改善变截面连续刚构受力计算的有效措施

改善变截面连续刚构受力计算的有效措施

魏满舟

陕西中交华诚工程设计咨询有限公司 陕西省西安市710000

摘要：随着我国桥梁最近二三十年的快速发展，变截面连续刚构桥已经成为比较成熟的桥型，但变截面连续刚构桥也相应的出现了一些问题，比如腹板预应力钢束不居中布置造成的腹板偏压、中跨底板束径向力造成的跨中底板开裂、高温合拢造成的桥墩弯矩增大、0、1号块分界点压应力超限，本文以这些问题为基准，提出了有效的解决办法，以改善结构受力，供工程界参考。

关键词：  压应力  双腹板束   钢束径向力   高温顶推  增大倒角

1、腹板束在较厚腹板截面偏心布置，造成腹板偏压的解决办法

   变截面连续刚构根据跨径与箱室大小，腹板厚度一般采用一次渐变或者采用二次渐变，腹板束一般没有平弯，仅有竖弯，但在腹板束布置时，为了能使腹板束能够在腹板内部锚固，不再单独设置齿板，腹板束一般在最薄腹板的中心位置布置，这样势必会造成在较厚腹板位置，腹板束不在截面中心，横向对腹板造成偏压，当腹板采用二次渐变时，横向偏距会更大、更加显著，当汽车荷载作用在悬臂位置时，腹板产生的弯矩与上述弯矩是一致，会造成叠加。

对于这种情况，有一部分设计院在设计时，采用弱化腹板束，认为腹板束仅为抗剪，腹板束仅布置在主墩最厚腹板范围内，且居中布置，在腹板变化段以外不设置，见下图-1所示，一般腹板变化段布置在中跨的1/4点附近，这种情况经计算，腹板抗剪也能满足规范要求。

有另外一部分设计院在设计时，采用强腹板束，认为腹板束不仅仅是抗剪，还能起到部分顶板束的作用，这种情况就会使腹板束的布置范围很长很长，通常布置到中跨的1/3～3/8点附近，更有甚者布置到距离中跨跨中2个梁段位置。为了解决腹板偏压问题，腹板束采用在较厚腹板位置对称双排布置，在较薄腹板位置在腹板中心单排布置，见下图-2、图-3所示，较厚腹板70cm，钢束对称布置双排；较薄腹板50cm，钢束居中布置单排。这种布置可以很好的解决由于腹板束不对称布置，而造成的偏压。

   图-1  腹板束在较厚腹板单排居中布置图

图-2   腹板束在较厚腹板双排对称布置图

图-3   腹板束在较薄腹板单排居中布置图

2、中跨跨中底板束径向力引起的底板开裂有效解决办法

   对于连续刚构桥，近些年出现的最为常见的问题就是中跨跨中底板开裂引起的下挠，引起跨中下挠的因素很多，比如二期荷载的作用，收缩徐变的作用，中跨底板束径向力的作用等等，使得中跨底板开裂，跨中截面刚度减小，促使进一步的下挠。解决跨中下挠的问题，现在有许多比较成熟的办法，比如采用增加体外束，增加梁高，增大预拱度设置，采用高性能混凝土。也有为减少由于底板束径向力引起的下挠采用在中跨底板增加水平隔板，跨中底板束水平锚固。也有把底板束分3段张拉，两侧两段在中跨合拢前张拉，中间段在合拢后张拉。

其实，变截面连续刚构，本身所具有的特殊性，梁高变化采用圆曲线或者抛物线，底板束在设计时一般布置在距离底板低缘跨中截面底板厚度一半的位置，钢束产生的径向力公式为，F为钢束拉力，取扣除锚圈口摩阻、管道摩阻损失后的1.2倍，R为曲率半径，取钢束所在抛物线的等效圆曲线半径。因此在设计时，对于大跨径桥梁，为了减小钢束产生的径向力，建议底板梁高变化采用二次抛物线。对于横向框架结构，由于底板钢束的作用，容易在底板顶缘倒角A点、底板下缘B点开裂，见图-4所示。由于钢束径向力的作用，及钢束管道对截面的削弱，在钢束作用位置容易出现上下层之间的分层，更有甚者底板整体剥落或者钢束局部崩出，见图-5所示。

