連續剛構橋的主要病害及其成因機理分析

謝 飛

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

1 概況

連續剛構橋梁體系是一種融合了T型剛構與連續梁兩種橋梁體系優點、摒棄兩者缺點的新的橋梁結構體系。其起于國外20世紀60年代，我國第一座預應力混凝土連續剛構橋（廣東洛溪大橋）于1988年建成，到了20世紀90年代，我國相繼修建了幾座大跨徑的連續剛構橋梁,屬于較為新穎的橋梁體系。

2 連續剛構橋主要特點

連續剛構橋綜合了T型剛構橋和連續梁橋的受力特點，為預應力混凝土梁式橋型的一種，其主要構造特點是主梁的連續梁與薄壁橋墩固結而成，它的梁部結構受彎性能也與連續梁的受彎性能基本相似，且薄壁墩底部也會承受彎矩。而且，隨著墩高的逐漸增大，薄壁橋墩對上部梁體的嵌固作用越來越弱，隨之梁體內的軸力也相應減小，另外，隨著嵌固作用的減弱順橋向抗推剛度將不斷減小，能有效減小混凝土收縮徐變、溫度等對橋梁的影響。除此之外，墩梁固結，可以大大節省大型支座昂貴的費用，橋墩及基礎的工程量也會大大減少，另外，由于豎向構件分配水平力按剛度比分配，柔性墩的使用改善了水平荷載作用下橋梁的受力性能。此外，連續剛構橋還有以下優點：①隨著輕質、高強混凝土、大噸位錨具的使用等使上部構造不斷輕型化；②通過在導梁上合攏邊跨或與引橋的懸臂相連接實現合攏來取消邊跨合攏的落地支架；③取消了彎起束和連續束，簡化了預應力束類型，主要采用豎向預應力和縱向預應力來克服主拉應力，方便了施工；④由于其受力體系的合理性和高強輕質材料的使用使跨徑大大增大。

3 在役連續剛構橋主要病害特征及其產生成因

3.1 主要病害特征

盡管連續剛構橋有以上所述的優點，但隨著預應力混凝土連續剛構橋的廣泛應用，在橋梁的施工過程和使用過程中，普遍都出現了不同程度的病害。連續剛構橋的主要病害有跨中下撓和裂縫，例如，三門峽黃河公路大橋下撓22 cm并發現多處斜裂縫、黃石大橋下撓達到22.6 cm，大、鋪大橋跨中下撓達到25.6 cm并在跨中發現橫裂縫，通過統計可以發現裂縫主要出現在箱梁的支座附近（橫向受力裂縫）、頂底板(縱向裂縫及橫向裂縫)、邊跨現澆段、跨中腹板（斜裂縫）等，這些缺陷的存在大大降低了連續剛構橋的使用性能，如不能及時維護可能造成主體結構的破壞甚至有可能導致嚴重事故的發生。

3.2 產生撓度的原因分析

連續剛構橋跨中下撓產生的主要原因可歸納為以下幾點：

3.2.1 計算模型尚不完善

箱梁的溫度分布特征對箱梁的溫度應力有較大的影響，很多橋梁由于對溫度應力的考慮不足導致橋梁的預應力損失嚴重，進而導致跨中下撓和箱梁開裂。以前在考慮溫度應力時我國許多連續剛構橋梁按T型梁設計，取溫度差5℃，但由于每個橋梁跨中梁高并不一樣，采用相同溫度差顯然不合適。我國現行規范中采用三角形分布溫差模型也與實測的統計模型相差較大，經過對某橋梁的溫度監測發現橋梁的溫度分布呈非線性分布，箱梁頂板溫度最高，箱梁腹板下部溫度最低。我國鐵道部在20世紀七八十年代對多座橋梁進行監測統計發現橋梁的溫度分布符合多次拋物線模式。而現行規范的溫度分布模型過于簡單，與實際的溫差模型相差較多，且用三角型模型設計橋梁偏于不安全。另外，由于連續橋梁的撓度與橋梁的剛度有關，跨中剛度較小相對較柔而支座處相對較剛，導致溫度升高時跨中撓度較大，并可根據撓曲線發現跨中板底受拉，經多次循環可能造成跨中的疲勞破壞。

3.2.2 對混凝土徐變的長期性和嚴重性認識不足

首先，混凝土徐變是一個非線性問題而且具有很大的隨機性，導致混凝土徐變的變異性系數較大；其次，橋梁多用高強混凝土，而目前還沒關于高強混凝土徐變收縮的理論，工程中多借用普通混凝土的徐變收縮理論，導致撓度計算的設計值與實際值相差較大。對混凝土徐變收縮的認識不足會直接導致混凝土預應力可靠性不足，而預應力損失又使橋梁的剛度降低，進而加劇了橋梁下撓病害。

3.2.3 施工質量存在的一些問題

施工單位往往希望可以縮短工期，在還沒達到混凝土加載齡期時就進行預應力加載，過早加載往往造成：①由于混凝土彈性模量的增長滯后于混凝土強度的增長，在混凝土強度到達加載強度時混凝土的彈性模量卻相對較小，以至于預應力施加的彎矩小于自重產生的彎矩，使橋梁在施工階段就產生過大的撓度；②過早加載會增加混凝土的徐變，進而導致混凝土預應力的損失，再者施工時往往對預應力的摩擦損失考慮不足，進一步增加了預應力的損失，進而使橋梁的撓度加大。

