淺析大跨徑預應力混凝土箱梁橋底板開孔的受力性能

朱靜秋

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518029）

0 前言

預應力混凝土箱梁橋具有良好的空間性能，能適應現代化施工要求，是跨越大江大河、高山峽谷等的重要選擇橋型之一。隨著此類結構進一步向寬箱、薄壁的PC結構方向發展，一直伴隨著預應力混凝土箱梁橋發展進程中的主要問題—裂縫問題也就更加凸顯出來。近幾年來，發生了大量的大跨徑PC箱梁橋在施工底板合龍鋼束的過程中出現了底板開裂甚至崩裂的嚴重事故，嚴重影響了此類結構的推廣和應用。從大量的研究成果進行分析可知，對于出現底板開裂的原因有眾多的研究，但對于底板開孔效應對底板受力性能的影響因子則非常之少。為此，本文將以某三跨(47+75+47)m變截面連續剛構橋的底板崩裂事故為背景，對底板開孔效應對此類結構的底板受力性能的影響因子進行詳細的分析和研究。

1 工程概況

某三跨(47+75+47)m變截面連續剛構橋，上部結構為變截面單箱單室直腹板箱梁截面，單箱頂寬17.0 m，底板寬8.0 m，翼緣板長4.5 m，支點處梁高4.2 m，跨中梁高2.0 m，梁底曲線按照1.5次拋物線變化，腹板變厚度50～40 cm，底板變厚度50 cm（支點）～25 cm（跨中），僅設置支點橫隔板，不設跨中橫隔板，箱梁頂面設2%單向橫坡。箱梁結構采用三向預應力體系，頂底板布置了大量的縱向、橫向和豎向預應力鋼筋，其中中跨跨中底板共配置了22束合龍鋼束。

該橋的具體結構構造見圖1～2所示，圖3為優化后的結構計算箱梁斷面圖。

2 事故概述

該橋懸澆箱梁在2005年2月22日中午完成勁性骨架鎖定，并與24日晚上完成混凝土澆筑，在3月5～6日晚在混凝土強度達到93%設計標號強度時完成中跨底板合龍鋼束的張拉，張拉完成后底板就開始出現縱向裂縫，至7日上午發現底板開裂、局部崩裂和響聲，8#～10#塊底板混凝土在兩側波紋管布置范圍內全部破損，部分區域甚至出現了主筋外鼓的情況。

3 底板開孔效應的分析

3.1 計算模型

設計依據平面桿系原理對該橋進行設計計算發現主橋箱梁在施工階段及運營階段的應力均滿足規范的要求，不應發生此類嚴重事故。本文將對該橋采用空間實體有限元的方法進行分析計算，其中跨中底板合龍鋼束區段考慮底板開孔效應。結構的具體有限元離散如圖4～5所示。

圖6為不考慮底板開孔箱梁斷面布置圖。

3.2 計算結果比較

對計算成果（見圖7～14）進行分析可以知道，考慮開孔和不考慮開孔對于箱梁結構的計算結果差別較大，同一部位（跨中合龍段底板）在同一個施工階段（如完成底板合龍鋼束張拉后且灌漿之前）主要區別如下：

（1）考慮底板開孔最大主壓應力為-15.9 MPa，不考慮開孔則為-13.39 MPa，后者僅為前者的84.1%。

（2）考慮開孔底板最大橫向拉應力點在箱梁下梗腋與底板頂面相交處波紋管上緣，最大值為5.59 MPa，不考慮開孔最大拉應力點在下梗腋中間位置，最大僅為1.98 MPa，且底板橫向應力分布均勻，后者僅為前者的35.4%。

（3）考慮開孔底板最大豎向拉應力位于箱梁底板與下梗腋相交處以下箱室底板第二根鋼束開孔處的上緣與下緣，呈45°布置，最大值為2.98 MPa，不考慮開孔最大豎向拉應力位于下梗腋與底板相交位置，最大值為0.44 MPa，后者僅為前者的14.8%。

圖1 1/2箱梁立面布置圖

圖2 箱梁斷面布置圖

圖3 實際計算箱梁斷面布置圖

圖4 1/2箱梁三維離散圖

對計算結果進行分析可以得到：

（1）考慮開孔和不考慮開孔，底板最大橫向拉應力和最大豎向拉應力偏差明顯，其中最大橫向拉應力由考慮開孔的5.59 MPa降低到不考慮開孔的1.98 MPa，后者僅為前者的35.4%；最大豎向拉應力由考慮開孔的2.98 MPa大幅降低到不考慮開孔的0.44 MPa，兩者的應力差明顯；相對最大橫向拉應力和最大豎向拉應力的大幅度變化，最大縱向壓應力差距略小，考慮開孔與不考慮開孔相差15.9%。

圖5 考慮底板開孔箱梁斷面布置圖

圖6 不考慮底板開孔箱梁斷面布置圖

圖7 跨中箱梁底板下緣橫向應力圖

圖8 跨中箱梁底板上緣橫向應力圖

（2）箱梁結構的最大豎向拉應力位于箱梁底板與下梗腋相交處以下箱室底板最內側的三束鋼束管道開孔范圍內，角度即便呈現西偏北45°,同時箱梁腹板內側的最大豎向拉應力也比不考慮開孔的箱室相同部位的最大豎向拉應力大很多；在剔除上述兩個主要部位的最大豎向應力后，考慮開孔箱梁其余各部應力狀態基本和不考慮開孔的箱梁吻合。

圖9 考慮開孔跨中箱梁橫向應力云圖

圖10 不考慮開孔跨中箱梁橫向應力云圖

圖11 開孔跨中合龍段豎向應力圖

圖12 不開孔跨中合龍段豎向應力圖

圖13 開孔跨中箱梁縱向應力圖

圖14 不開孔跨中箱梁縱向應力圖

（3）考慮開孔箱梁結構最大橫向拉應力發生在底板與下梗腋相交處臨近波紋管管道開孔上緣和臨近箱室中間的開孔波紋管下緣，從應力云圖看其基本呈45°發散。在扣除這兩個關鍵部位的最大橫向拉應力后，箱室其余部位（頂板和腹板）的最大橫向拉應力考慮開孔和不考慮開孔基本吻合。考慮開孔和不考慮開孔在箱室局部位置應力差別大而在頂板和腹板應力差別不大這一情況說明箱室結構的在張拉底板合龍鋼束的過程中的結構性能主要是由箱梁結構的局部構造確定。

4 結論

根據上述分析可知，在實際設計中，如果用不考慮開孔的計算成果來指導開孔箱梁的底板合龍鋼束張拉過程，則必然將導致結構的實際應力與理論應力完全不相符的情況，這是導致此類結構箱梁底板開裂甚至崩塌的危險事故的最基本的原因所在。故為了更加真實地反映合龍鋼束張拉過程中的底板受力性能，計算分析應考慮底板的開孔效應。

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