大跨径预应力混凝土连续刚构桥下挠成因及改进措施

黄 骏，王伟峰

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000；2.吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130000)

0 前 言

预应力混凝土连续箱梁因具有良好的受力性能、行车舒适平顺、后期易养护等特点，在大跨径预应力混凝土连续刚构桥、连续梁桥中得到了广泛的应用。由于桥梁跨径大常采用的悬臂浇筑的方式施工，对场地、施工机具及运输条件的要求较低，是跨越大江、大河及西部山区跨越深沟峡谷的大型桥梁建设中首选桥型方案。

然而受结构本身的力学特点、混凝土材料水平、施工技术条件等因素的影响，大跨径预应力混凝土连续刚构桥、连续梁桥的承载效率较低，使预应力连续梁、连续刚构桥在跨中出现了持续下挠，箱梁截面的顶板、底板、腹板以及锚固齿板等位置出现了不同形式的开裂，降低了结构的整体刚度，使结构在运营过程变形过大，降低了桥梁的安全性、耐久性和使用寿命。为保证桥梁的安全，对本类病害的加固处理每年都需要投入大量的资金，使得经济性较好的桥梁变得不经济。

受各方面因素的制约及大跨径预应力混凝土连续箱梁桥普遍存在的箱梁开裂和下挠现象，使得行业内对大跨径预应力混凝土箱梁桥的应用产生了质疑，一定程度上影响了大跨径预应力混凝土箱梁桥在公路建设中的进一步发展和应用。

因此，在结合以前项目吸取总结经验教训的基础上，对本类型的桥梁在设计及施工中存在的问题及不足进行研究，提出改进的方式，减少类似病害的产生，为同类的桥梁建设提供一些参考。

1 工程概况

该桥为某山区高速公路上的桥梁，是本项目的重点工程，主桥采用86+160+86 m预应力混凝土连续刚构，按全预应力混凝土进行设计，混凝土强度等级为C55，下部结构主墩采用双薄壁空心墩，墩高约90 m，引桥采用预应力混凝土先简支后连续T梁。

主桥采用分幅式横断面，每幅箱梁采用单箱单室横断面，箱梁顶板宽度为11.75 m，底板宽度为6.25 m，两侧翼缘板长度为2.75 m，箱梁顶板设置2%的单向横坡，由顶板倾斜形成。箱梁跨中及边跨现浇梁段梁高3.8 m，底板厚0.32 m；变高段根部梁高9.5 m，底板厚1.1 m；0号块梁高9.5 m，底板厚1.3 m；箱梁变高段梁高及底板厚度均按1.8次抛物线变化。箱梁腹板从跨中及根部梁段厚度由50、60、70 cm三个直线段组成，相互之间通过一个梁段的线性变化衔接过渡。图1为总体布置图，图2为桥梁立面图。

图1 总体布置简图(单位：m)

图2 箱梁立面简图(单位：cm)

2 下挠产生原因

1)混凝土收缩徐变对下挠的影响。混凝土的收缩徐变系数与加载龄期及湿度均有密切的关系，对混凝土收缩徐变的研究中，环境因素中的相对湿度是影响混凝土结构收缩徐变的重要因素之一。自然环境中的干湿循环过程及混凝土水分散失均会对混凝土长期徐变产生重要影响。

加载龄期是决定混凝土收缩徐变的一个重要因素，根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG T 3650—2020)中规定：混凝土的洒水保湿养护时间应不少于7 d，对重要工程或有特殊要求的混凝土，应根据环境湿度、温度、水泥品种以及掺用的外加剂和掺合料等情况，酌情延长养护时间，并应使混凝土表面始终保持湿润状态。

对于大跨径连续刚构桥常见的施工方式均为挂篮悬臂浇筑，每个施工节段的施工工期约为10 d，而在实际施工过程中，施工单位普遍利用早强剂来提高混凝土早期强度的方式来加快施工进度，加入早强剂后3～5 d即可使混凝土达到设计强度，但由于早强剂的介入，虽然在一定程度上提高了混凝土早期的强度，但由于加载临期过短，混凝土的弹性模量仍较低，预应力受混凝土收缩徐变的影响增大，使结构整体的长期处于应力不利状态。

2)结构设计缺陷对下挠的影响。在设计过程中设计人员为了减轻大跨径连续刚构桥的自重，往往都是参照规范规定范围的偏低值来拟定箱梁结构的尺寸，使结构的尺寸变得轻薄，同时设计人员在设计分析时一般采用的是梁单元进行计算，未考虑剪力效应对结构的影响，降低了主梁对持久抗剪能力的储备，使得桥梁跨中出现下挠。

