1 研究背景
在实际工程中，混凝土结构由于受到荷载作用、温度变化、徐变收缩等因素影响，会使得结构中主拉应力超过混凝土极限拉应力，使得结构开裂。其中荷载因素包括施工中的荷载和裂缝的成桥后的荷载，温度变化分为整体温度变化（年温差）和局部温差（日照）作用等。由于这些作用的存在方式不同，将在不同阶段产生不同类型的裂缝，需要分别考虑。 目前混凝土箱梁桥出现的裂缝形式可以分为整体受力裂缝和局部受力裂缝。整体受力裂缝主要表现为：箱梁跨中受弯时在地板受拉区产生的弯曲裂缝，腹板在受弯和受剪共同作用下主拉应力过大产生斜裂缝，支座处受负弯矩（或者预应力作用产生的负弯矩）在顶板产生的弯曲裂缝，弯曲裂缝延伸到腹板继续形成的斜裂缝等。规范上对整体裂缝的出现给出了限制条件，并提供了验算的公式，即在弯矩作用下混凝土的拉应力在一定的范围内和控制受弯受剪主拉应力。 规范中也给出了局部受力裂缝的计算公式和限制方法。局部裂缝主要表现在：翼缘在局部车辆荷载作用下在腹板交界处引起弯矩时产生的弯曲裂缝，张拉预应力时在平行于预应力方向形成的手拉裂缝等，局部混凝土受压产生的裂缝等。规范中也是给出了受拉应力的限制值和受压应力的限制值来保证裂缝不发生或者裂缝的宽度在一定的范围内。机器人焊接
但由于规范中采用的经典分析方法认为箱梁为柔性梁，往往忽视了剪切变形的影响，已经不适用于新出
现结构的发展要求，如叠合梁。同时新材料的使用如FRP也对规范的计算方法提出了挑战。同时规范针对结构六种受力方式（轴力，两个方向的剪力，两个方向的弯矩和扭矩）进行配筋时，配筋方法相互独立甚至矛盾，并且剪扭配筋理论体系尚不完善，造成当六种力共同作用相互耦合时，现行设计理论时常难以解释清楚，1混凝土箱梁出现了规范中不能给出解释的裂缝。这些裂缝的出现将逐渐扩大并形成贯穿裂缝，对建筑物的质量和运行安全造成威胁，影响桥梁结构的耐久性。
在实际混凝土箱梁桥结构中，规范中缺失的验算项而引起的裂缝有：顶板斜向裂缝、底板斜向裂缝，底板斜向裂缝和腹板斜向裂缝连通、顶板八字形裂缝等。由于规范中验算的缺失，这些裂缝的存在没有受到限制，有时裂缝宽度将很大，影响了桥梁的正常使用。出现这些“遗漏”裂缝的根本原因是现行规范诞生于仅考虑竖向剪应力的窄梁，“有效分布宽度”
1徐栋，刘超，赵瑜. 混凝土桥梁结构分析与配筋设计的精细化. 全国桥梁学术会议论文集
的概念遗漏了翼缘板中的面内剪应力。
解决这些问题的方法是增加对混凝土各板件的应力验算要求。板件的应力验算使混凝土箱梁桥开裂下挠之“开裂”的问题有更完整的审查，使得混凝土开裂得到有效的控制。当然，增加验算项对计算分析提出更精细的要求。蚊帐 圆顶
2桥梁结构的完整验算应力
正如前面提到，一个空间桥梁结构其受力表征为：轴向力N、两个方向的剪力Q x和Q y、两个方向的弯矩M x和M y以及扭矩M z共六个力。我们可以从应力角度在箱梁断面上对这“耦合”的六种受力方式进行归并和分解。最终结构的变现为板件的面内受力和面外受力。其中面内受力是指结构受到的整体荷载作用，在某个垂直于板件方向的截面内，整个板件内产生同样分布的应力；而面外受力是指结构受到的局部荷载作用，将沿板件厚度方向产生不同的应力（即板件内部可能承受的弯矩、剪力等）。通过这样的分解，把板件受到的应力进行叠加，每块板都将由三层应力：外缘、中间层和内缘应力。 这样的应力分布方式与桥梁结构设计规范不同。