大跨徑連續剛構橋下撓與裂縫分析與研究

姚國豪

（鄭州市公路管理局 河南，鄭州市 450052）

1 引言

預應力混凝土連續剛構橋以其結構剛度大、行車平順性好、外形簡潔大方和養護簡單等優點，是大跨徑橋梁建設常用的橋型之一。國內設計修建的大跨度預應力混凝土連續剛構橋相繼出現了主梁跨中下撓、箱梁梁體裂縫等病害，橋梁工程界一直在分析探討主梁下撓、箱梁裂縫等病害的成因，而且也在不斷探尋解決主梁下撓、箱梁裂縫等病害的方法[1]。從理論上講，連續剛構橋在主梁設計時已經滿足了規范的相關要求，為何橋梁運營階段中不斷出現主梁跨中下撓和各種裂縫等現象，甚至有些下撓和裂縫還危及橋梁結構的正常使用功能。因此分析連續剛構橋主梁跨中下撓、箱梁裂縫成因，并改進預應力的設計理念，從預應力設計的角度出發，尋求減少下撓和裂縫的方法變得尤為重要。

2 連續剛構設計常見病害及成因

2.1 剛構跨中下撓成因

大跨度預應力混凝土連續剛構橋的下撓原因比較復雜通過對國內外多座連續剛構橋主梁跨中下撓問題的分析[2]，可總結出連續剛構橋主梁跨中下撓的如下主要原因：

（1）大跨度剛構橋梁均采用高強混凝土，在設計的過程中對高強混凝土的收縮、徐變分析及長期作用下的估算不足，由此造成剛構主梁下撓。

（2）連續剛構橋的縱向預應力鋼束隨著跨度的增長其長度也在不斷增加，這樣便加大了縱向預應力鋼束的損失，其中影響較為顯著的便是摩阻損失。影響摩阻損失的主要因素分別是：孔道彎曲、孔道偏差。我國橋梁設計對孔道摩擦系數u和孔道偏差系數 K 的取值相對較低，并且橋梁在施工過程將導致孔道摩擦系數 u 和孔道偏差系數 K 的實際值變大，這就導致預應力損失估算不足，致使縱向預應力有效性大大降低。而主梁預應力有效性的降低導致主梁正彎矩區域的底板縱向應力鋼束和主梁負彎矩區域的頂板縱向預應力鋼束的有效應力降低，從而導致連續剛構橋主梁下撓。

（3）在橋梁施工過程中，施工單位為了提高施工的速度，便人為縮短施工周期：在混凝土還沒有達到一定強度要求時，便張拉預應力鋼束或者增加其荷載，從而增大了施工階段中的彈性撓度，而且也造成了混凝土徐變撓度的增大。施工過程中若沒有固定好預應力鋼束的管道或者在灌漿中預應力鋼束管道發生錯位移動，便會造成設計計算值的誤差增大，而且管道的彎曲也會增加預應力鋼束的損失。如果施工過程中損壞了預應力鋼束管道，在灌漿過程中將導致混凝土漏漿，使得預應力孔道內壁粗糙，致使預應力鋼柬損失的增加。以上分析的因素也間接導致了目前大跨度連續剛構橋主梁長期下撓。

（4）連續剛構橋箱梁裂縫是一種比較常見的病害，具體分析可見下文所述。箱梁一旦發生了比較嚴重的開裂，便將導致主梁梁體的剛度降低，最終造成主梁梁體的撓度增大。隨著梁體裂縫的不穩定運動、裂縫數目的增加、裂縫寬度和長度的變化，主梁的剛度將不斷減小，從而將導致主梁的下撓不斷增大。

2.2 剛構箱梁裂縫

連續剛構橋的箱梁裂縫除了有上述危害之外，還對橋梁結構有其他影響和破壞，而且箱梁裂縫的成因分析對改進預應力鋼束的設計理念和配束方法有著重要的意義。連續剛構橋箱梁的裂縫從不同的角度有著不同的分類方法，目前大跨度連續剛構橋箱梁出現的主要裂縫及其成因分析如下所述。

