常见连续刚构桥病害成因分析

杨则英 席兴华 谭婷婷

(山东大学土建与水利学院,山东 济南 250061)



常见连续刚构桥病害成因分析

杨则英 席兴华 谭婷婷

(山东大学土建与水利学院,山东 济南 250061)

简述了连续刚构桥现阶段存在的问题，对连续刚构桥的典型病害的成因与影响因素进行了分析，指明了影响连续刚构桥的主要病害为跨中下挠与主梁开裂。

连续刚构桥，跨中下挠，主梁开裂

0 引言

目前大多数经过一段时间运营的连续刚构桥，都出现了许多病害，病害的形式多种多样，对桥梁危害最大的病害有两种：跨中下挠过大与箱梁主梁开裂。这两种病害之间又有着密切的关系：主梁开裂产生裂缝会降低箱梁的刚度，加剧了跨中下挠，而严重的跨中下挠会导致底板混凝土超过极限拉应力而开裂，形成了一种恶性循环。如不及时加固修补，很可能会造成主体结构的严重破坏。下面就对这两种病害进行详细的成因分析。

1 主梁下挠成因分析

1.1 混凝土徐变的影响

连续刚构桥作为典型的预应力混凝土结构，混凝土的徐变特性对桥梁的长期服役能力有很大的影响，成为制约其跨越能力的关键问题。同样，对于已建桥梁的检测、维修、加固来说，准确计算混凝土的徐变效应显得尤为重要。

徐变是混凝土这种非线性材料的一种表现形式，目前非线性徐变理论远未达到准确适用的地步，学者们常近似认为徐变变形与应力之间存在着线性关系。现有的计算方法均不能准确计算得出混凝土的徐变大小，大多数设计人员对混凝土(特别是高标号混凝土)徐变的严重性和长期性认识不足，片面地理解徐变终止于桥梁建成三年之后[2]。从国内的实际情况来看，一些大跨径的连续刚构桥，跨中下挠往往历时五年仍在继续。而20世纪90年代强调的结构轻型化，减小了箱梁腹板和底板尺寸，而混凝土的徐变理论表明，构件越轻薄，理论厚度越小，混凝土承受的应力越大，徐变系数就越大。由于对徐变估计不足，美国1978年完工的采用轻骨料混凝土的鹦鹉渡口桥在运营12年后，接近200 m的主跨跨中下挠了63.5 cm。

1.2 预应力损失的影响

对于预应力混凝土构件来说，预应力损失的程度与有效预应力度有着密切关系，而后者是影响整个结构性能的关键所在[3]。这里所指的预应力损失多种多样，既有纵向的，也有竖向和横向的损失。我国公路桥涵规范(JTG D62—2012)中就规定预应力混凝土构件在正常使用极限状态计算中，应考虑预应力钢筋与管道壁之间的摩擦、锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩、预应力钢筋与台座之间的温差等6种预应力损失。

有研究表明，徐变变形随着预应力度的增大有减小的趋势，反之亦然。因此若桥梁的预应力度变小，则有可能徐变变形增大，导致主梁下挠变形增大。

1.3 设计问题

国内在某段时间设计连续刚构桥时由下弯钢束改为了直线型钢束，后期的检测报告显示这种改动直接加速了跨中的下挠。交通部曾组织专家研究单位进行了调查研究，并对纵向顶板预应力筋只布设直线形索的方法给予了否定[4]。另外在设计时对中支点负弯矩钢束的预估不足，只按照上缘不出现拉应力控制负弯矩钢束的数量，没有考虑到预应力与徐变下挠之间的关系，有研究资料表明,负弯矩区域截面的应力梯度与徐变下挠密切相关，如图1所示。

1.4 运营阶段活载的影响

徐变挠度的计算只针对活载计算，但在桥梁开放交通时，结构的徐变还未完成，随着交通量的增长，重型车辆的反复作用，交通的堵塞，事实上活载也变成了恒载的一部分作用于桥上，也会产生徐变挠度，导致下挠增大[5]。

1.5 施工质量的影响

在施工过程中各个施工阶段的质量控制不到位、强迫合龙等导致结构处于不利成桥状态，预应力管道未按要求布设导致钢束与管道间摩擦力增大，钢束孔道压浆不饱满，浆体离析导致孔道内积水，都会直接或间接导致整体结构在成桥之后徐变及挠度不断增加。

2 主梁开裂成因分析

连续刚构桥的箱梁梁体裂缝可分为三类：横向裂缝、纵向裂缝和斜向裂缝。横向裂缝多见于梁体下挠的跨中底板，发展严重的会延伸至腹板，形成贯通U形裂缝；纵向裂缝是与车流方向平行的裂缝，一般见于箱梁的顶板与底板下缘；斜向裂缝多见于腹板主拉应力裂缝[6]，下面对此三种裂缝进行具体成因分析。

2.1 腹板主拉应力裂缝

腹板的斜裂缝是梁桥出现最多的一种裂缝，裂缝多发生在跨中两侧至支座附近，主要是由于此处的剪应力最大，并且有向受压区发展的趋势。斜裂缝的倾角在15°～45°之间，离跨中越近，倾角越小。多由箱梁下缘向上延伸。裂缝宽度一般在0.3 mm以下，主要是由于混凝土收缩预先使梁产生微观的裂缝或存在出拉应力使腹板受拉区实际参加了工作。但是在实践中检测发现的连续刚构桥的腹板主拉应力裂缝远远超过0.3 mm的裂缝宽度，且裂缝宽度仍在发展。这反映出了桥梁设计时对于箱梁斜截面抗裂能力预估不足。形成腹板斜裂缝的原因主要有以下几种：

