预应力混凝土连续箱梁防裂设计浅析

２０１１年第１０期　黑龙江交通科技　ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪｌ　Ｎｏ．１０，２０１１　（总第２１２期）　（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２１２）　预应力混凝土连续箱梁防裂设计浅析　赵志航　（黑龙江省公路勘察设计院）　摘要：针对预应力混凝土连续箱梁桥普遍开裂的情况，根据不同类型、不同部位的裂缝，从预应力束的设　置、箱梁翼板有效宽度和内力增大系数、箱梁构造要求、温度梯度模式、普通钢筋配置等方面加以分析，提出　了防裂设计措施。　关键词：预应力混凝土；连续箱梁；裂缝；防裂设计　中图分类号：Ｕ４４５　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１１）１０—０２７９—０２　１预应力钢筋的设置　１．３　曲线形预应力钢束的布置问题　１．１腹板顸应力束的布置　（１）底部力筋竖向曲率问题　纵向预应力束的配置目前有两种做法：曲线配束与直线　连续箱梁梁高一般按二次抛物线变化，布置在正弯矩区　配束。传统的纵向预应力曲线配束方案是根据受弯梁的弯　段底板内的纵向力筋必然是向下弯曲的，必然要产生向下的　矩包络图设计的，符合受弯梁的力学规律，也经历了实践的　径向力，与混凝土板的恒载应力是叠加的。相应的弯曲应力　考验。直线配束可以减少钢束用量，降低造价，便于施工，减　可能比单独恒载产生的应力大３—４倍。如果对这种作用考　小预应力损失。　虑不足，就会发生严重的纵向开裂。这种作用必须由腹板间　从理论方面而言，纵向直线预应力束和竖向预应力柬的　底板的横向弯曲来抵抗。　综合效果能起到斜截面抗剪的作用。但是由于竖向预应力　（２）平面曲线形力筋的相关问题　钢筋长度较短，钢筋的张拉延伸量很小，如果有小的压缩变　张拉平面曲线纵向力筋在腹板中产生横向力，腹板内的　形，加上锚固系统问题，施工很难保证有效的预应力度。竖　力筋会逸出，产生的径向力会使力筋拉直，将顺着力筋线型　向预应力大小对全桥范围内腹板主拉应力均有影响；不计竖　的曲线形腹板撕裂。这种破坏主要是由于曲率较大、力筋的　向预应力作用与计人５０％设计张拉控制力相比，腹板主拉　混凝土保护层过薄以及大型力筋束过于集中设置引起。在　应力一般增大一倍左右。　后张法混凝土曲线箱梁的设计中，设计人员必须考虑侧向预　因此，在连续箱梁桥的设计中，除在受拉区配置直线预　应力，并要配置箍筋来承受竖向腹板剪力。平曲线半径不宜　应力束外，还应将部分预应力束在靠近支座区段向上弯起或　过小，混凝土保护层要适当加厚，将力筋适当分散在单独孔　配置曲线预应力束。布置的下弯束和起弯束一般为腹板纵　道内而不是放在成束的孑Ｌ道内。　向钢束，而且多数是使用阶段所需的钢束，此类钢束是通过　２箱梁翼板的有效宽度与内力增大系数　腹板预应力容易达到全断面均匀分布，而且是克服剪应力最　预应力混凝土连续箱梁桥的设计大多采用平面有限元　有效和合理的布束形式。　分析，为了方便地计人“剪力滞效应”，现行规范中采用了　为了避免顶板预应力束锚头与底板预应力束锚头之间　“翼缘有效分布宽度”，根据翼缘内的应力体积与折算截面　产生预应力空白区，要把纵向预应力束的锚头错开搭接。一　的翼缘内应力体积相等的原理换算而得来。　般，锚头的前面会产生局部压应力，锚头后面产生局部拉应　箱梁在偏心或反对称荷载作用下会发生扭转，包括刚性　力，在锚头两侧产生局部剪应力，它们的合力与锚头的锚固　扭转和畸变扭转。为了在平面分析时计及箱梁受力的空间　力平衡。这样，预应力方向相反的两根锚索的锚后拉应力组　特性，采取内力增大系数来考虑，根据经验一般取为１．１５。　成很强的局部拉应力场，可能将梁体腹板撕裂。为了防止锚　３箱梁桥各部分尺寸的合理设计　头前面的混凝土被压裂，可以采取钢筋局部加强、锚头分散　３．