图-4   底板束径向力布置及开裂位置图

图-5   底板束径向力布置图

对于中、小跨径连续刚构桥，为了防止以上典型的底板开裂问题，在设计时应该加强横向框架计算分析，配置足够的底板顶层、底板底层横向钢筋及底板顶底层间竖向拉筋。底板束尽可能靠近腹板设置，同时建议增大底板倒角。

3、中跨合拢前采用顶推有效解决高温合拢问题

  连续刚构最理想的合拢状态是常温下合拢，但我国因地域比较辽阔，温差较大，尤其是南方地区，常年都是高温，所以常温下合拢不大可能。在高温合拢后，在降温作用下，见下图-6所示，主梁向跨中位置收缩，刚构桥桥墩在墩顶位置桥墩在主跨内侧受拉，墩底位置是桥墩在主跨外侧受拉。在升温作用下，见下图-7所示，主梁向边跨伸长，刚构桥桥墩在墩顶位置桥墩在主跨外侧受拉，墩底位置是桥墩在主跨内侧受拉。在恒载作用下，见下图-8所示，桥墩是在墩顶位置桥墩在主跨外侧受拉，墩底位置是桥墩在主跨内侧受拉。在钢束作用下，相当于给主梁施加了轴心压力，桥墩受力与降温类似。收缩徐变引起的桥墩受力，同样也与降温类似。桥墩在钢束+收缩+徐变对桥墩的作用效应大于恒载的作用效应，故在恒载+钢束+收缩+徐变作用下，即常态下，桥墩是在墩顶位置主跨内侧受拉，墩底位置是桥墩在主跨外侧受拉。受力状态与降温作用相一致，所以要尽可能避免在高温下合拢，使得高温合拢后的降温作用与常态下的作用效应相叠加，导致桥墩受力更为不利。

图-6  降温作用、钢束作用下桥墩弯矩图

图-7  升温作用下桥墩弯矩图

图-8  恒载作用下桥墩弯矩图

高温合拢下，使桥墩受力更为不利，但高温合拢不可避免，为了使桥墩的受力更为合理，在中跨合拢前采用在主梁上顶推，促使桥墩的受力与降温下的受力相反，即桥墩在墩顶位置主跨外侧受拉，墩底位置是桥墩在主跨内侧受拉。顶推作用相当于抵消了由于高温合拢后降温产生的弯矩，为了使桥墩尽可能轴压，顶推时还需考虑恒载+钢束+收缩+徐变产生的弯矩作用。顶推力需要计算，采用位移相等的原则，即成桥后在恒载+钢束+收缩+徐变+降温温差（实际合拢温度与设计合拢温度的差值）作用下桥墩的位移与顶推位移相等。

4、在进行正截面压应力验算时，0、1号块分界点压应力超限的解决办法

在进行正截面压应力验算时，当中跨跨中上缘出现压应力超限时，可以采用增大顶板束来解决。在连续刚构计算时，往往在主墩桥墩两侧截面上缘出现压应力超限的现象，此区域为负弯矩区域，往往是由于顶板束钢束型号过大造成的。此区域在满足墩顶正截面抗裂的前提下（按照全应力计算时，不容许出现拉应力），可以通过减小钢束型号，来满足正截面压应力要求。如果继续减小钢束型号，出现墩顶正截面抗裂不能满足，但压应力仍超限，则说明中支点梁高不够，应该增大中支点梁高。

如果对于在0、1号块分界点（下图中1’截面）出现压应力超限，但墩顶正截面抗裂能够满足，却又不想增大梁高时，可以采用增大顶底腹板倒角，顶底腹板倒角在0号、1号2个块段过渡，相应会增大1’号截面的承压面积及惯性矩，达到减小由钢束偏压引起的压应力，具体过渡见图-9所示。

图-9  顶底腹板倒角变化图

采用midas建模分析可知，采用上图左侧截面过渡时，在1’截面上缘的压应力为17.9MPa(采用C55混凝土，压应力容许值为17.75Mpa)。当采用上图右侧截面过渡时，在1’截面上缘的压应力为16.0MPa。压应力减小较为明显。

本文通过对变截面连续刚构在设计过程中遇到一些问题，总结了一些较好的解决办法，使结构受力更为合理，用以增加结构的安全及耐久性，供工程界参考。

参考文献

  JJTG 3362-2018，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

  JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范

  鹏元诚，连续刚构箱梁底板崩裂原因分析与对策  桥梁建设  2008

  周军生，变截面连续梁式桥设计中应当注意的几个问题  公路交通科技 2001