淺析漸變側壓工況下非閉合受力體系結構受扭變形裂縫及應對措施

鄭秋蘭

（中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司，福州 350013）

1 緒論

非閉合受力體系是區別于環向閉合受力體系的一種結構類型，其主要的特征是：存在至少一個固定節點及一個以上自由懸臂結構形成的非閉合結構， 其主要代表構件有：U 型槽、L 型擋墻、蓋板箱涵等。 在公路路基或橋涵工程中，此類非閉合受力體系結構的應用十分普遍。

由于受實際地型限制， 實際中非閉合受力體系結構并不是理想等截面型式， 一般會隨著地型地勢或線路坡度需求，產生側向高度漸變的結構樣式；且此類結構承受側向壓力的是其自由懸臂端， 故高度漸變的非閉合受力體系結構常處于側向壓力漸變的工況影響下。

工程設計中， 往往以非閉合受力體系結構的橫截面受力計算為主，對此體系縱向的空間變形考慮較少，工程實踐中就常出現體系縱向變形為主導因素的結構裂縫。

本文選取非閉合受力體系中常見的公路U 型槽作為受力分析模形（見圖1 及圖2），結合現場內力變化監測數據， 分析側壓漸變工況下的結構內力作用因素引起的受扭變形，并提出相應的應對措施。

圖1 U 型槽鳥瞰圖

圖2 U 型槽斷面示意圖

2 工程案例背景

2.1 工程概況

某市設計某公路工程起于規劃324 國道北側， 下穿規劃的324 國道、鷹廈左線、某物流貨車聯絡線、廈深鐵路、鷹廈右線。 框架橋規劃路路幅為（8+11+2+11+8）m，規劃路紅線寬為40m，道路等級為城市主干道，設計行車速度為60km/h。

穿過鷹廈右線主車道分別采用1-13.5m 框架， 道路左右幅框架長度分別為30.63m、29.63m，左右框架兩端均設鋼筋混凝土U 型槽； 左右非機動車道采用1-5.5m 框架， 左右非機動車道框架長度分別為21.23m、17.43m，其左右非機動車道框架兩端分別接鋼筋混凝土U 型槽，基坑開挖深度7～9m（見圖3）。

根據設計要求，此U 型槽主體結構每70m 設置一條變形縫。U 型槽主體結構根據現場和設計要求，進行施工組織設計和施工方案設計， 將每兩個變形縫之間主體結構劃分成2 個施工槽段并設置施工縫， 每個施工槽段長約35m，各槽段自小里程往大里程依次流水施工。同一槽段內，各構件施工順序由下至上。

圖3 U 型槽立面圖

2.2 案例選取的代表性與普適性

雖然公路工程中非閉合受力體系有眾多的代表性構件，但是從代表性和普適性兩個方面考慮，U 型槽是最具代表性的。 其主要理由為：

（1）U 型槽具備了所有非閉合受力體系擋土墻的基本結構特點和受力特征，特別是自由懸臂端受彎，以及線路向具備結構剛度。

（2）由于蓋板涵頂與側墻屬非固定連接結構，側墻水平方向有一定的自由度，類似自由懸臂端。 故U 型槽可以代表其受力特點。

（3）大部分U 型槽設置在坡度變化段，作用在結構上的側壓力漸變效果明顯。

（4）由于大部分U 型槽均有受到側壓作用，且為保證施工的安全，設計不可避免的采用支護措施，對在分析其側壓力時應考慮支護措施的影響，目前U 型槽深基坑支護一般采用圍護樁。 未采用支護的U 型槽其側壓分析，可利用在有支護的受力分析基礎上進行等效簡化。

（5）U 型槽變形縫間距設置一般較長，在漸變側壓工況作用下，受扭變形更加明顯。

綜上所述，本文所選案例中的U 型槽，既有漸變側壓工況，又有支護構造。 故既滿足了結構受力的代表性，又體現了U 型槽的普適性。

3 側壓漸變工況下的變形特征

3.1 結構側墻受扭變形裂縫的規律統計

（1）U 型槽側墻施工工藝及裂縫出現狀況

由于U 型槽主體結構側墻高約7～10m， 需分上下兩部分分別施工。 依次為底板→拆除第二道支撐→側墻下部→拆除第一道支撐→側墻上部→兩側回填。

當側墻下部模板拆除時，主體結構開始開裂。隨著相鄰槽段和上側墻的施工，裂縫開始由少到多逐漸出現,特別是相鄰槽段的混凝土支架或鋼支架拆除后的第3 天至第4 天，混凝土表面開始出現裂縫，并逐漸擴展為裂隙。在上部側墻施工完成后，會連通出現在上部側墻，且所有裂縫的上下界限有規律性。

