大跨徑預應力混凝土橋梁下?lián)喜『�問題的研究已經(jīng)有幾十年，但仍然缺乏公認的下?lián)铣梢�。業(yè)界的研究主要有以下幾種：一是基于結構受力狀態(tài)和參數(shù)分析研究。這種方法實際上是不考慮開裂的成橋彈性撓度計算。由于所有施工階段恒載撓度（長期成橋撓度可以看作一個施工階段）的變化可以通過施工控制和預拋解決，所以并不是所要研究的持續(xù)下?lián)喜『�。二是試算研究：主要包括不斷折減預應力損失或結構剛度、修改徐變模型等。試算方法還是主要關注撓度變化，并將試算值去擬合實測下?lián)现怠５�是，試算方法同樣沒有考慮結構開裂情況，即沒有做到“雙控”——在試算擬合撓度的同時，也需要關注結構受力及開裂情況，兩者需要相互印證，不能只顧一頭。三是腹板剪切斜裂縫開展并使剪切鋼筋屈服，從而引發(fā)腹板剪切剛度降低導致下?lián)希�作者在蘇通大橋輔航道橋科研時注意到了這個問題，開始研究混凝土結構的剪切配筋理論并延續(xù)至今。腹剪問題的研究將另文表述。

本文結合同濟大學橋梁系在大跨徑梁橋下?lián)蠁栴}的持續(xù)科研，提出另一種剪至下?lián)铣梢�，也是一個常被忽視并鮮有研究的問題：直接剪切。

反映直接剪切的應力驗算指標：

直剪應力

圖1 箱梁的完整驗算應力指標體系

圖1所示的完整驗算指標應力體系是《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG 3362-2018）》中空間精細化分析的核心理念。“指標”的意義是指獲取了某項病癥的應檢測項目，這個“病癥”就是混凝土箱梁的開裂問題。有了檢測指標，就可以“按圖索驥”應對混凝土橋梁的開裂問題。

例如對有開裂病害橋梁，“按圖索驥”首先是將發(fā)生的裂縫與上圖的應力指標體系核對，找到與發(fā)生裂縫對應的應力指標；然后在計算模型（空間網(wǎng)格模型，以及其他計算模型）中尋找各工況下的應力指標值，就能找到應力較大值對應工況也就是裂縫主要成因。

但是，這個應力指標體系是基于現(xiàn)行規(guī)范相關驗算習慣均以受拉和受壓表述的，包括主拉和主壓。而能夠產(chǎn)生主應力的前提是不發(fā)生直剪破壞。

圖2 箱梁腹板上的剪應力

圖2所示為箱梁腹板上的剪應力分布。剪應力是成對的，在腹板中與豎向剪應力成對的是沿腹板縱向的剪應力，當腹板面積能夠承擔該剪應力時，則該剪應力才會與正應力組成腹板主應力。當腹板面積不足以承擔該剪應力時，腹板會發(fā)生直剪破壞（剪切錯動），裂縫將不再是由主拉應力產(chǎn)生的斜裂縫，而是縱向水平裂縫。

對于混凝土的直接剪切，規(guī)范甚至教科書涉及甚少，其原因是通常認為混凝土截面尺寸較為充裕，一般直接剪切不會出現(xiàn)問題。在同濟大學橋梁工程專業(yè)過去采用的袁國干教授主編的《配筋混凝土結構設計原理》教材中有對于直接剪切的相關內容。

我國預應力混凝土梁式橋的箱形斷面在上世紀80年代-90年代的設計相對較為纖薄，由于運行過程中出現(xiàn)各種病害，現(xiàn)在的箱梁截面設計則相對厚實，特別是腹板與頂板交匯處的加腋部分，這對于避免直接剪切問題的發(fā)生是有益的。同時，縱向預應力的設計曾在上世紀80年代-90年代時全部采用直線束，由于腹板豎向預應力的效果不能很好保證，出現(xiàn)了較為普遍的腹板開裂問題，所以后來業(yè)界便不再采用直束，而采用腹板下彎鋼束。實際上，腹板下彎鋼束還有一個好處：當腹板與頂板之間的混凝土發(fā)生直剪破壞時，下彎穿過交界面的預應力鋼束會拽住直剪滑移面的相對滑移。