2.2.1 剪切裂縫

剪切裂縫，即斜裂縫，最先出現在箱梁剪應力最大的部位[3]。一般墩頂截面和梁端附近出現剪切裂縫的幾率很大，其沿中性軸呈 30°-45°發生。剪切裂縫主要是由主拉應力引起的，對箱梁結構的剪切破壞危害極大，不可忽視。

剪切裂縫必然發生在剪切破壞的部位，一般剪切破壞分三種形態，即斜拉破壞、剪壓破壞、斜壓破壞。斜拉破壞是脆性破壞，設計中需要特別注意；斜壓破壞相比斜拉破壞要好些，但是破壞前也無明顯征兆；剪壓破壞相比前兩者而言稍微好些，其破壞不是突然發生的，但也應該加以考慮。

相比于鋼筋混凝土結構，預應力混凝土結構抵抗剪切破壞的能力較強，因其預應力可以抵消部分主拉應力，可以推遲斜裂縫的發生和發展。預應力混凝土受彎構件中，只要能合理配置預應力鋼束，則可以控制主拉應力，使主拉應力低于混凝土的抗拉強度，從而遏制斜裂縫的發生。

2.2.2 腹板裂縫

預應力混凝土連續剛構橋箱梁腹板裂縫，一般有以下幾種形式[4]：主拉應力引起的腹板斜裂縫、邊跨梁端腹板斜裂縫、豎向正應力和主拉應力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫等。

1) 主拉應力引起的腹板斜裂縫

預應力混凝土連續剛構橋主拉應力引起的腹板斜裂縫，主要分布在距梁端和墩中心線 L/4 附近的腹板上，與縱橋向中性軸呈 45 度左右的夾角，距墩中心線 L／4 附近的腹板上剪應力過大，使得此處的腹板抗剪能力不足，抗主拉應力的安全儲備考慮不全，造成了此處發生主拉應力引起的腹板斜裂縫。梁端變低會導致豎向預應力鋼束的長度變短，將會造成預應力損失，如果豎向預應力損失過大，那么將會造成腹板的主拉應力降低，導致箱梁腹板出現斜裂縫。

2) 邊跨梁端腹板斜裂縫

預應力混凝土連續剛構橋邊跨梁端的受力比較復雜，此處又是項、底板縱向預應力鋼束的集中錨固區，很容易發生應力集中引起的局部蠕變，從而引起各種各樣的裂縫。因邊跨梁端的豎向預應力鋼束比較短，預應力損失存在很多無法考慮周全的因素，一旦豎向預應力損失過大，將造成梁端腹板發生主拉應力裂縫。如果此處的彎起束和下彎束配置得不是很合理，也相當容易造成腹板斜裂縫。

3) 豎向正應力和主拉應力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫

豎向正應力和主拉應力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫，一般位于邊跨梁端和中跨

L／4 至 3L／4 范圍內，水平裂縫沿腹板上緣，斜向裂縫與縱橋向水平線呈大約 45°夾角。這類裂縫產生的原因是腹板豎向正應力和腹板主拉應力共同作用導致。

3 結論

綜合考慮，預應力混凝土連續剛構橋的設計中，可以先采用平面分析法進行橋梁結構整體設計計算和分析，再采用空間分析法分析梁體重要局部、某些受力復雜的部位、實際工程中經常出現問題的部位等，比如 O 號塊、錨固端、鋸齒塊局部、邊跨梁端附近截面、L／4 跨附近截面等。采用這樣的設計理念，既能考慮到連續剛構箱梁結構的整理受力和一般力學特性，而且也能詳細分析到實際工程中出現問題的局部受力情況。在實際的設計工作中，這樣的設計方法是可行的，而且也能夠很好地解決目前連續剛構橋箱梁裂縫的問題，是比較合適的設計方法。同時為了從一定程度上防止主梁下撓和梁體裂縫的發生，可增加縱向預應力鋼束的配置量，從而提高預應力儲備，并且需設置一定量的備用束等。

[1]楊高中.連續剛構橋在我國的應用和發展[J].公路，第6期，1998.

[2]周軍生.大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的現狀和發展趨勢[J].中國公路學報，2000.

[3]馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京：人民交通出版社.2001.

[4]范立礎.橋梁工程(上冊)[M].北京：人民交通出版社，1996年第二版