预制小箱梁分离式下部影响分析及设计探讨

预制小箱梁分离式下部影响分析及设计探讨

冉晴1,肖智仁2,冯开胜3

1 中国华西工程设计建设有限公司,四川省 成都市,610000

2中国华西工程设计建设有限公司,四川省 成都市,610000

3中国华西工程设计建设有限公司,四川省 成都市,610000

摘要

路幅较宽的改扩建城市道路施工时，为保证交通顺畅，常采用同一横断面分阶段施工方法。桥梁段在施工方案、下部形式和既有道路的综合影响下，确定下部桥墩位置和上部梁片分幅设计，则会有同车道上部结构落于分离盖梁的情况。为了保证结构安全和整体性，应加强上部的横向分析。分析结果表明，较常规荷载影响通过分离下部位移差对小箱梁端横隔板产生较大附加影响，应重视对横隔板深梁的加强设计[7、8]。

关键词

上整体下分离结构、附加影响、横隔板、拉压杆模型

1引言

装配式小箱梁，结构刚度大，耐久性好，易机械化、工厂化施工，在20~35m宽桥设计中，具有一定的经济优势,被广泛运用城市及公路桥梁。装配式小箱梁受力明确，通过横隔板、桥面板等横向连接体系保证多片单梁协同受力[6]。通常做法是一幅梁与一个盖梁或桥台整体对应。但在改建道路有保证交通不中断的要求下，分幅分阶段施工可能导致一幅梁片坐落于两个分离下部上，此时小箱梁横向连接体系不仅承担活载横向分配，还可能同时受不同盖梁横向变形差的影响。本文以某实例工程通过MIDAS civil及FEA整体模型及实体分析其受力特点，以期为设计提供一些指导。

2工程背景

本例桥梁为一联梁两跨上小箱梁下多柱墩预应力盖梁结构，在导改分阶段分步施工顺序及桥下空间影响下，B幅小箱梁落于2个分离式预应力盖梁悬臂段，如下图所示：

图2.1-1 分阶段分步施工完工后横断面

3理论分析及关键点

3.1 深梁设计原理

根据国内规范及研究[2~5]，通常l/h<=5受弯构件定义为深受弯构件，其应力分布及开裂后应力平均应变分布，不符合平截面假定。深受弯构件又可分为深梁和短梁：l/h<=2简支梁和l/h<=2.5连续梁定义为深梁，2[1]有明确的抗弯、抗剪及裂缝验算方法，而支座处拉杆模型分析偏向于适用现浇箱梁横梁分析；《混规》[2]则广泛适用于l/h<=5深受弯构件。

深受弯构件主要的破坏形态：弯曲破坏、剪切破坏以及局部承压破坏和锚固破坏[3、4]。深梁构件国内外通常采用拉压杆模型进击计算。根据系杆拱原理，采用混凝土来充当压杆，钢筋充当拉杆。受弯破坏取决于拉杆承载能力，而受剪破坏取决于斜压杆承载能力。本项目横隔板l0/h<2且梁间约束类似于连续梁和两端固定梁间，其高剪力和高弯矩区域重合，破坏通常发生在这些区域内，其系杆拱或桁架作用较普通梁更明显。

3.2分离式下部对小箱梁横隔板的附加影响分析

为了合理模拟分离盖梁对箱梁的横向影响[6]，采用梁格法小箱梁+下部结构模型进行整体分析，并假设分离桥台路基段完全不产生横向位移差，因此该侧对小箱梁无附加影响。分离下部盖梁各荷载下梁底附加位移见下表：

表3.2-1 分步施工-下部分离 梁底支座附加位移

注：基础沉降差为横向联系形成后两个分离基础整体沉降差值。同一横断面正常工况下基本不会产生横向整体沉降差值，本例为了分析各类荷载影响，计入2mm整体横向沉降差值。表中任意荷载与梁自重组合时，支座均受压。横隔板变化自图2.1-1B幅左到到右。

结果显示由于分离式盖梁影响，所有荷载效应通过下部附加变形增加了端横隔板荷载响应。本例端横隔板正弯矩最大增大至2.3倍，负弯矩最大增大只1.2倍左右，剪力最大增大至2.0倍。表3.2-2、3分别列出了各项荷载对端隔板综合效益的贡献率。

表3.2-2 分步施工-下部分离 影响荷载贡献率（弯矩）

注：贡献率=单向效益/最不利工况标准组合效益。正值表示对该方向效益不利，反之有利。当盖梁收缩徐变对该效益有利时，不考虑。

表3.2-3 分步施工-下部分离 影响荷载贡献率（剪力）

注：正值表示对该方向效益不利，反之有利。当盖梁收缩徐变对该效益有利时，不考虑。

附加位移差越大，对隔板影响越大。可见，沉降差、车载和预应力盖梁收缩徐变对本例分离位置附近三个隔板附加效益较大，而远离盖梁分隔缝，车载、盖梁收缩徐变、沉降差影响急剧减小，温度对边隔板起主要控制作用。其中预应力盖梁收缩徐变受盖梁构造、上下部相对位置等构造影响，随项目特点有较大差异且影响不可忽视，应根据不同项目特殊考虑，或设计时按较小或无收缩徐变设计盖梁设计。

