预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析、防治及钢箱—混凝土组合梁分析.pdf

摘 要 混凝土薄壁箱梁由于具有良好的抗弯、抗扭能力，适用多种施工方法，被广泛用于铁路、 公路城市桥梁。特别是预应力连续混凝土箱梁结构体系则具有结构刚度大，行车平顺，伸缩 缝少，适用于多种跨度。调查表明我国上个世纪80年代以来修建的混凝土箱梁桥普遍出现 开裂。现行设计方法不能完全保证结构的安全J眭。现行的混凝土箱梁桥设计方法(按公路桥 梁设计规范中的有关条款)基本考虑了弯曲，扭转，剪力滞后(有效翼缘宽度)及横向弯曲 应力(桥面板计算)，最明显的不足是采用平面分析和一般的空间梁单元分析基本无法考虑 翘曲，横向弯曲，畸变引起的二次应力。在对二次应力分布特征不清楚的情况下进行配筋设 计很有可能导致混凝土箱梁桥开裂。 预应力混凝土连续箱梁桥裂缝产生的原因是多方面，涉及设计计算、设计的构造配筋、 施工工艺、气候条件、日常养护等各个方面，用一个综合考虑各种因素的统一模型分析预应 力混凝土连续箱梁裂缝产生的成因及各种因素的影响程度是极其困难的，也是不必要和不可 能的。通过对多座预应力混凝土箱梁裂缝形式和状态的调查，其裂缝的形式和发生的位置均 具有一定的规律性(在研究报告中分为9类)，同时对各类裂缝产生的原因进行了分析。 解决多室箱梁的分析从理论上讲应综合考虑约束扭转，截面的翘曲，畸变，剪力滞，载 荷的横向分布以及上述因素引起的二次应力。基于连续介质力学的理论推导了能进行预应力 变截面箱粱的空间分析的u．L．列式，编制了计算程序可方便进行混凝土多室箱梁线性与非 线性分析。首先沿箱梁纵向将梁离散为若干个梁段单元，梁段单元各腹板与顶底、板的刚性 连接为梁段单元结点。其次为了计算箱形梁翼板、腹板的面外弯曲，剪力滞后(腹板没有) 及横截面畸变，沿各个梁段单元纵向截取单位厚度的箱梁横截面视为空腹桁架单元，再次截 取横截面空腹桁架单元的杆件为一平面梁单元，用三次插值函数描述其位移。然后用有限条 的概念，将空腹桁架单元节点位移参数用三次多项式表为箱梁梁段单元节点位移参数的函 数。这样无论是单箱多室，还是多箱多室或单室均可以以刚性结点之间的空腹桁架单元杆件 为基本单元作箱梁的空间分析。对各横隔板取为有结点转角的四结点平面单元。根据单位长 度的箱形梁截面(视为空腹桁架的)，可将一维箱形梁单元可离散形成下列几种基本原件： ①顶底板梁(箱形翼板)，②竖直腹板，③伸臂梁，④斜腹板梁，⑤横隔板梁，⑥端横梁。 各基本原件在箱梁一维梁段单元中的整体位移与在空腹桁架单元中的局部位移迭加得出其 位移，它最终被表为粱段单元各结点位移的函数。根据箱形粱截面的位移模式，在求得各基 本单元截面的质点位移一应变关系后，建立虚功方程，平衡方程，形成各自局部坐标下的刚 度矩阵后，直接转换至总体坐标下的刚度矩阵。这样有了上述各种基本元件的刚度矩阵后， 可进行各种多箱多室箱形梁的空间分析。 《桥规》对箱梁竖向预应力的弹性压缩损失没有作特别说明，纵向预应力的弹性压缩损 失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的。很明显纵向预应力的弹性压缩损失计算方法不能用 于竖向预应力弹性压缩损失计算。在确定竖向预应力筋张拉控制应力时必计算弹性压缩损 失。但目前竖向预应力弹性压缩损失的计算大多参考纵向预应力的弹性压缩计算方法。据有 关资料报导竖向预应力损失达50％，近年来修建的多向预应力混凝土箱梁桥梁大多数在腹 板产生了不同程度的裂缝，竖向预应力损失过大、腹板的竖向预应力弹性压缩损失估计不正 确是产生裂缝的重要原因之一。基于上述工程背景提出了箱梁竖向预应力弹性压缩损失计算 模型。 在出站报告中提出了一种具有钢箱梁特征、又能充分发挥混凝土特性且不会开裂、钢板 受压部分不会出现局部失稳的新型组合截面梁：钢箱一混凝土组合截面梁。该组合截面梁与 叠合梁截面及型钢一混凝土组合梁相比，它同样具有白重轻、承载力高、建筑高度小等优点； 而钢管与混凝土之间具有更好的粘结效能，而且不存在纵向开裂问题；其横向稳定性和抗扭 性能明显优于前者；处于三向受压的混凝土能更好的发挥抗压性能：截面被中间的钢板分为 上下两部分，可根据需要选择充填混凝土位置，较好适应于连续结构中。与钢管混凝土相比， 可以通过合理设计使混凝土处于受压区，没有受拉区混凝土，自重减轻：在施工上，它同样 可以利用钢箱做模板，利用混凝土泵送技术浇注混凝土，达到较快的施工进度。与钢箱梁相 比，由于在受压区充填了混凝土，能够提高其钢板的局部稳定性，同时利用钢箱的套箍效应， 使混凝土处于三向受压状态提高承载力，在下缘能充分发挥钢材抗拉强度高的特点。提出这 种新型截面粱正截面强度计算公