刚构桥主梁各点主压应力值，具体计算点如图3所示。不同点的竖向有效预应力下的主压应力值见表1，不同竖向预应力损失之间的拉应力变化情况见表2。
由表1和表2可知，箱梁腹板的主压应力和主拉应力会随着主梁预应力损失的变化而變化，并且在预应力损失增加的情况下，主压应力变化较小、主拉应力变化较大 [3]，随着主梁预应力损失的持续变化，箱梁腹板的主拉应力变化也将会逐渐明显，一定情况下甚至可能会出现拉应力变化值大于1 MPa的情况。
根据图2中的局部模型分别对0、30%、50% 3种预应力损失情况下的箱梁腹板受力情况进行模拟分析，最终获取到图4中的分析结果。
由图4可知，随着竖向预应力损失的持续增加，连续刚构桥腹板开裂情况也逐渐严重，尤其在竖向预应力损失达到50%时，腹板已经出现明显开裂的情况 [4]。由此可见，竖向预应力损失将会对腹板开裂产生直接的影响，不仅需要在设计过程中对相关因素进行充分考虑，还需要在施工过程中严格控制施工标准，避免因人为因素引发的预应力损失问题，避免腹板出现应力不符合设计要求而引发的腹板开裂情况。 3.2 环境温度
通常情况下，环境温度对连续刚构桥箱梁腹板造成的影响由年温差和局部温差两个部分组成，在对两种影响进行模拟的过程中，年温差所造成的影响需要对整体结构进行充分考虑。若是针对温度结构，那么年温差通常会造成均值变化，若是针对无水平约束结构，那么只会造成结构均匀收缩，却不会引发结构整体出现温度应力情况。若是结构呈现均匀伸缩约束，那么年温差所造成的影响将会产生温度应力，进而影响整体结构及应力变化;对于局部温差，其所造成的影响在箱梁腹板上主要体现出沿界面高度方向的日照温差影响。
确定受日照的影响，“T”形连续梁桥面板与其他结构之间会产生温度差，进而产生温度应力。结合现有资料可知，在部分季节中，连续刚构桥的箱梁顶板和顶板之间的温差可达到10～15 ℃ [5]。稳定应力应包括温度自应力和温度次应力，相关因素主要受到混凝土及桥面板的影响，其中温度自应力的计算公式如下：
基于上述公式，分别对某连续刚构桥的温度自应力和温度次应力进行计算分析，根据某连续刚构桥的实际情况，在对温度应力进行计算时应考虑顶板与底板之间的温度变化，假设主梁整体降温20 ℃，那么顶板可能会降温15 ℃，腹板和底板则可能会降温20 ℃，进而导致顶板与腹板和底板之间存在温度差，温度差为5 ℃ [6]。两种情况所造成的影响如图5和图6所示。
由图5和图6可知，结构存在温度差的情况则会导致箱梁腹板存在明显开裂情况，并且此种情况会随着温度差的增加而越发严重，然而将我国现行标准与国际标准进行对比后可以发现，我国现行标准中的规范温度差相对较低[7]，以此进行设计的桥梁将可能会存在一定的安全隐患，应进一步规范溫度差，以此提高应力限值，确保连续刚构桥在建设和运营过程中箱梁腹板的整体质量。
4 结语
综上所述，本文以某连续刚构桥为研究对象，通过仿真模拟分析的方式最终确定线路腹板开裂的成因为竖向预应力损失及顶板和底板之间的温度差，并且结合我国现行标准分析后发现，我国现行标准中的规范温度差相对较低，以此进行设计的连续刚构桥将会存在一定的安全隐患，应对相关标准进行完善，进而提高连续刚构桥的整体应力限值，保障连续刚构桥在建设与运营中的整体质量及使用寿命。
参 考 文 献
[1]张晓.连续刚构桥箱梁腹板裂缝成因分析及预应力效应研究[D].西安：长安大学，2015.
[2]杜斌，赵人达.大跨预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析及防治对策[J].四川建筑科学研究，2010，36
（3）：77-81.
[3]唐小兵，贾志伟，黄爱.连续刚构桥施工过程中腹板斜裂缝成因分析及试验研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017，41（2）：195-198.
[4]罗岸峰.连续刚构桥箱梁腹板裂缝产生主要原因分析[J].工程技术（文摘版）·建筑，2016（7）：282.
[5]肖光宏，张秋陵.连续刚构桥箱梁L/4截面腹板裂缝成因分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2010，29
（6）：846-848.
[6]姜震.连续刚构箱梁桥腹板及顶板裂缝成因分析与维修加固[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.
[7]卫星，赵骏铭，肖林，等.连续刚构桥施工过程中腹板裂缝检测与研究[J].铁道工程学报，2019（7）：38-43.