（2）U 型槽側墻裂縫出現特點

①單條裂縫一般從頂部開始，下限呈反拋物線，長度最長上至側墻頂，下至底板頂。最長裂縫一般出現在構件中部偏高段（見圖4）；

②裂縫寬度最大0.4～0.6mm；

③豎向裂縫是常態，相互間基本平行；

圖4 U 型槽側墻裂縫位置示意立面圖

④裂縫寬度呈倒三角形，頂端大，底端??；

⑤豎向裂縫全側墻貫通；

⑥側墻的裂縫均延伸至頂部，且以最長裂縫為中心，裂縫向兩側由密至疏，由長至短分布排列。

3.2 結構變形裂縫的規律分析

根據現場實際統計情況，結合結構設計情況，結構變形裂縫的規律分析如下：

(1)裂縫間距收斂趨勢與側壓漸變趨勢反向一致性

根據裂縫分布圖可以看出。 雖然裂縫間距收斂趨勢呈相向收斂， 但是從結構上分析， 分析對像構件長度有限，經多個相似構件裂縫統計，可以發現，構件縱向越長，裂縫間距收斂中心越向高度側偏移。 故可以看作裂縫間距收斂趨勢與側壓漸變趨勢反向一致性， 即側壓漸變趨勢決定的裂縫分布趨勢， 且漸變趨勢大小與裂縫分布密度呈正相關性。

(2)裂縫間距比與U 型槽側墻剛度比的相關性

裂縫間距比即是相鄰裂縫間距之比， 裂縫間距比可以體現裂縫密度的變化。 U 型槽側墻剛度比指的是側墻高度與側墻平均寬度之比（也稱長細比）。 兩個指標對比可以發現，最大裂縫低端側，側墻剛度比越小，裂縫間距比也相應變小，呈正相關性，最大裂縫高端側則相關，呈負相關性。

4 結構受力變形因素分析及建立實驗模型

根據側壓漸變工況下的變形特征分析，U 型槽側墻變形主要體現為受扭變形， 其產生及對結構的時空作用分析如下：

（1）原設計工程受力模型與實際受力偏差因系分析

公路U 型槽在原設計時，一般以橫（正）截面為主作為受力分析模型，在模型基礎上根據不同時期拆撐、回填等工況，模擬計算橫（正）截面的彎矩、軸力、剪力等，并依據計算結果進行配筋和截面大小設計、 正常使用裂縫計算、沉降計算等。

在工程實際中U 型槽不僅在橫（正）截面上表現為變形，由于支護的變化，回填的加入等因素，實際上沿線路縱向也發生了變形， 這通過現場實際情況統計可以得出。

U 型槽在沿線路方向上，自由變形端（側墻）所受側壓力是一個線性變化狀態(見圖5)，這使得U 型槽側墻受到了扭曲作用。并且側墻的剛度不是一個均勻體，在彎扭作用下， 不可避免在施工過程中剛度薄弱處產生水平剪力，出現結構垂直裂縫。

圖5 U 型槽側墻側壓力漸變示意圖

（2）建立側壓漸變工況實驗模型及計算原理

為了驗證U 型槽結構受力變形因素理論分析的結論，根據分析結果，實驗模型按縱向受扭進行實驗，受扭構件預估變形裂縫處的拉力和剪力通過應變計讀取。 依據以上分析，先估算出側墻最長裂縫區域，選取未施工的槽段布設測點進行內力監測， 主要圍繞最長裂縫周邊展開監測。

測點安放側墻外中內三處， 推斷裂縫的發展方向及監測混凝土外墻內部的健康狀態。 采用應變計監測試驗來獲取結構內力的應變（變形）數據。 結構的應力可以用結構的彈性模量來計算。一般情況下，應變計的初始值在應變計安裝完畢且結構穩定后讀取， 當結構受力或其他條件影響時，再讀取應變計的測量值。 此時，差值=（測量值-初始值）是結構的應變條件,這個差值包括影響結構變形的所有因素。在實驗中，應盡可能采取措施消除結構應力前后測得的應變片的差異， 消除結構溫度和化學變化對結構變形的影響(設置降溫管)，消除以上差異后才能得到較準確的結構應力。

5 實驗過程及數據分析

先建立側壓漸變工況實驗模型， 并在現場進行監測點布設，側墻每個斷面布設上中下三處,每處設外中內三點。 為減小溫度應力的影響，側墻內埋置降溫管，施工混凝土過程中進行通水降溫（見圖6～9）。

圖6 應變計實物圖

圖7 現場布置圖

圖8 應變計立面布設圖

圖9 應變計平面布設圖

根據現場監測實例發現，在線路方向上，U 型槽最大剪應力出現在事先估算出的最長裂縫右側30cm 處，且以最長裂縫為中心，兩側的剪應力呈曲線下降，下降幅度與裂縫密度呈正相關。

各裂縫區域內的外中內三個應力監測點，均表現出構件受扭變形破壞的力學特點，以最長裂縫處為例（見圖10），側墻中部變形最小，內外變形大，呈明顯的扭剪特點。

圖10 最長裂縫處應變計力讀數曲線圖

6 分析結論及應對措施

(1)根據理論分析及現場實驗驗證，可以明確得知，U型槽側壓漸變工況作用下， 受扭作用對結構的破壞明顯大于原設計考慮或常規工況。 在U 型槽所代表的非閉合受力體系結構中，均存在類似情況。

(2)為避免此類變形裂縫，最直接的措施為每一定間距增加橫向剛度增強結構，如U 型槽增加暗柱或橫墻，L型擋墻增加分隔三角墻。