现行规范的配束箍筋计算体系是针对柔细梁的，与规范相关的指标应力只有三个，即截面上缘正应力、截面下缘正应力和腹板主应力。实际上，这三个指标应力仅针对一根薄腹窄梁的，并不能反映现代复杂桥梁结构的真实受力情况。而采用上面的分解方法把桥梁结构分解为为有规律受力的基本构件，基本上把所有复杂桥梁结构断面离散成板件，各自有相应的三层应力。即一个单箱单室箱梁应该有9个指标应力，如表1，其中箱梁顶板和底板的面内应力为现行规范计算体系下常被遗漏，因而造成了相应的结构计算和配筋方法的缺失。
表中的一维应力与二维应力的区别是：一维应力产生的裂缝是从截面边缘开始的，并不会贯穿板厚，剪应力照样可以传递；而二维应力产生的裂缝是全截面的，是贯穿板厚的，剪应力无法传递。
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表1 箱梁结构应该关注的9个指标应力
空间网格模型可以得到表中所有需要关注的一维应力和二维应力为代表的指标应力。应该特别指出，这些指标应力与桥梁结构材料是无关的，即适用于所有材料，包括钢结构、叠合梁结构和混凝土结构以及其它形成板式受力构件的材料。
桥梁结构整体分析的最终目标是验证受力的安全性及配筋。所有一维应力下需要校核的应力特征在二维应力情况下同样需要校核，例如钢结构或许存在主应力方向上的疲劳。而对于混凝土结构，就要针对前述表中各项指标应力进行配筋。混凝土桥梁结构开裂情况及其原因分析如图1。
图1 混凝土桥梁结构开裂情况及其原因分析
构件 受力方向
应力特征 与传统关注应力比照 纵向面外上缘
一维应力 整体截面上缘应力 横向面外上缘 一维应力
另外进行桥面板局部计算 横向面外下缘 一维应力
另外进行桥面板局部计算 箱梁顶板 中间层面内 二维应力
常被遗漏 纵向面外下缘 一维应力
整体截面下缘应力 横向面外上缘 一维应力
横向面外下缘 一维应力
主要为计算底板钢束的外崩力，简化计算方法仍不完善 箱梁底板 中间层面内 二维应力
常被遗漏 箱梁腹板 中间层面内 二维应力 腹板主应力
3 现行设计计算方法存在的问题
（1）薄壁效应分析
预应力混凝土箱形梁是典型的空间薄壁结构，具有薄壁效应。箱梁在不考虑混凝土泊松比影响时，空间效应可以进行纵、横向分离，纵向效应又可分解为薄壁效应和非薄壁效应。薄壁效应指箱梁截面的扭转和畸变；非薄壁效应主要指箱梁不满足薄壁假设的部分以及顶底板的剪力滞效应。2箱梁恒载正应力和剪应力按传统设计方法考虑已经比较完善；而活载应力中，偏载引起的扭转和畸变产生的应力相比弯曲引起的应力要小许多，所以一般对剪力采用一个经验放大系数1. 05加以估算，但该经验系数是由过去较窄的直箱梁桥得到的。现代箱梁桥截面均较宽，一般为3 或4 个行车道，偏载效应比窄箱梁要大许多，上述经验系数已明显偏小。
（2）多腹板的荷载分布
规范中针对多腹板宽箱梁桥是把腹板合并起来，采用等刚度的思想将超静定变截面结构等效为简支常截面结构，配筋采用截面法；截面配筋用的极限值即是结构计算的弹性值乘以各分项系数，并采用荷载横向分布系数的方法进行简化求解。
而根据研究发现荷载作用于各断面悬臂端时，对边、中腹板荷载分布的影响未得到如实反映；估算结
构纵向各断面的荷载横向分布，跨中断面可根据等效刚度按考虑抗扭的弹支连梁法计算；但在支点断面刚度较难精确等效，可采用实际断面刚度按杠杆法计算荷载横向分布。3
