堵頭板對直線布筋先張法PC箱梁力學性能的影響

摘要：直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁中的預(yù)應(yīng)力筋不能對梁端混凝土提供預(yù)剪力，不能有效控制混凝土斜裂縫的發(fā)展。通過在箱梁端部布置混凝土堵頭板可以提高梁端截面的抗剪能力，但堵頭板的存在會使箱梁內(nèi)模板不便于拆除，降低施工的便利性，也造成了模板的浪費。為了研究設(shè)置箱梁堵頭板的必要性和對梁端受力的影響，建立ABAQUS空間箱梁模型，分析堵頭板設(shè)置與否、堵頭板截面形式和厚度的變化分別對梁端附近截面的剪應(yīng)力沿梁高分布情況的影響。結(jié)果表明：在直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁梁端布置堵頭板具有必要性，綜合考慮堵頭板改善梁端受力性能的效率和經(jīng)濟因素后，建議采取厚度為60 cm的開方孔堵頭板。

關(guān)鍵詞：直線布筋； 簡支箱梁； 堵頭板； 抗剪性能

中國分類號：U448.21+3A

［定稿日期］2022-04-15

［基金項目］國家自然科學基金項目（項目編號：51878564）；四川省科技計劃資助（項目編號：2021JDTD0012，2020YFH066）；四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院公司自立科研項目（項目編號：2020-YL-02）

［作者簡介］岳凡凡（1998—），女，碩士，主要從事土木工程材料方面的研究。

［通信作者］占玉林（1978—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事混凝土及鋼-混凝土組合橋梁和土木工程材料方面的研究。

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁因其具有良好的力學性能和經(jīng)濟性能，被廣泛應(yīng)用于橋梁工程當中，為我國的橋梁建設(shè)發(fā)揮了重要作用［1］。在橋梁中施加預(yù)應(yīng)力的方法有后張法和先張法2種，后張法由于施工工藝和技術(shù)存在不足，易出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨固處混凝土壓碎、堵孔、壓漿不密實，引起鋼絞線在高應(yīng)力狀態(tài)下的銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)承載力和耐久性等質(zhì)量問題，為橋梁的后期使用埋下安全隱患。建于1958年倒塌于1985年的英國YNYS-GMAS橋，正是因為不正確的壓漿工藝和潮濕空氣的侵蝕，生成裂縫和持續(xù)下?lián)希鵀榇嗽欢冉购髲埞に囋谟膽?yīng)用［2］。而先張法預(yù)應(yīng)力施工不須壓漿，工藝簡單，錨具可多次使用，從根本上克服了后張法施工存在的缺陷，提高了橋梁的抗裂性和耐久性；又有工程實踐表明，對于構(gòu)件數(shù)量較多的公路橋或鐵路橋，先張預(yù)應(yīng)力混凝土梁的總體造價低于后張預(yù)應(yīng)力梁，因而在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用［3］。

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土先張工藝一般采用直線配筋，此時預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩與荷載作用下產(chǎn)生的彎矩包絡(luò)圖形狀不吻合，跨度越大，這種現(xiàn)象越明顯，因而限制了它的應(yīng)用范圍，且直線布筋不能對梁端混凝土提供預(yù)剪力，不能有效控制混凝土斜裂縫的發(fā)展［4］。混凝土堵頭板作為端部橫隔板的一種，可以提高梁端截面的抗剪能力，關(guān)于箱梁跨內(nèi)橫隔板對梁體受力性能和抗畸變能力的影響規(guī)律已經(jīng)有大量系統(tǒng)性的研究，并相應(yīng)給出了合理的布置形式［5-7］，但針對混凝土堵頭板對直線布筋的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的梁端受力性能的影響規(guī)律還缺少定量分析與深入研究。本文以四川省某直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力小箱梁橋為工程背景，建立直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋的三維空間模型，對比分析堵頭板的布置與否及截面參數(shù)的變化對梁端截面受力情況的影響，總結(jié)得到一個較為合理的堵頭板厚度與截面形式，以期為類似工程提供借鑒與參考。

1 有限元模型建立

1.1 分析模型

計算所用的邊梁為等截面單箱單室箱梁，由頂板、底板和腹板圍封而成，跨徑L=30 m，梁高1 650 mm，頂板厚110 mm，底板厚300 mm，腹板厚200 mm，底板和腹板中按照項目圖紙配置相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋，箱梁截面示意如圖 1所示。運用通用有限元分析軟件 ABAQUS建立空間箱梁分析模型（圖 2），箱梁跨內(nèi)無橫隔板，僅在梁的兩端設(shè)置混凝土堵頭板，梁體和堵頭板的混凝土材料均采用C70，材料彈性模量E=3.7×104MPa，箱梁兩端為簡支約束。在考慮自重、二期恒載和預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，又施加了大小為20 kN/m2的偏心荷載。

1.2 堵頭板布置工況

為了探究混凝土堵頭板設(shè)置與否及其截面形式和厚度的變化對直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁梁端受力的影響及變化規(guī)律，共建立了12種不同工況的模型方案。為了找出對梁端受力情況改善效果最明顯且相對最經(jīng)濟的一種堵頭板截面形式和厚度，設(shè)計堵頭板厚度從30～110 cm，堵頭板截面形式分為全斷面式、開方孔和開圓孔截面3種形式（圖 3），其中方孔和圓孔的面積相等，分別進行非線性運算，工況設(shè)計見表 1。