１箱梁结构尺寸设计中主要存在的问题　布置、减小锚下应力集中等措施。而对锚后的拉力区，特别　（１）在箱梁横向由于交通量要求越来越宽的同时，箱梁　是锚固力方向相反的预应力索，应该有合理的错开搭接长　的截面尺寸尤其是竖向高度却由于轻盈美观的要求而越来　度。　越小，从而降低了箱梁截面本身的抗剪能力。　１．２顶板预应力束的布置　（２）随着箱梁横向设计越来越宽，箱梁的剪切、扭转效　在顶板布置足够数量的纵向预应力束，使在底板预应力　应也越来越显著，这在客观上要求增加横隔板密度以增强箱　束张拉之前，整个箱梁体，尤其是腹板，具备了较强的压应力　梁的整体刚度，但很多箱梁桥的设计中一般只在支座截面处　储备，这样在底板预应力束张拉时，只要张拉预应力不超过　设置箱梁横隔板。　压应力储备，在顶、底板锚头之间就不会出现拉力区。　（３）为了减轻恒载，箱梁的顶、底板，尤其是腹板没有足　针对受力要求，为了尽可能减小断面或加大悬臂及箱内　够的厚度，从而进一步削弱了箱梁的抗剪能力，也使钢筋布　跨径，顶板还应布置横向预应力束。虽然横向预应力过大也　置困难。　会对纵向有效正应力带来一定的卸载作用，但横向预应力是　３．２边跨与中跨的比例及高跨比　克服纵向裂缝最有效的办法。合理设置横向预应力钢束是　（１）跨径比：对于等截面连续梁，边中跨比大多在Ｏ．５—　防止纵向裂缝出现与发展的有效途径。　１．０间变化；对于变截面连续梁，大多在０．４３１—０．８１７间变　收稿日期：２０１１—０７—１１　・２７９・　总第２１２期　化。　黑龙江交通科技　第１Ｏ期　（２）高跨比：等截面连续梁在１／１３．３—１／２８．３之间变　化，变截面连续梁跨中在１／３４．６～１／５０．０之间变化，支点在　１／１５．８—１／２０之间变化。因此对于变截面连续梁边中跨比　通常在０．５—０．８之间取用，大跨度预应力混凝土连续粱可　取０．６左右。　高跨比跨中在１／３０—１／５０，支点在１／１５—１／２０范围内　考虑。　３．３　箱梁断面各组成部分的最小构造尺寸　薄时，腹板中会产生水平裂缝。　（５）采用沥青混凝土做为桥面铺装有利于减小局部温　度应力，应尽量采用这种形式。　５普通钢筋的配置　（１）在连续梁的全长范围内，预应力钢筋不应急剧增加　或减少。在荷载作用下梁的正负弯矩交替区，预应力钢筋宜　（１）横隔板的设置　箱梁横隔板的基本作用是增加截面的横向刚度，限制畸　变应力。在支承处横隔板还担负着承受和分布较大支承反　分散布置在梁的上下翼缘附近。若不得己需将预应力钢筋　集中配置在截面重心附近，则在上下翼缘处按计算要求采用　非预应力钢筋补强。　（２）箱形截面的预应力混凝土梁，底板内无预应力主筋　区段，在顺桥向可设含筋率不小于０．２５％～０．３％的构造钢　筋；在横桥向可设不小于０．２５％～０．３％含筋率的横向钢　筋。　力的作用。箱形截面由于具有很大的抗扭刚度，所以横隔板　的布置可以比一般肋式梁桥少一些。从受力角度来分析，中　间横隔板对纵向应力和横向弯矩的分布影响很小，而恒载应　力又不受横隔板的影响，因此单从结构上来考虑，中间横隔　板的作用可以用局部加强腹板或采取特殊的横向框架的办　法来代替。但从增强箱梁的整体刚度考虑，跨中及支点处必　须设置横隔板，并适当缩小横隔板的间距。　（２）腹板　（３）沿腹板高的两侧应设置直径为６—１０姗的纵向钢筋　以防产生裂缝。在整体浇筑时，其面积应不少于（０．０００　５—０．　００１）ｂｈ（ｂ为梁腹宽；＾为梁全高）。当粱跨较大，梁腹较薄时，用　较大者。　（４）箱形截面梁的顶板即为行车道板，除配置主要受力　钢筋外，应在主钢筋的垂直方向布置分布钢筋。对于两侧悬　臂较长的顶板结构，考虑非线性变形影响，有可能在顶板悬　腹板的最小厚度首先要满足构造需要，最终取决于受力　要求，其影响因素主要有桥梁跨度、梁高、腹板间的净距、梗　腋设置情况等。可在规定力筋的净距和保护层最小厚度或　腹板间净距的关系的前提下，具体确定腹板厚度。　