预应力连续箱梁由于外形美观、施工方便而得到广泛应用。但在营运阶段, 有部分预应力连续箱梁腹板出现斜裂缝, 齿板后底板出现横向裂缝, 中跨跨中底板出现纵向裂缝。从设计角度来讲, 主要原因是设计者忽视了抗剪验算, 以及不重视齿板后局部应力的影响及径向力的作用。

01

抗剪问题

部分设计者在作抗剪设计时可能走入以下3 个误区。

(1) 能很好地控制预应力连续箱梁纵向正应力及主拉应力, 但是忽视此类桥梁的抗剪极限强度验算及抗剪截面尺寸验算, 用主拉应力的验算代替抗剪验算。根据我国规范, 通常箱梁腹板尺寸不是由主拉应力控制, 而是由抗剪极限承载能力控制。正常使用极限状态在主拉应力满足规范要求的情况下, 抗剪截面尺寸或斜截面抗剪强度不一定能满足规范要求, 这种情况在跨径为20～ 60 m 的等截面连续箱梁中特别突出, 这样容易导致腹板过薄或抗剪筋不够而出现斜裂缝。

(2) 从设计、施工简便出发, 连续箱梁采用腹板等厚设计, 在支点附近腹板不加厚而是通过增加腹筋的办法来满足主拉应力和斜截面抗剪强度的要求,而忽视抗剪截面尺寸验算。但这一点很重要, 因为规定的目的是因为我们可以从抗剪公式中尽量配置腹筋来提高梁的抗剪能力, 但实际上, 抗剪钢筋的配筋率达到一定程度后, 再增加钢筋, 梁的抗剪能力不会再继续增加, 破坏时箍筋的应力也达不到屈服强度。梁破坏, 一般是因截面尺寸较小或混凝土强度较低, 在外剪力作用下, 斜裂缝很宽, 或是由于外压应力的影响, 使斜裂缝一侧局部受斜面压力, 产生类似短柱的破坏, 即斜压破坏。故若不能满足这个条件, 应加大截面尺寸或提高混凝土标号, 而不能用增加钢筋来提高梁的抗剪能力。各国规范对这一条均有规定。

工程实例: 如某一跨径为50 m 的等截面连续箱梁, 梁高3 m , 腹板等厚40 cm , 主梁用C50 混凝土, 箍筋间距为15 cm, 钢筋直径5 14。离中支点116m 处, 在各工况组合下, 剪力最大值为Q j =12 420 kN。

主拉应力验算: 最不利工况下主拉应力为215 M Pa,满足规范要求。

截面尺寸验算:不满足规范要求。

只有腹板厚增加到60 cm:抗剪截面尺寸才能满足规范要求。

抗剪强度验算:不满足规范要求。

事实上在营运阶段, 该桥腹板出现斜裂缝, 且缝宽较大。

(3) 部分设计者把预应力连续箱梁的抗弯横向分布增大系数与抗剪横向分布增大系数等同, 导致与实际情况不符而使腹板出现斜裂缝。实际上, 在下部采用独柱墩, 特别是宽跨比较大的结构, 由偏载引起的扭转、畸变剪应力占相当高的比例, 抗剪横向分布增大系数要大于抗弯横向分布增大系数, 现在有部分连续箱梁支点附近出现斜裂缝就是由于此原因造成。

(4) 由于极限状态法抗剪强度公式是半理论半经验公式, 有些参数定义也较为模糊, 各国规范的公式不尽相同, 很多学者对此也颇有研究, 并在试验研究的基础上提出了新的公式。在这里把一些结论提供给大家参考。

①极限状态法抗剪强度公式的上限值。

公路桥规规定:

美国ACI1993 建筑规范(318- 83) 考虑到在支点附近m < 1 的范围内, 属于短柱式斜压破坏,Q h 值很大, 箍筋抗剪作用不大,Q h 超过某一限值没有意义。因此用Q h 与限值对比, 对极限状态法抗剪强度公式上限值规定如下:

②斜截面剪压破坏临界位置的规定。

目前各国对斜截面剪压破坏的临界断面位置, 大多采用以实验为基础的半理论半经验公式, 如我国公路桥规规定在距支座中心h 2 处; 美国A C I1993 建筑规范定在距支点h 0 处; 美国桥规AA SHTO (1997)规定剪切临界断面在l 4 处。故肇滋教授给出了钢筋混凝土梁斜截面破坏临界位置公式。

对集中荷载临界剪跨比为:

式中: 

p 为主梁纵向受拉主筋的配筋率; 

uk 为箍筋配筋率; 

l 为跨径; 

h0 为梁的有效高度; 

R 为混凝土标号; 

R gk为钢筋的抗拉设计强度。

通常m1p在1～ 3 之间。

02

齿板锚后拉应力问题

齿板锚后拉应力是一些设计者容易忽视的问题, 一般在跨径较大的预应力连续箱梁底板处均设有齿板, 这个问题在跨径为40～ 60 m 的等截面连续梁中尤为突出, 因为逐孔现浇连续梁中, 一般中支点附近一定范围内下缘压应力储备较小或是拉应力区, 在与锚后局部拉应力的组合下, 容易引起底板开裂并向腹板开展, 如图1、图2。

