预应力混凝土箱梁曲线钢束防崩研究

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发布时间：2021-09-04

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预应力混凝土箱梁曲线钢束防崩研究
赵传亮，唐颖，李强
(天津市市政工程设计研究院，天津市300051)
摘要：该文针对预应力混凝土箱梁曲线钢束外崩破坏的各种病害，结合四种曲线钢束形式，研究了外崩破坏的原因及计算方
法，分析了其中的影响因素，并根据影响因子给出了防崩钢筋的计算公式。
关键词：预应力混凝土；箱梁；曲线钢柬；防崩钢筋
中图分类号：U441 文献标识码：B 文章编号：1009—7716(2014)07—0334—05
1 概述
随着国内预应力混凝土箱梁的大规模建设，
以及桥梁结构形式的不断创新，桥梁病害在不断
增加。预应力混凝土箱梁有一个十分严重的病害
形式，那就是曲线钢束的外崩破坏。往往由于设
计人员未考虑施工实际误差，使得钢束的实际外
崩力大于设计计算值，若设计富余量不足，便会
造成混凝土崩裂破坏。预应力混凝土箱梁常见有
如下四种曲线钢束形式。
1．1 变截面箱梁底板束
变截面箱梁底板立面一般采用圆曲线、二次
抛物线或三次抛物线等，施工方法多采用悬臂施
工，在跨中留有合龙段。这种施工方法决定了箱
梁底板应布置有底板束以抵抗二期恒载或活载在
跨中引起的正弯矩。而沿着底板布置的钢束会产
生较大的向下的外崩力，当各钢束横向间距较小
时容易造成底板上下层撕裂破坏；当间距较大时
单根钢束呈现出冲切破坏形态。国内已出现多座
预应力混凝土变截面连续刚构底板撕裂的情况
(见图1)。
图1 底板撕裂实景
1一弯梁腹板束
预应力混凝土曲线箱梁的腹板束是沿着箱梁
平曲线布置的。该曲线腹板束会产生一个较大的
面向弯弧内侧的径向力。由于径向力的作用，会
收稿日期：2014—03—12
作者简介：赵传亮(1983一)，男，辽宁人，硕士，助理工程师，
研究方向：桥梁抗风。
在腹板上产生一个水平力，使得腹板沿高度方向
受弯，同时也会在腹板局部产生一个外崩力。若
钢束波纹管保护层不足或防崩钢筋配置不足，容
易造成腹板局部破坏。由于目前大多预应力混凝
土箱梁腹板厚度较厚，加上箍筋和防崩钢筋的配
置较足，所以一般不会出现这种形式的破坏。但
是仍需注意预防这种破坏形式的发生，特别是预
应力混凝土曲线箱梁平曲线半径较小、腹板较薄
或钢束距离腹板内弧侧边缘较近时，须谨慎考
虑。
1．3 箱梁腹板变厚段平弯钢束
预应力混凝土箱梁的腹板在支点附近一般较
厚，跨中处较薄，两者相邻处往往设置1：12的变
化段。该处钢束设有平弯段，从而在凹角处产生
一个外崩力，呈现出冲切破坏形态。因此，当腹
板厚度变化剧烈造成波纹管内弧侧保护层过薄
时，需谨慎验算钢束保护层厚度和防崩钢筋数
量。
1．4 箱梁锚块的内弯钢束
预应力混凝土箱梁钢束锚固于箱梁内部时，
需要在箱梁腹板内侧设置锚块。钢束内弯锚固
时，在锚块与箱梁接触面起点位置钢束保护层往
往较小，而该位置正处于钢束内弯段，处理不当
时，很容易造成锚块局部崩裂破坏。
综上，预应力混凝土箱梁有四种常见的曲线
钢束形式，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥
涵设计规范》也对钢束的外崩验算及保护层厚度
有较明确的规定，但在实际应用中，所参考的资
料较多，要求却不尽相同。如《预应力混凝土梁
式桥梁设计施工技术指南》给出的计算结果是规
范规定值的l0倍【q；而有的设计院规定值是规范
要求的50倍左右。本文对钢束防崩问题进行了系