（３）顶板与底板　臂部分出现正弯矩。为了确保这部分板的抗裂性，需要配置　悬臂板的底部钢筋。　（５）由于日照温差的影响，使梁的上缘温度高于下缘，　梁的下缘至腹板上部会产生相当大的拉应力，有可能导致开　裂，因此在梁的下缘和腹板的上部需布置温度补强钢筋。　（６）为使箱梁对抗扭具有足够的强度，箱梁内作为主拉　钢筋的箍筋，有必要充分地布置，以作为抗剪和抗扭的需要。　除了箱梁内要布置上述普通钢筋外，在横隔梁、锚块与槽口　等局部要布置钢筋，在锚头和支座承压部位要布置防裂钢　筋，还要布置预应力曲束转向受力防崩钢筋。　６结语　对于顶板首先要满足桥面板的受力要求，其次要满足力　筋的构造要求。因此只能给出一个构造要求下的最小尺寸。　对于底板需满足正弯矩下的力筋通过的构造要求。　４温度梯度模式　－（１）温度梯度规律和温度强度的大小要受施工现场气　候状况和施工过程的影响；要结合当地历史调查和现场实测　值确定温度计算荷载。　（２）通常假定温度梯度模式沿桥梁全长规律不变，而实　际情况并非如此。　（３）变高度梁与等高度梁相比，温度梯度要增加５０％。　（４）在横截面中，顶板、底板、腹板的厚度差别不能太　大。当腹板厚底板薄时，薄的底板容易开裂；当底板厚腹板　（上接第２７８页）　从图中结果可以看出，在顶推速度达到２　ｍ／ｓ的情况下，主　梁挠度的动态效应也不是非常明显，这是由于本文程序只考　为了有效防止预应力混凝土连续箱梁桥的开裂，在设计　上要注意预应力束的布置、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、非预应力钢筋的设置；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。　虑主梁自身重力的重力，而实际顶推过程中还有其他因素的　影响，比如存在风荷载。　５算例３　此算例用于验证上述推导是否正确。此算例以长１６　ｉｎ，高　Ｏ．８　ｌ／ｉ的预应力混凝士简支梁为例，其中混凝土采用ｃ帕混凝　土，弹性模量　＝３．２５×１０４ＭＰａ，密度Ｐ＝２６　ｋＮ／ｍ３。梁内布置　Ｊ『＼ｒｌ和Ｎ２两束预应力筋，预应力筋采用标准强度Ｒ＝１　８６０　ＭＰａ　高强低松弛钢绞线，预应力筋规格采用８～７‘ｐ５，采用两端张拉，　张拉控制应力采用Ｏ．７５厶，预应力筋的弹性模量为　＝１．９５　×１０５　ＭＰａ张拉顺序为先张拉』ｖｌ，再张拉Ｎ２。　从两种方法的有限元模型可以看出，使用降温法建模需　要将预应力筋也模拟出来，划分混凝土单元需沿着预应力线　划分，建模比较复杂，而使用本文提出的方法，不需要考虑预　应力的位置，建模十分方便。另外，从结果比较来看，使用两　种方法计算得到的主梁上下缘的纵向应力基本相等，证明此　方法用于预应力混凝土的详细分析时可行的，而从应力云图　，・上可以看出使用降温法计算时预应力两端的应力较大，这是　因为使用降温法模拟预应力筋无法考虑预应力筋与混凝土　的相对滑移，从而导致沿预应力筋部分的混凝土应力偏大。　可以说，本文方法综合了等效荷载法和实体力筋法的优点。　使用本文的方法在此前基础上继续施加预应力筋Ｎ　。　６算例４　此算例是对某斜拉桥斜拉塔的主塔下部横梁的预应力　设计复核，采用了本文提出的方法计算了横梁在预应力筋作　用下的受力情况。该桥为独塔双索面无背索斜塔斜拉桥，为　三跨连续梁体系，塔梁固结，塔墩分离。　取横梁所在局部梁段进行分析，其中取梁段宽度７　ｍ并　分别向两侧延伸８．８　ｍ，向上延伸３．８／／ｌ＇，选用ＡＮＳＹＳ的８　节点实体单元建立三维模型，总共１８　３２８个单元，其中横梁　部分占７　２８０个单元。　主跨和南北侧两外伸孔为三跨连续变截面箱型结构，除　塔梁固结处外梁高度为２．３　ｒ／ｌ（不含铺装）。桥梁全宽３７　ｍ，　具体布置为３　ｍ人行道＋５　ｍ非机动车道＋３　ｍ机非隔离带　＋１５　ｍ机动车道＋５　ｍ非机动车道＋３　ｍ人行道。桥面横　坡由箱梁腹板不等高形成，箱梁底板平置。　２８０・