可以說，發(fā)生直剪滑移需要具備某些條件：箱梁截面較為纖薄；直剪滑移面范圍沒有腹板下彎鋼束。但從另外一個方面而言，箱梁截面纖薄重量會更輕，也更為美觀；直線布置的預應力鋼束施工便捷，工業(yè)化程度高。對于橋梁設計而言，兩者都應該可以成為工程師的選項。當然前提條件是不能出現(xiàn)問題，包括主拉應力和直接剪切。主拉應力檢算已經(jīng)包含在圖1中的應力指標體系之中，而直接剪切同樣也應該作為設計檢算內容。于是，在圖1應力檢算指標體系中需要增補各板件中面的縱向剪切應力，即τ_TpL、τ_BpL、τ_WpL，其中頂板和底板一般滿布縱橫向鋼筋網(wǎng)，而腹板中一般只有箍筋和豎向預應力鋼筋穿過直剪面，所以檢算腹板直剪應力τ_WpL更為關鍵。

箱梁橫框架分析的問題

圖3 箱梁橫向分析的框架模型

圖3為常用的箱梁截面橫向框架分析的平面桿系模型。

框架計算模型

框架分析主要為計算適用于頂板的橋面板受力，包括對稱荷載效應和非對稱荷載效應。而對于腹板和底板，由于兩側腹板采用簡支約束，無法考慮兩側腹板的豎向位移差，這個豎向位移差就是箱梁截面框架由非對稱荷載導致的畸變效應。所以,箱梁的橫向框架模型可以計算全框架的對稱荷載效應,但無法計算腹板和底板的非對稱荷載效應。

箱室內外溫差效應

現(xiàn)行規(guī)范的溫度效應包括長周期的年均溫差以及短周期的梯度溫度效應，沒有箱室內外溫差的相關規(guī)定。實際上，箱室內外溫差對于腹板受力有較大的影響：當箱室外側溫度高于箱室內部溫度時，腹板內側受拉；反之，當箱室外側溫度低于箱室內部溫度時，腹板外側受拉。在工程實踐發(fā)現(xiàn)的病害中，箱室內外溫差是腹板內外側裂縫數(shù)量差異的主要原因，也是圖1中腹板主應力指標分為內緣、外緣、中面的主要原因。箱室內外溫差將導致豎向預應力效應在腹板內外側發(fā)生卸載或加載，從而導致主應力在腹板不同位置上的差異。

成橋荷載試驗和檢測

成橋荷載試驗通過加載確定橋梁的承載能力，通過比較結構響應（撓度、應變）的差異，掌握結構工作性能的變化情況。加載一般在選定的幾個關鍵斷面的幾種關鍵工況，采用彎矩、撓度等效原則，在橋面布置加載車輛模擬實際活載，測試橋梁結構在試驗荷載（正載及偏載）下的撓度及應變，并采用校驗系數(shù)來評價橋梁結構的工作性能。

這個“工作性能”一般而言是縱向工作性能，或者也可以叫整體工作性能。成橋試驗是橋梁工程交付使用前檢驗橋梁建設是否符合設計預期的重要環(huán)節(jié)。但是，橫向設計雖然也是箱形截面橋梁結構重要的設計內容之一，荷載試驗并沒有對橫向受力進行同樣的校驗。現(xiàn)行規(guī)范明確規(guī)定橋梁的橫向分析屬于局部分析，加載采用車輛荷載，且需要考慮沖擊影響（一般按1.3考慮）。這樣，按現(xiàn)行規(guī)范的55噸車，試驗車輛應該需要70噸（尚未考慮箱室內外溫差效應）。從這個角度講，通常用于縱向加載的“加載車輛”可能并不符合橫向加載要求。

箱梁橫向受力

對腹板縱向直接剪切的影響

上面討論的箱梁橫向受力實際上對箱梁腹板直剪受力有很大的影響。圖2所示的腹板縱向剪應力等于相應位置剪力除以受剪面積，受剪面積為腹板厚度與縱向長度的乘積，而腹板厚度與橫向受力密切相關。

圖4 腹板外側受拉工況

圖5 腹板內側受拉工況

以腹板與頂板交界面為例：橫向框架由于活載（包括超載）作用、箱室內外溫差作用，腹板與頂板交界面會發(fā)生橫向開裂。當車輛荷載為正載、箱室內部升溫時，該截面外側受拉，直至克服豎向預應力的軸向壓力發(fā)生開裂，開裂將從外部削弱該截面，如圖4所示；當車輛荷載為偏載、箱室外部升溫時，該截面內側受拉，直至克服豎向預應力的軸向壓力發(fā)生開裂，開裂將從內部削弱該截面，如圖5所示。雖然腹板內外側開裂不是一個荷載工況，但是開裂造成的截面損傷永久存在，腹板受直剪截面的面積從內外側均被削弱。