同时采用横向分布系数计算桥梁的荷载分布时有自身的局限性，它只适用于简支条件，并且当所有腹板下均有支座时成立。而对于实际的箱梁桥，往往不是简支条件，同时中间腹板下没有支座支撑，规范采用的方法的适用性值得探究。
大理石清洗剂（3）剪力滞效应
在箱梁中，肋处的剪力流向板中传递过程，有剪力滞后现象，称之为剪力滞效应。箱梁和传统的矩形截面混凝土受弯构件相比，由于混凝土薄壁箱梁截面抗弯应力沿翼缘板宽度范围的分布是不均匀的，存在剪力滞现象。在规范中采用“有效分布宽度”的方法来考虑剪力滞的影响。但“有效分布宽度”仅适用于某种特定结构状态（常采用成桥结构）、适用于窄梁（剪应力为竖直方向），而不完全适用于宽翼缘箱T梁桥、钢砼叠合梁桥。同时采用有效
2徐栋，孙远，吴佳璞. 箱梁薄壁效应及腹板开裂成因分析. 桥梁建设. 2009.04
3曹海顺，洪国治. 宽箱梁荷载横向分布的探讨. 结构工程师. 2005.04
宽度的概念忽视了板件沿纵向剪力的作用，没有考虑桥面板的最不利受力状态。
（4）箱梁扭转
箱梁在无纵向约束，截面可自由凸凹的扭转称为自由扭转，只产生剪应力，不引起纵向正应力。当箱梁端部有强大横隔板，扭转时截面自由凸凹受到约束称为约束扭转，产生约束扭转正应力与约束扭转剪应力。由于箱梁扭转复杂，规范中没有完全考虑扭转相关的因素。
4桥梁结构的实用精细化分析模型
（1）空间网格模型
空间网格模型是最为全面的实用精细化模型。空间网格模型由6自由度梁单元组成，各纵横梁为刚性连接；计算结果采用“阶梯”型的应力分布模拟连续的正应力和剪应力分布。
基本上所有复杂的桥梁结构可以离散成“板”构成，例如一个箱梁可以由“板”表达的单箱双室箱梁截面分解为顶板、底板以及多块腹板构成。这些板可以是钢的，可以是混凝土的，或其他任意材料的。于是，这些板元便可以“组合”成全混凝土截面、全钢截面、部分是钢的部分是混凝土的截面（钢－混凝土结合梁）、以及其他任意几种不同材料组成的截面。一个板元又可以由十字交叉的正交梁格组成。一片正交梁格就像是一张“网”，一个结构有多少块板构成，就可以用梁格表示成多少张“网”。这样，空间桥梁结构可以用空间网格来表达。
以一个由空间网格模型构成的箱梁结构的“内部”效应为例，纵向的效应（轴力、弯矩）由纵向梁格承受；横向的效应（框架、畸变）由横向梁格承受；箱梁截面的扭转、畸变效应实际转化成腹板梁格的剪力差；箱梁截面顶板、底板的剪力滞效应由纵向梁格的受力不同而显现。对这个计算模型而言，没有如弯、坡、斜、宽、结合梁、索结构等桥型差异，最后的计算结果均是以纵横梁格的受力来体现的。
采用空间网格模型是与应力一一对应关系，具体见表1。
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（2）折面梁格模型
梁格法的主要思路就是将上部结构用一个等效的平面梁格或空间构架来模拟。将分散在板式或箱梁每一区段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内，实际结构的纵向刚度集中于纵向梁格构件内，而横向刚度则集中于横向梁格构件内。
汉勃利（hambly)梁格须保证中性轴一致性，这个原则往往给箱梁截面的划分带来一些麻烦，加上刚度等效的要求，hambly梁格计算尤其对于变宽或变高梁的梁格计算显得为乏微绿球藻
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