若锚块背面邻近梁段接缝, 裂缝又能斜穿接缝,通常裂缝沿腹板接缝向上延伸至翼缘底下某点为止。很显然, 腹板的抗剪强度将被削弱, 进而又能导致结构的损坏。

底板上钢束锚块后面的斜裂缝反应了锚块后面的牵拉作用, 在剪力和弯矩的共用作用下, 腹板内出现了向跨中的斜裂缝, 在底板钢束作用下, 预应力扩散裂缝是与剪应力的裂缝方向相同, 所以, 在施工阶段出现的预加力扩散裂缝不仅日后闭合不了, 并且在使用期间有可能出现异常的裂缝。所以在底板设置齿板时一定要重视锚固处局部应力影响。锚固处局部应力分布见图3。

图3　锚固处局部应力分布

要避免此种裂缝的发生, 设计中应注意以下几点:

(1) 同一断面中, 锚固的预应力钢束吨位不能太大;

(2) 锚固断面底板应有一定的压应力储备, 最好避免在拉应力区中锚固预应力钢束;

(3) 锚固断面最好能跨过箱梁断面接缝处(施工缝) , 因连接处较为薄弱;

(4) 根据锚固吨位大小, 布置足够的纵向分布钢筋通过锚固断面,认为锚具后面的牵制拉力可按锚固力的一半估算, 按这一原则, 锚后抗裂可按如下规定验算。

假设: 按紧靠锚块后面的牵制拉力为015 倍的锚固力, 自锚块后面按45°角向两侧扩散, 设钢束锚固力为F。一般需验算两个断面: 锚块背面的断面及邻近锚固后面的梁段施工缝面。对锚块背面的断面承受牵制拉力的作用宽度L = b+ d , 见图4。

对邻近锚固后面的梁段, 施工缝面承受牵制拉力的作用宽度L = b+ d + 2c, 见图5。

设Ρa 为箱梁底板锚固断面处在最不利荷载组合作用时的最小压应力, 则此断面可用于抵抗拉力的混凝土压力储备有:

若N a> F 2则此断面不用增设纵向抗裂钢筋。

否则, 需在底板该宽度内增设纵向抗裂钢筋, 其面积其中[ Ρg ] 为钢筋容许应力, F 为锚固力。对于邻近锚块后面的梁段及同一梁段内有几个锚块时, 也可按此法验算抗裂。

03

径向力问题

在实际工程中发现有少部分悬浇施工或悬拼施工的预应力连续箱梁, 合拢后中跨跨中出现纵向裂缝。引起这种裂缝的原因是多方面的, 但径向力是其中的一个重要原因。

当钢束在平面上曲线布置时, 由于钢束曲率传递给混凝土的径向荷载对圆曲线为F R , 如为折角则为F Η, 如图6、图7。

此荷载引起2 个效应。

(1) 在箱梁底板上引起内力, 可按框架结构进行计算。根据计算结果与其他工况, 对箱梁底板内力进行组合, 依组合内力对箱梁底板配置足够的横向钢筋。

(2) 钢束对底板混凝土的局部作用。

在设计中, 钢束通过底板都是圆滑的曲线, 而在施工中又很难做到, 由于合拢高差的影响及其他原因, 往往在钢束转向处出现“折角”, 在“折角”处产生集中力, 这集中力可能会导致混凝土局部剥落或崩裂。因此在设计中需根据施工中可能出现的情况, 进行径向防崩箍筋的设计, 该箍筋可按下式估算:

式中: Η为折角或圆曲线转角; [ Ρg ] 为钢筋容许应力; F 为锚固力。

在设计中只要采取以下的措施, 就能有效地避免底板纵向裂缝或底板混凝土局部剥落等现象的出现:

①箱梁底板厚度不小于3D ,D 为通过底板的最大波纹管外径;

②钢束平面布置时应尽可能靠腹板布置;

③根据计算对箱梁底板配置足够的横向钢筋及防崩钢筋;

④施工中严格控制合拢高差。

在预应力连续梁设计中应注意以下几个问题：

(1) 在作抗剪验算时,不仅仅要控制主拉应力的大小, 而且要对控制断面作抗剪截面尺寸验算和抗剪承载能力极限状态验算, 才能确保结构的安全。

(2) 在作主拉应力验算抗剪时, 应充分考虑偏载引起的扭转和畸变剪应力, 并计入抗剪横向分布增大系数。

(3) 在连续箱梁底板设置齿板时, 最好使它布置在有足够压应力储备的位置, 避免设置于箱梁断面接缝处。同时需根据具体情况, 布置足够的纵向分布钢筋通过锚固断面, 以防止局部应力使底板、腹板开裂。

(4) 在变截面连续梁中布置底板钢束时,应尽可能靠近腹板布置, 并根据受力要求配置足够的箱梁底板横向钢筋及防崩钢筋。

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知识点：预应力连续箱梁设计应注意的问题