1)国内在某段时间设计连续刚构桥时纵向顶板预应力钢绞线为直线形状，取消了下弯钢束。用竖向预应力筋来代替下弯钢束，这样虽然减小了腹板厚度，但是由于竖向预应力钢束长度相较于纵向预应力钢束少了很多，群锚张拉时很难控制不同钢绞线之间的受力差异，容易断丝。因此实际施工中一般采用直径较粗的精轧螺纹钢筋代替张拉。由于螺纹钢筋张拉的预应力损失较难控制，导致有效预应力度减少，而设计抗剪计算中竖向预应力所占的比重较大。一旦竖向预应力筋的有效预应力度不满足要求，不可避免地将造成主拉应力过大而腹板开裂。

2)在桥梁设计中忽略了横向力的影响而只计算竖向和纵向方向的主拉应力，致使计算比实际结果偏小。

3)日照温差导致箱梁顶板比箱梁内部温度高，造成箱梁顶板向外凸起，两侧腹板被迫向内凹，内腹板全截面受拉导致内腹板开裂。

2.2 顶底板纵向裂缝

顶底板纵向裂缝的成因有以下几种：

1)由于横向弯矩的主要影响因素是汽车荷载为主的活载，而在连续刚构桥的纵向弯矩构成中，自重占了绝大部分，因此超载车辆的荷载作用，对横向弯矩的影响比纵向弯矩大，如若车轴超重则易产生纵向裂缝[8]。

2)如若双薄壁墩身浇筑与0号块浇筑时间间隔过长，则墩身和0号块的横向收缩不同步，0号块后期浇筑产生的收缩徐变会受到先期浇筑完已产生部分收缩徐变的墩身的约束从而产生底板受拉裂缝。这种情况同样也会产生在悬臂施工浇筑间隔时间过长的时候。

3)由于顶板尺寸较底板薄，又需布置纵、横预应力钢筋。预应力钢筋、普通钢筋在顶板内部错综复杂，施工时稍不注意就会造成预应力定位不准确，则易在顶板下缘出现纵向裂缝。

4)为了减轻跨中的自重，箱梁底板在跨中厚度仅为25 cm～28 cm。而由于空间狭窄，预应力钢束横向布置的间距较小，波纹管道之间的间距有时仅为6 cm～7 cm，截面挖空率和削弱非常大，如若横向钢筋布置不合理，混凝土施工质量差，则底板预应力钢筋张拉时底板的混凝土会因为承受不了预应力钢筋的径向力而开裂[9]。

5)施加了过大的预应力，对于全预应力构件，有必要预留2 MPa～3 MPa 压应力储备来应对一些局部应力的影响，但是如若压应力预留的过大，既浪费了预应力钢筋，又会造成顶底板纵向开裂。

2.3 底板横向裂缝

预应力连续刚构桥绝大部分都采用全预应力设计，按规范规定不应出现横向裂缝。而病害的出现反映了桥梁的正截面承载力不足。底板横向裂缝产生的主要原因有以下几种：

1)由于各种设计、施工等原因造成的有效预应力不足。2)对剪力滞影响考虑不够，腹板区域纵向拉应力远大于平均应力[10]。3)梁体下挠过大也会促使横向裂缝的出现。

3 结语

目前制约连续刚构桥长期稳定运营的主要病害为跨中的持续下挠与主梁因受力原因造成的开裂。而正确地分析病害是加固设计的前提，本文研究了影响大跨度连续刚构桥跨中下挠和主梁开裂的主要因素与原因，为之后的桥梁检测与维修加固提供了有益参考。

[1] 马润平,卫 军,高宗余.大跨预应力混凝土梁式桥后期下挠原因分析[J].铁道工程学报,2007,24(5):51-54.

[2] 翟 影,刘 纲,杨 溥,等.混凝土徐变对重庆石板坡长江大桥长期服役性能的影响[J].工程抗震与加固改造,2005(S1):124-128.

[3] 吕 攀.预应力损失有限元分析及试验研究[D].武汉：武汉理工大学,2014.

[4] 宋 宁.高墩大跨混凝土连续刚构桥下挠与开裂成因分析及加固研究[D].西安：长安大学,2009.

[5] 薛凌翔.考虑徐变影响的混凝土公路桥梁车—桥耦合振动研究[D].北京：北京交通大学,2008.

[6] 申成岳,安 朗.体外预应力技术在大跨连续刚构桥加固中的应用[J].Kehai Gushi Bolan:keji Tansuo,2013(4)：59-61.

[7] 李 旭.预应力混凝土梁下挠机理及开裂后的计算方法研究[D].西安：长安大学,2011.

[8] 高建军,王洪云,周 燕.预应力砼桥梁纵向裂缝产生的原因及预防措施[J].黑龙江科技信息,2007(6):174-176.

[9] 戴玉明.大跨径梁桥跨中挠度控制措施研究[D].南昌：华东交通大学,2008.

[10] 许改平.连续刚构桥梁耐久性研究[J].科技与企业,2015(20):101-103.

Genetic analysis of continuous rigid-frame bridge main diseases

Yang Zeying Xi Xinghua Tan Tingting

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

Describe the present existing problems of continuous rigid-frame bridge. Analyze the typical causes and influence factors of continuous rigid-frame bridge main diseases. Pointed out the main diseases of continuous rigid-frame bridge are mid-span down deflection and box girder cracking.

continuous rigid-frame bridge， mid-span down deflection， box girder cracking

1009-6825(2017)06-0179-03

2016-12-13

杨则英(1973- ),女,副教授; 席兴华(1987- ),男，在读硕士； 谭婷婷(1992- )，女,在读硕士

U445.71

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