3.3附加位移影响范围及破坏风险分析

由于梁格法将桥面板横向刚度等效分离化，无法准确体现小箱梁因横向附加影响纵向影响，本节采用实体模型验证上节结论，分析破坏形态。

图3.3-1 升温20度附加位移差  小箱梁MISS应力云图

图3.3-2 盖梁收缩徐变附加位移差  小箱梁MISS应力云图

图3.3-3 基础沉降差（2mm）附加位移差  小箱梁MISS应力云图

图3.3-4 恒载+活载 附加位移差  小箱梁MISS应力云图

本例小箱梁一侧因分离下部桥墩产生附加横向位移，一侧为桥台无附加横向位移，由图3.3-1~4形状改变比能理论分析受力趋势。可见：1、下部附加位移影响集中在端横隔板附近，随着效应增加，纵向影响范围增加。因此，采用整体梁格模型，附加位移影响全部由端横隔板来承担是可行。

2、各项荷载效应下，拉压杆模型-系杆拱或桁架效益明显。端隔板呈现高弯矩区与高剪力区重合，高应力区在两端头。根据深受弯构件理论，本例计算跨径l0/h=1.17<2，最大拉应力出现在底部梁端附近。下部分隔缝附近3个隔板，最大正弯矩工况时，剪跨比>2.5,有劈裂风险。边隔板剪跨比最大剪力（向上）工况时小于1，有斜压破坏风险[2、4]。

3、端横隔板影响范围内，桥面翼缘板部分参与受力，建立下部盖梁分隔缝隔板附近隔板按T型深梁计算，较为经济合理。

4、由于基础沉降差在盖梁分隔缝位置影响大（见表3.2-1），出现明显的剪切破坏形态（多呈脆性破坏），见图3.3-6、7，在横向不均匀场地、软土场地及地震高裂缝区，该项响应较大且起首要控制作用。应避免类似结构，无可避免时，可采用通长横隔板、加大横隔板尺寸、设置交叉斜筋或预设断裂缝等加固方式[7~9]。

图3.3-6 基础沉降差（2mm） 端横隔板主拉应力云图

图3.3-7 基础沉降差（2mm） 端横隔板主压应力云图

4 解决方案及细节设计建议

根据上文分析，纵向单侧下部分离附加位移影响时，主要由端横梁承担，随着荷载增加（附加位移差增加，）桥面板影响范围长。小箱梁同时受纵向两侧分离下部位移附加影响时，桥面板横向影响加深甚至全长，不在本文探讨范围内。普通小箱梁端横梁配筋一般不满足要求，可按深梁设计理念增加端横梁尺寸[2、3]，至少需要满足hw/b<4，或增加拉杆钢筋提供抗弯承载能力；同时端横隔板剪切破坏风险（斜压、劈裂破坏）较高，斜裂缝抗剪应按高富裕度设计，加密水平和竖向箍筋增加延性限制斜裂缝发展，提供来达到设计目的[4、5]，相关文献水平分布筋受弯承载能力约占10~30%控制。另外在横向不均匀场地、软土场地及地震高裂缝区，应进行横向加强，可采用通长横隔板、加大横隔板尺寸、设置交叉斜筋或预设断裂缝等加固方式[7~9]。

5．结语

本文基于某工程实例，通过整体模型和实体模型分析了单侧附加变形对小箱梁的影响程度及破坏形态，可见分离式下部变形差对小箱梁的附加影响较大且不可忽略。建议设计时计入下部变形差影响，如有条件，首先采用变形较小的下部构造减少影响。并可根据深梁理论进行横隔板尺寸及构造配筋，并考虑周围环境及项目特点进行横向加固设计。但实际设计、施工和运营中，施工控制、实际收缩徐变、超载情况、材料实际刚度和强度等情况较理论有差异，难以准确理论仿真，如有条件可在运营期间定期监测分离下部变形差及横隔板裂缝，最大程度预防和减少小箱梁因分离式下部造成的病害。

参考文献

[1] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D3362-2018[s]. 人民交通出版社

[2] 混凝土结构设计规范GB50010-2010（2015年版）[s].

[3]混凝土设计原理 [M].

[4]胡贵琼 文武松。钢筋混凝土连续深梁的实验研究[J].1998

[5]龚邵熙 王贞祥。钢筋混凝土深梁最小腹筋率的实验研究[J].郑州工程学报1985（01）

[6] 谢金成 张焕荣 等。横隔板对装配式小箱梁力学性能的影响[J]. 工程建设. 2021,53(03)

[7]孙马 刘盛智 等。装配式预应力混凝土小箱梁桥病害分析及优化设计[J]. 世界桥梁. 2022 50(02)

[8]严涛。小箱梁桥增强横向联系改进技术研究[D]. 重庆交通大学. 2018

[9]王晖。预制引导裂缝的钢筋混凝土深梁数值模拟与应用研究[D]. 山东科技大学. 2020