2 計算分析

針對上述12種工況，在自重、預(yù)應(yīng)力、二期恒載和偏心荷載共同作用下，計算得到出直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁在梁端支點處截面和距支點1.4 m處截面的剪應(yīng)力沿梁高的分布曲線，并分別就設(shè)置堵頭板與否、不同堵頭板厚度和截面形式下的受力情況進行對比分析，結(jié)果如下。

2.1 堵頭板厚度對梁端受力的影響

從圖 4中可以看到所有工況下箱梁支點處截面的最大負剪應(yīng)力大致均出現(xiàn)在靠近腹板高度的1/2位置處，最大正剪應(yīng)力的位置大致均在箱梁截面上倒角附近，且支點處截面剪應(yīng)力沿梁高方向發(fā)生變化，這是因為邊梁左右不對稱導(dǎo)致的橫向扭轉(zhuǎn)；而距支點1.4 m處截面的最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在截面上倒角與腹板高度的1/2位置之間，沿梁高方向沒有發(fā)生變化，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可忽略。此外，還可以直觀地看到無堵頭板的箱梁在支點處截面出現(xiàn)了較大的剪應(yīng)力，而布有堵頭板的箱梁支點處截面剪應(yīng)力均有所減小，且分布曲線也更趨于均勻，橫向扭動效應(yīng)也相應(yīng)減弱，這是因為梁端處設(shè)置堵頭板后，外荷載通過堵頭板可以直接傳遞給支座，堵頭板為腹板分擔了部分支座反力，故支點處截面剪應(yīng)力有所降低［8］。而從距支點1.4 m處截面剪應(yīng)力沿梁高的分布曲線來看，堵頭板只對此處截面底板位置處的剪應(yīng)力有較明顯的改善，其他影響很小可忽略。

從表 2可以看到，堵頭板厚度越大，支點處截面的最大剪應(yīng)力越小。當堵頭板厚度為30～60 cm，支點處截面最大剪應(yīng)力減小的幅度逐漸增加，厚度從50 cm增加到60 cm，最大剪應(yīng)力減小的幅度15.12%是最大的；當堵頭板厚度為60～110 cm，支點處截面最大剪應(yīng)力減小幅度逐漸變慢；當堵頭板厚度大于100 cm之后，支點處截面的最大剪應(yīng)力又開始逐漸變大，這是由于增加堵頭板厚度同時也會增加橋梁結(jié)構(gòu)的自重，導(dǎo)致支座處剪應(yīng)力增大，當由于堵頭板厚度變大而增加的自重引起的剪應(yīng)力增量大于其為箱梁腹板分擔的剪應(yīng)力時，支點處截面最大剪應(yīng)力就會反向變大［5］。因此，綜合考慮改善受力性能的效率和經(jīng)濟因素后，建議采取厚度為60 cm的堵頭板來提高直線布筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的梁端抗剪性能。

2.2 堵頭板截面形式對梁端受力的影響

從圖 5（a）可以看到，布有全斷面式堵頭板和開方孔的堵頭板箱梁的梁端支點處截面剪應(yīng)力沿梁高的分布情況相似，最大剪應(yīng)力分別為-2.92 MPa和-2.91 MPa，均小于開圓孔堵頭板的箱梁支點處截面的最大剪應(yīng)力-3.3 MPa，分別比無堵頭板的梁端支點處最大剪應(yīng)力小23.96%、24.22%和14.06%，其中最大負剪應(yīng)力仍然均位于靠近腹板高度的1/2位置，最大正剪應(yīng)力位于箱梁截面上倒角附近。而從圖 5（b）可以看到堵頭板截面形式對距支點1.4 m處截面的剪應(yīng)力分布幾乎無影響。從圖 6不同開孔方式下堵頭板的受力云圖還可以看到，開方孔和開圓孔的堵頭板在相同荷載作用下的受力情況均在安全范圍內(nèi)，也沒有較明顯的變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象，故綜合考慮2個因素，建議相同厚度下的堵頭板可在截面上開合適大小的方孔。

3 結(jié)論

通過建立箱梁空間有限元模型，對比分析設(shè)置堵頭板與否、改變堵頭板厚度和截面形式對直線布筋的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁梁端支點處截面和距支點1.4 m處截面的剪應(yīng)力沿梁高分布情況的影響，得到幾點結(jié)論：

（1）增設(shè)堵頭板可有效降低支點處截面的最大剪應(yīng)力，減弱箱梁橫向扭動效應(yīng)，改善梁端受力性能。因此，有必要在直線布筋先張法PC箱梁梁端布置堵頭板。

（2）堵頭板厚度越大，支點處截面最大剪應(yīng)力越小。當厚度從50 cm增加到60 cm，支點處截面最大剪應(yīng)力減小的幅度最大，且當堵頭板厚度超過100 cm后，由于堵頭板自重過大對梁端受力造成負面影響，導(dǎo)致支點處截面剪應(yīng)力反向增大，故堵頭板厚度不是越厚越好，建議設(shè)置60 cm厚的堵頭板。

（3）布有全斷面式堵頭板和開方孔的堵頭板箱梁的梁端截面剪應(yīng)力沿梁高的分布情況相似，最大剪應(yīng)力均小于開圓孔堵頭板的箱梁，且開方孔和開圓孔的堵頭板在相同荷載作用下的受力情況也相似，均沒有較明顯的變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象，故綜合考慮2個因素，建議相同厚度下的堵頭板可在截面上開大小合適的方孔。

參考文獻

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［8］ 邵旭東.橋梁工程［M］.4版.北京：人民交通出版社，2016.