3.2.4 超載對橋梁的影響

首先，近幾年我國交通量劇增，汽車超載頻率也隨之增長，汽車超載時（尤其在超載堵車的情況）會使橋梁的實際荷載高于荷載的設計值，引起橋梁下撓。其次，汽車超載會引起橋梁的疲勞破壞，使橋梁的耐久性降低。

3.3 梁體裂縫現象原因分析

梁體上的裂縫主要有斜裂縫、縱向裂縫、垂直裂縫、橫隔板裂縫以及齒板裂縫等。

3.3.1 主拉應力斜裂縫

主拉應力斜裂縫是梁體出現最多的裂縫，由于支座處剪力較大，使其主要出現在支座附近，并逐漸向受壓區及跨中發展。另一特征是內腹板斜裂縫要比箱外的嚴重。經分析，其主要形成原因有：

（1）20世紀90年代以來，為了施工方便，普遍取消了彎起束的設計，這樣可以減小腹板厚度，但預應力損失大，梁端部會出現大量斜裂縫。

（2）在目前的設計中通常只從縱向和豎向來考慮主拉應力，未曾考慮過箱梁內側由于自重、活載和溫度原因而產生的橫向拉力，及扭轉、翹曲等引起的剪切應力，使得主拉應力的設計值偏小，箱梁內側裂縫開展較多。

（3）施工不當，致使預應力損失過大，有效預應力嚴重不足，有時豎向預應力筋已松動，沒有張拉力。

（4）部分橋梁懸臂在施工中盲目搶工期，施工質量差，在混凝土初凝時間還小于節段所澆注的時間的情況下，既不對掛籃壓重，又自內向外澆注混凝土，導致了掛籃下撓，節段界面上緣的開裂，通車后出現嚴重斜裂縫。

（5）腹板偏薄，普通鋼筋配筋率偏小。

3.3.2 縱向裂縫

縱向裂縫與橋軸方向平行，大多出現在頂底板。出現的原因有：①未設橫向預應力，在頂板下緣出現規范允許寬度的縱向裂縫。②縱向預應力施加過大，在橋梁克服恒載后仍具有很大的壓應力儲備，造成縱向裂縫的產生。③活載對橋梁產生的橫向彎矩是縱向裂縫形成的原因之一，經常出現的超載現象使橫向作用大于縱向作用，易產生縱向裂縫。④當箱梁腹板配筋不足，腹板內側在梁自重下產生的橫向拉應力及其他作用的組合，會在腹板產生縱向裂縫。⑤節段澆注混凝土時間間隔過長，橋由于收縮差而出現縱向裂縫。⑥在較薄的頂板中橫向預應力束的布置位置往往難以控制偏差，若偏差過大，頂板下緣將產生縱向裂縫。⑦在橋現澆施工階段，由于溫度應力往往高于緩慢提升的混凝土抗拉強度，在底板較厚的梁根部拆模后會發現在地板下緣產生的縱向裂縫。混凝土板在硬化過程中產生水化熱，中心溫度高于邊緣溫度，而板底與空氣接觸，溫度最低。在平面變形的作用下產生自平衡應力，中心受壓邊緣受拉，當拉應力大過抗拉強度，混凝土便會開裂，尤其在板底，但僅限于表面，危害較小。

3.3.3 垂直裂縫、橫隔板及齒板裂縫

（1）垂直裂縫在大跨徑梁橋設計中的全預應力和部分預應力A類構件均不應出現，一旦出現，就表明正截面強度不足。

（2）橫隔板、齒板裂縫與施工質量有關，同時也是由于設計中截面尺寸不合理或預應力設計噸位過大，錨下混凝土應力過于集中造成的。

3.4 下撓病害和裂縫病害相互耦合

跨中撓度往往和垂直裂縫與斜裂縫同時出現，相互促進惡化。

4 連續剛構橋病害的相應對策

4.1 控制裂縫的相應對策

（1）從設計上，首先，要保證橋梁有足夠的正截面強度和斜截面強度；其次，在設計時應適當結合施工（如在設計中考慮恒載是應適當結合各個施工階段）；再次，應充分考慮徐變對下撓的影響；最后，可以通過適當增加預應力鋼筋來減小橋梁撓度（如在梁根部可以用預應力鋼筋束在抵銷懸臂節段自重以減小橋梁下撓）。

（2）在施工時應加強對施工質量的監管，在施加預應力時應在保證混凝土的齡期的條件下進行。在使用時應盡量減小超載事件的發生并注意橋梁的正常養護。

4.2 控制裂縫的相應對策

在設計和施工上，首先，應注意充分考慮預應力損失，尤其要保證豎向預應力的有效性；其次，可以通過增加橋梁腹板（尤其是橋梁根部處腹板）的厚度或增加腹板的配筋量來減少斜裂縫；最后，應加強施工和使用的監管。

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