大跨連續剛構橋預應力損失對后期下撓影響分析

孫劍川

(中鐵十六局四川工程指揮部，四川 成都 610032)

隨著我國基礎設施建設的飛速發展，大跨徑連續剛構橋以其受力性能好、伸縮縫少，行車舒適等一系列優點，得到了廣泛的應用。目前，國內大跨徑預應力混凝土梁橋存在的主要病害是主跨跨中下撓過大、箱梁梁體產生裂縫。跨中下撓會進一步加劇箱梁底板開裂，而箱梁梁體裂縫增多使結構剛度降低，進一步加劇了跨中下撓，這兩者互相影響形成了惡性循環，表1是幾座國內主梁跨中下撓病害的橋梁實例。主梁跨中下撓特點表現為:撓度長期增長，增長率隨時間可能呈加速、降低或者保持勻速變化的趨勢;結構的長期撓度遠大于設計計算的預計值。

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引起連續剛構橋下撓過大往往是沒有充分估算預應力損失，主梁的抗裂度和剛度降低，從而導致撓度過大。規范中關于鋼筋預應力損失中雖然給出了六項預應力損失，但由于縱向預應力損失受材料性能、施工工藝、環境條件等多方面的影響以及部分損失之間的相互影響，要準確計算出其值是非常困難的。

本文從預應力損失的角度，分析縱向和豎向預應力對大跨連續剛構橋跨中下撓的影響，并提出相應的控制措施。

1 預應力混凝土梁橋跨中下撓過大的原因

1.1 混凝土徐變、收縮

混凝土的徐變收縮問題是一個十分復雜的非線性問題。徐變因素的隨機性很大，根據目前的試驗與理論研究水平，變異系數至少15% ～20%［1］。大跨徑混凝土連續剛構橋一般采用高強混凝土。現有關混凝土徐變收縮理論均是針對普通混凝土具有很強的適應性。但是對高強混凝土的徐變收縮還認識不清，導致設計預測撓度值與實際下撓情況不符。連續剛構橋主梁跨中下撓對混凝土徐變收縮特別敏感。

1.2 裂縫病害與下撓病害相互耦合

湖北黃石長江大橋等已建連續剛構橋裂縫病害現象嚴重，裂縫的增長使橋梁的結構剛度降低，導致主梁的下撓，而下撓也加劇了裂縫的增長，兩者強烈耦合。同時，裂縫的增長增加了徐變作用的不確定性，使下撓病害更是模糊不清。

1.3 預應力損失

對混凝土徐變收縮的認識不清將直接導致預應力作用分析的可靠性降低。而且，現有大量資料的分析表明，縱向預應力束的實測μ、k值均比規范的值要大［7］。預應力損失將減小結構剛度，因此，預應力參數值的誤差對加劇主梁下撓病害有明顯的影響。

1.4 橋梁自重超過設計值及超載

在很多已建連續剛構橋施工中，實際澆筑的混凝土量遠大于設計值，直接增加了橋梁的荷載，對主梁的跨中下撓有直接的影響。車輛的超載因素對過度下撓也有不可忽視的影響，超載車塞車更是設計中沒有考慮到的一種活載狀態，使運營狀態中的實際應力超出設計控制值［3］。

1.5 設計考慮不足

現有連續剛構橋設計計算軟件不能很好地反映其受力特性。諸多連續剛構橋梁底線采用二次拋物線，其箱梁空間效應明顯。有關對跨中底板縱向裂縫和底板混凝土外崩問題的分析，重要原因是對箱梁底板預應力鋼束不利空間效應分析不足［9］。此外，板件局部變形、剪滯作用和各種溫差的空間分布問題等，僅依靠平面桿系計算軟件和空間梁格理論進行分析還不夠，必要時應采用國際通用的有限元計算軟件進行分析，以彌補規范不足。

1.6 施工原因

有關對高強混凝土徐變特性的試驗研究表明，早齡期高強混凝土的徐變發展非常迅速，其速度隨加載時齡期的推遲而急速減慢［8］。為了縮短工期，工程廣泛采用早強劑，使徐變收縮特別是橋梁使用后期階段的徐變收縮增大，這對結構非常不利，應保證結構安全的基礎上克服強度與徐變收縮的這對矛盾。此外，豎向預應力的施工質量問題，預應力管道定位不準，灌漿不足甚至未灌漿等問題，將導致不良后果。

2 預應力損失影響分析

由于受到多種因素的影響，預應力筋的預加應力并不是常量，而是隨時間增長而逐漸減小，預應力筋這種預加應力減少的現象稱為預應力損失。引起預應力損失的原因有很多，預應力損失與施工工藝、材料性能及環境影響都有關系，影響因素復雜，一般應根據實驗數據確定，如無可靠試驗資料，則可按照相應的規范進行估算。

2.1 有限元模型的建立

本文以混凝土三跨(46 m+80 m+46 m)A類預應力混凝土連續剛構橋為背景，采用Midas/Civil軟件建立梁單元分析模型，連續剛構橋主梁和橋墩都采用C55混凝土;預應力鋼絞線類型采用公稱直徑15.24 mm;普通鋼筋采用HRB335。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

2.2 縱向預應力損失分析

縱向預應力的摩阻損失和豎向預應力損失均按規范(JTJ 023－85)或設計文件計算的，但實際施工現場，縱向預應力束，尤其是長束錨下張拉力和相應張拉伸長量差值超過規范要求的±6%，有的甚至達到15%以上，可以認為是由于預應力束的材料、管道材料，施工中對管道定位不準等原因造成的。