計算顯示，當箱梁截面較為纖薄時，腹板厚度內外側的削弱量之和將達到原腹板厚度的50%以上。

腹板受直剪厚度的削弱意味著腹板縱向剪應力的增加,這個剪應力就是對應著前述的應力指標τWpL，當τWpL超過混凝土的直剪應力極限值（τWpL）時，腹板就會延交界面縱向發(fā)生剪切錯動。原來由混凝土截面承擔的剪力便會傳遞給穿過腹板與頂板交界面的鋼筋，包括箍筋及豎向預應力鋼筋。如果腹板布設有縱向預應力下彎束并交遇剪切錯動面，則預應力鋼束將發(fā)揮強大的阻擋作用。 

箱梁腹板發(fā)生縱向直剪錯動

與下?lián)喜『Φ年P系

直剪錯動呈現(xiàn)的裂縫形式與主拉應力超過混凝土受拉極限呈現(xiàn)的裂縫形式不同：直剪裂縫是沿橋梁縱向水平的，而主拉應力裂縫是斜裂縫。直剪裂縫發(fā)生的部位與腹板厚度橫向受力開裂后的削弱，及該斷面承受的剪力大小相關。如圖4和圖5所示，在活載效應下腹板橫向應力較大位置是頂板與腹板交界處,而在箱室內外溫差下腹板橫向應力較大位置是靠近腹板中心處。同時,對于橋梁結構的縱向受力，靠近墩頂位置剪力較大，而靠近跨中位置則剪力較小。所以，要進行綜合分析來判斷裂縫更容易出現(xiàn)的位置。

箱梁腹板發(fā)生縱向剪切錯動導致下?lián)系臋C理，可以比擬為疊合梁界面的剪切滑移引發(fā)的撓度增加，如圖6所示：完全粘結的疊合梁符合平截面假定，結構剛度大，撓度較小；若連接界面出現(xiàn)剪切滑移，則平截面假定會被放松，結構剛度削弱，截面曲率增加，撓度增大。在大跨徑預應力混凝土橋梁中，由于有豎向抗剪的存在，這個“直剪錯動”不一定是縱向剛體位移，而經(jīng)常是剪切應變。

圖6 剪切錯動下?lián)蠙C理與疊合梁比擬示意圖

斷面某處的直剪破壞(剪切滑移或錯動)意味著截面各層間的共同作用被損壞，結構受力發(fā)生變化，受力狀態(tài)脫離了設計預期。橋梁各截面剛度比的改變也將引起橋梁內力的重分布,間接增加跨中正彎矩和跨中撓度，同時混凝土徐變進一步在這樣的結構上作用，又會引起附加撓度。所以,下?lián)蠒�持續(xù)發(fā)展,且一直在引起結構內力的變化。

研究及設計建議

混凝土直剪強度

直剪強度是構件一部分沿著力的作用方向對其余部分做相對移動時的材料強度。我國歷次的公路規(guī)范中都沒有給出混凝土直剪應力的限值（即直剪強度），所以往往為設計者忽略。由于保證剪應力的傳遞是正應力分布以及主應力產(chǎn)生的前提，所以直剪應力指標，即“τWpL”，應該視作與正應力指標或主應力指標同等重要的應力指標。由于現(xiàn)行規(guī)范沒有該項驗算，也沒有直接剪切強度的確切取值，故有必要對此進行細致研究，并補充對該項指標的研究和實驗，以作為規(guī)范值提供給設計單位。

箱梁截面橫向分析

橋梁設計一般較為重視縱向，橫向的重視程度相對較弱。從前文可知，箱梁截面的橫向受力分析需要從荷載和計算模型上進一步完善。在荷載方面需要補充箱室內外溫差的荷載工況。另外，如何檢驗施工完成后箱梁結構是否滿足橫向設計要求，也需要從成橋試驗環(huán)節(jié)進一步重視和完善。

橋梁出現(xiàn)直剪錯動后的

結構受力模式與計算模型

混凝土橋梁結構一般依賴自身的尺度抵抗直剪應力，且未發(fā)生剪切滑移的腹板截面的剪切變形一般而言可以忽略不計。但如果發(fā)生了剪切錯動，橋梁只能依靠橋梁結構中原有的預應力鋼束和鋼筋，如果沒有下彎的縱向預應力鋼束，就只能依靠豎向箍筋、豎向預應力鋼筋的橫向抗剪能力來承擔剪力。同時依靠腹板抗剪鋼筋（包括箍筋和縱向鋼筋）受拉提供剪切剛度來抵抗剪切變形，以阻擋箱梁頂板與腹板之間以及腹板一定范圍內剪切滑移及剪切應變的進一步發(fā)展。橋梁出現(xiàn)直剪錯動后的結構受力模式與計算模型至關重要，需要在理論及試驗多方面做深入研究。