统的研究，考虑了多方面的影响，明确了相关的
计算公式，具有较大的实用性和经济性。
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2014年7月第7期城市道桥与防洪科技研究335
2 曲线钢束径向力形成机理
混凝土结构中的曲线钢束，取钢束和混凝土
隔离体，钢束对混凝土的作用力如下式所列：
q=F／R (1)
式中，q为钢束对混凝土的径向力，kN／m；F为钢
束张拉力，kN；R为钢柬弯曲半径，Ill。
图2为钢束径向力示意图。
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图2 钢束径向力示意图
式(1)是曲线钢束形成的径向力计算公式，
四种曲线钢束径向力形成机理相同，但是其破坏
形态并不相同。其中：(1)变截面箱梁底板束横向
间距较小时，底板以层状撕裂破坏为主；而间距
较大时，以单根底板束局部冲切破坏为主。另
外，钢束也对底板局部形成一个下弯的受力破坏
形态。(2)弯桥腹板钢束的径向力造成了腹板的侧
弯或局部冲切破坏。(3)腹板变厚段钢束平弯径向
力造成腹板局部冲切破坏。(4)锚块钢束内弯径向
力造成锚块局部冲切破坏。
钢束的外崩力与混凝土及防崩钢筋的抗力之
间存在一个受力平衡，当抗力小于外崩力时，平
衡将被打破，混凝土出现崩裂破坏。
3 各破坏形态的混凝土防崩作用
由四种曲线钢束破坏形式可以看出，主要包
括三类：第一类为混凝土的层状撕裂；第二类为混
凝土的局部冲切破坏；第三类为构件弯曲破坏。
3．1 层状撕裂破坏形态的混凝土抗力
结构的破坏均是沿最薄弱的截面开展的，当
底板纵向钢束横向间距过小时，沿混凝土净截面
最小方向为最薄弱截面，层状撕裂也是沿着该截
面开展的，此时混凝土的破坏如图3所示。
图3 厩板柬造成的层状撕裂示意图
层状撕裂为混凝土的受拉破坏，根据预应力
混凝土A类构件，短期效应组合混凝土主拉应力
允许值为0．5 1。则混凝土的抗力如式(2)所列：
R层=0． ×(B一4xn) (2)
式中，R层为单位长度层状撕裂的混凝土抗力，
kN／m；为混凝土抗拉强度标准值，MPa；B为层
状撕裂范围，一般可取最外侧两个波纹管中心距
加上相邻波纹管间的中心距，mm；为波纹管外
径，mm；n为波纹管个数。
若底板波纹管横向间距为30 em，混凝土采用
C50，波纹管外径为11 em，单根钢束在单位长度
范围内的混凝土抗撕裂能力为：
R层=0．5×2．65×(300—110)=251．8(kN／m)
一束15根 l5．2钢绞线的钢束(钢绞线抗拉强
度标准值为1 860 MPa)，在底板等效圆弧半径为
150 m时，其外崩力为：
q=0．75×1860×140×15／1000／150
= 19．53(kN／m)<R层=243．4 kN／m
可知，若混凝土养护得当，混凝土自身是完
全可以承担钢束的外崩力，再考虑普通钢筋的抗
裂作用，发生混凝土层状撕裂的可能性很小。因
此造成混凝土层状撕裂的主要原因有【：
(1)钢束张拉时混凝土的龄期或强度不足。
(2)管道附近混凝土振捣不密实、养护不得
当，特别是管道下方的混凝土质量过差。
(3)预埋波纹管局部定位出现偏差，产生了
小半径钢束弯曲范围。
(4)钢束轴向力较大时，使混凝土中产生了
较明显的泊松效应，在钢束外崩力的作用下出现
了混凝土的横向裂缝开展成撕裂状。
从设计角度来看，第三条是造成混凝土外崩
破坏的主要原因，需要在设计中着重考虑，即设
计中考虑施工误差对曲线钢束外崩力的影响，称
之为容错设计。
3．2 混凝土局部冲切破坏的混凝土抗力
混凝土局部崩裂破坏形态主要反映为