為了研究縱向預應力損失對連續剛構橋撓度的影響，在正常使用階段，可以不考慮溫度的影響，只考慮在自重、預應力、收縮徐變、二期恒載及0.7倍的活載的短期效應組合下，下列5種情況做比較分析:(1)預應力無損失;(2)預應力損失10%;(3)預應力損失20%;(4)預應力損失30%;(5)預應力損失50%。撓度和撓度增加值分析結果如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，隨著預應力損失的增加，各關鍵點的撓度也隨之增加。在無預應力損失情況下，邊跨最大撓度為－8.0 mm，中跨最大撓度為－24.7 mm;預應力損失10%時，中跨最大撓度為－28.2 mm，增加了14.2%;預應力損失20%時，中跨最大位移－31.6 mm，增加了27.9%;預應力損失30%時，最大位移為－35.2 mm，增加了42.5%;預應力損失50%時，中跨最大位移－42.4 mm，增加了71.6%。最后一種工況時，應力已經超限，橋梁邊跨和中跨的位移也很大。

從圖3可以看出，主梁撓度增加的百分比和預應力損失的百分比大概成正比關系。因此，隨著預應力損失的增加，主梁的撓度值也隨之增加，最終會導致連續剛構橋的撓度過大，出現裂縫等，不滿足使用和安全性的要求。

圖2 主梁撓度值(縱向預應力損失)

圖3 主梁撓度增加值(縱向預應力損失)

2.3 頂板束與底板束預應力損失影響比較分析

預應力鋼束分為頂板束和底板束，頂板束和底板束預應力損失對撓度的影響不一定一樣。下面分兩種情況作分析比較:

(1)頂板束預應力損失50%，底板束預應力不變;

(2)底板束預應力損失50%，頂板束預應力不變。

在上面兩種情況下，分別提取主梁的彎矩、上緣和下緣的應力及撓度值，比較預應力損失對撓度影響的大小。分析結果如圖4所示。

圖4 主梁撓度增加值(頂板朿或底板朿預應力損失)

通過圖4分析可知，主梁墩頂負彎矩區的頂板束預應力效應減小會增大主梁的撓度。在預應力同時損失50%的情況下，頂板預應力束損失對撓度的影響比底板束損失要大。對于中跨的最大撓度，頂板束損失造成的撓度值增大量比底板束多了12.6 mm，占無預應力損失跨中最大撓度值的32.5%。所以得知，頂板束在中跨減小撓度方面發揮著更大的作用。在邊跨里，頂板束損失造成的撓度值增大量比底板束多了5.2 mm，占無預應力損失邊跨最大撓度值的65%。因此，頂板束在減小撓度方面發揮的作用更大。

2.4 豎向預應力損失分析

豎向預應力損失如果過大，會引起箱梁腹板斜向裂縫的出現和擴展，而裂縫的增多將會影響橫截面的剛度和結構的整體剛度，從而影響結構內部應力的大小和分布，梁的撓度也就會增加。由于豎向預應力損失導致結構撓度增加，故在做分析時可以減小相應部位的剛度來模擬，如折減邊跨1/4處、跨中處、3/4處、中跨1/4處、跨中處附近的單元。為了比較剛度折減大小對撓度的影響，分為下列3種情況:(1)單元剛度保持不變;(2)剛度折減25%;(3)剛度折減50%。圖5為剛度折減后主梁撓度值。

圖5 剛度折減主梁撓度值

從圖5可以看出，部分梁段剛度的減小對撓度的影響不是很大，如9號節點處，剛度不折減的撓度為－4.5 mm，剛度折減25%后撓度為－4.6 mm，剛度折減50%后撓度也僅為－4.9 mm。剛度折減影響較大的梁段集中在邊跨跨中、中跨1/4處和跨中附近，這和折減單元位置吻合。由上面的分析可以知道，豎向預應力損失是引起連續剛構橋撓度增大的原因之一，但不是主要因素。

3 結論

以上分析了預應力損失對連續剛構橋撓度的影響，包括縱向預應力損失和豎向預應力損失對撓度的影響，可以作以下的幾點總結:

(1)縱向預應力鋼筋對提升截面剛度，保證橋梁良好的受力狀態發揮著重要的作用。在現在的設計規范要求下，預應力鋼筋完全發揮作用時，預應力剛構橋處于較好的承載力狀態。但是，由于各方面的原因，造成預應力鋼筋發生損失，改變了橋梁的受力狀態，使橋梁的撓度增大。且在不考慮其他因素的綜合影響作用下，在一定范圍內，橋梁的撓度增大值隨著預應力筋的應力損失值成正比增大。

(2)懸臂施工的連續剛構橋，主梁的頂板束對結構撓度的影響比底板束大，在中跨尤為明顯，在邊跨也有反映。

(3)豎向預應力主要限制裂縫的發展，提高結構的剛度，對結構的撓度有一定影響，但不是主要因素。

大跨徑連續剛構橋主梁跨中過度下撓問題原因復雜，從根本上克服其過度下撓問題要從諸多方面考慮。現今急需規范有關設計施工方法，制定相關規范、技術指南，指導連續剛構橋建設。橋梁工程師們應該具有主動防范意識，不應該僅僅通過設置預拋高、后期加固等被動手段克服過度下撓，而應該在設計時主動對其進行把握，保證結構安全。

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