3)桥梁施工缝的影响。由于大跨径连续刚构桥采用挂篮悬臂浇筑的方式来施工，各节段之间难免存在竖向施工接缝的问题，施工接缝的质量对桥梁结构的整体刚度有着很显著的影响，在桥梁设计及计算时均未考虑该因素对结构的影响。

4)预拱度的影响。大跨径连续刚构桥采用的是悬臂浇筑，施工是逐个节段按顺序依次施工，从0号块到合龙段的施工工期相差较大，为保证顺利合龙及桥梁线形，难免会导致预拱度与设计值存在一定的偏差，为了满足桥面的设计高程，施工单位对铺装进行加厚或者减薄，使实际的桥梁恒载与设计值不符，导致跨中下挠。

5)桥梁施工对下挠的影响。桥梁的施工是决定桥梁质量的重要环节，但由于施工队伍水平的参差不齐，施工单位在施工工期短的压力下，对混凝土原材料的选择、拌和及浇筑把控不严，片面地追求高强度而忽视混凝土的综合性能，同时模板的不规范安装，预应力管道定位不准确，悬臂浇筑时出现的不平衡弯矩在合龙后并未消除，都是造成主梁出现下挠的因素之一。

6)运营管理对下挠的影响。随着国民经济的不断发展，道路的实际交通量远远超过设计规定的交通量，大量超重、超载的车辆通过桥梁，使得桥梁已经严重超负荷运行，部分关键结构部位出现了难以恢复的变形，结构出现下挠，桥梁出现开裂，从而使梁体的整体刚度下降，导致跨中下挠。

3 下挠的预防措施

1)设计阶段。从结构尺寸上，增加主梁的高度及腹板厚度，根据计算优化主梁梁高的变化曲线，增加中横隔板的设置道数，适当地减小边、中跨比值，以提高边跨现浇段的抗剪能力，提高主梁的压应力储备。增加备用压应力孔道，在施工过程中发现压应力损失过大的情况及时启用备用钢束以提高主梁截面有效压应力不足，增强主梁的持久承载力水平。

根据现有资料调查，很多大跨径的预应力混凝土连续刚构桥，在施工期间预应力管道在腹板上沿管道的走向就已经产生了裂缝，尤其是钢束曲线段的位置，裂缝产生的主要原因是由于腹板内最大的竖向拉应力出现在管道曲线段的侧壁上，混凝土开裂后没有钢筋对其限制，裂缝沿腹板向外扩张，最终形成了贯穿性裂缝。为了限制本类裂缝的形成，本桥设计时沿钢束设置了直径为16 mm的环形钢筋，在距新浇筑节段交界面1.0 m的范围内及钢束管道的曲线段内，设置10 cm间距的环形钢筋，其他位置可根据定位须适当设置定位钢筋即可。图3为环形钢筋布置图。

图3 环形钢筋布置图(单位：cm)

通过有限元分析计算对墩顶横隔板预应力钢束配置进行优化，当采用改进的预应力筋布置时，横隔梁，应力分布状况得到了较好的改善。图4为有限元模型图，图5为横隔梁应力云图。

图4 有限元模型图

图5 横隔梁应力云图

2)施工阶段。严格控制混凝土的质量，从原材料开始着手，严格控制混凝土配合比，控制混凝土的坍落度。预应力施工时要保证预应力管道位置的准确性，管道压浆要保证压浆的质量及长管道浇筑的密实性。

为增加节段之间混凝土连接的可靠性，施工时要重视混凝土交界面的凿毛工作，凿毛应严格按照规范执行。

重视桥梁的施工养护，在混凝土龄期、强度以及弹性模量没有达到规范规定的要求时，不能进行下一工序的施工，在有可能的条件下尽量延长混凝土的加载临期。

3)运营阶段。应严格控制超限车辆上桥，避免桥梁长期超载负荷运营加剧桥梁跨中下挠。对桥梁进行定期养护检测，并建立桥梁检测档案，密切注视桥梁的使用状况。

4 结 语

由于大跨径连续刚构桥形成下挠问题的原因较为复杂，涉及到的因素也较多，本文从设计、施工及运管几个角度初步分析，提出一定的改进措施，以减少此类桥梁病害的产生，保证结构的整体刚度，提高桥梁结构的耐久性。

此处，还需要更多地结合实际工程案例来加强结构的局部疲劳效应、弯曲管道预应力损失的控制及施工裂缝的有效控制等方面的研究，来限制下扰对结构的影响。

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