大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓原因分析及防治措施探討

何大學，胡世強

（中國市政工程西南設計研究總院，四川成都 610081）

0 引言

連續剛構橋具有結構整體性好、受力合理、跨越能力強等諸多優點，在橋梁建設中得到廣泛應用。近年來，隨著設計和施工水平的進一步提高以及材料性能的改進，連續剛構橋向著大跨、高墩和連續長度更長的方向發展。但是，在已建成的大跨徑PC連續剛構橋中，有相當數量的橋梁出現跨中過度下撓和箱梁梁體開裂等病害。表1列出了國內外一些典型大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓情況。

表1 國內外典型大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓情況

大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓與箱梁梁體開裂多是并發癥，跨中下撓會進一步加劇箱梁梁體開裂，而箱梁梁體開裂會使結構剛度降低，進一步加劇跨中下撓，兩者惡性循環，影響橋梁耐久性，危及橋梁安全。

1 大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓主要原因分析

大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓是一個比較復雜的問題，是由多種因素引起的。其中主要有混凝土收縮和徐變較大，預應力損失過大，施工工藝不好，日照溫差作用，以及箱梁的空間作用計算不準確等因素。下面從設計、施工及運營管理3個主要方面來分析。

1.1 設計原因

（1）對混凝土收縮和徐變的影響程度重視程度不夠。

混凝土收縮和徐變是橋梁結構計算過程中一個非常復雜而又難以精確計算的非線性結構力學問題。現在連續剛構橋向著大跨徑方向發展，為了突破傳統跨度，設計時勢必梁體越來越薄，箱形截面越來越輕型，混凝土強度等級越來越高，從而使得混凝土收縮和徐變對結構的影響越來越大，而設計者還是按照原有規范標準來計算和設計，對混凝土收縮和徐變對橋梁結構的影響程度和長期性估計不足。

（2）忽略了剪切對撓度的影響。

根據S.Timoshenko的高等材料力學，對于L/h≥10的梁，在彈性階段，可忽略剪切對撓度的影響。所以，通常我們計算跨中撓度時，只計算梁的彎矩作用及梁的彎曲剛度。

δ=δM=（MM/EI）ds

但是，對于混凝土薄腹梁，其撓度的計算，不能僅計算彎矩的作用，還應考慮剪力的作用。因為薄腹梁中的剪應變很大，δQ的影響不可忽略，梁體出現斜裂縫后，梁的剪切剛度降低很多，梁的撓度進一步加大。如果斜裂縫進一步發展，梁的撓度將不斷增加。德國著名橋梁設計師F.Leonhardt曾提出，對于L/h≤12的梁，剪切引起的撓度可達到彎矩引起的撓度的20%～30%。不過，剪切引起的梁的撓度的計算比較困難。

梁的實際撓度計算公式應為：

δ=δM+δQ=（MM/EI）ds+（QQ/GA）ds

（3）預應力損失實際值與理論計算值差別較大。

大跨徑PC連續剛構橋一般采用懸臂澆筑法施工，大量資料表明，縱向預應力束與管道的實際摩擦系數以及管道偏差系數k通常都比規范規定取值要大，造成預應力損失實際值比理論計算值相差很大，從而造成有效預應力不足。預應力損失將減小結構剛度。

（4）箱梁腹板結構尺寸偏小。

橋梁設計時，大跨徑PC連續剛構橋為了減少結構自重，腹板厚度、墩頂梁高都參照規范規定范圍偏低擬定，造成腹板總厚度不足，墩頂梁高偏小，根部高跨比偏小，梁體持久抗剪能力儲備不足，從而導致跨中下撓。

（5）對溫度變化引起的有效預應力降低認識不夠。

在分析溫度對大跨徑PC連續剛構橋的影響時，設計者往往忽略了時間這一因素。橋梁在運營中除單純的溫度影響外，同時伴隨著由徐變帶來的應力松弛和收縮現象。隨時變化的溫度使梁體開裂，不斷降低梁體截面剛度，導致跨中持續下撓。

（6）受箱梁高度限制，豎向預應力筋長度較短，實際預應力損失比計算值大得多，梁體抗剪能力遠小于理論值。

（7）結構計算收縮徐變計算時間根據規范按照3年控制，計算時間偏短，雖然收縮徐變后期增長慢，但隨著時間的延續，總在增加，如果忽略后期增量，收縮徐變設計值就偏小。

1.2 施工原因

（1）混凝土原材料選擇及拌合、澆注控制不嚴，以及片面追求高強度而忽視混凝土的綜合性能，導致混凝土品質不滿足設計要求，降低梁體持久承載能力，隨著時間的推移，跨中出現下撓。

（2）模板安裝不準確或出現脹模，導致箱梁自重增加，預應力度降低，結構抗裂能力降低，從而引起附加撓度增加并伴隨結構開裂。

（3）片面強調縮短工期，混凝土強度達到設計值后就張拉預應力束。計算結構收縮時彈性模量采用標準值，而節段加載時的齡期短，彈性模量值偏小，導致收縮徐變計算值小于實際值。

（4）施工中預應力管道定位不準確，灌漿不飽滿，鋼束銹蝕，實際預應力與設計不符，不能保證足夠的預應力，梁體持久承載能力不足，導致跨中下撓。

（5）施工中養護、保溫及保濕措施不足，結構出現收縮、徐變和溫度裂紋，為后期裂縫的發展和下撓埋下隱患。

1.3 運營管理原因

隨著我國國民經濟的快速發展，交通條件大大改善，交通量與日劇增，很多橋梁的實際交通量遠遠超過設計規定交通量，大量的超重、超載車輛通過橋梁，很多橋梁嚴重超負荷運行。日積月累，橋梁開裂就不可避免，從而降低梁體截面剛度，導致跨中下撓。

橋梁管理人員對橋梁健康檢查、維護不仔細、不及時，裂縫得不到及時修補，受雨水侵蝕、超載等作用裂縫進一步發展，跨中持續下撓，危及結構安全。

2 大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓的防治

大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓是多種原因的綜合，而非單一因素所致。通過以上分析發現，其主要影響因素在設計、施工和運營中仍具有較強的可控性。所以，為了有效防止跨中下撓，應從設計、施工和后期運營管理三方面下功夫。

2.1 設計措施

（1）橋跨布置問題與施工方法密切相關，大跨徑PC連續剛構橋一般都采用懸臂澆筑法施工，根據對已建成的大跨徑PC連續剛構橋的橋跨布置分析，邊跨與中跨比不宜過大，應控制在0.55～0.6范圍。為了減少溫差的作用，縱向連續長度不宜過長。

（2）根據已建成大跨徑PC連續剛構橋資料，腹板在L/4～3L/8段厚度不夠，設計時應適當加大腹板厚度，特別是L/4～3L/8段腹板厚度，并增加橫隔板數量。寬箱梁不宜采用單箱單室斷面，箱梁超過一定寬度，應采用分幅獨立設置。

（3）針對每一座大橋，在項目施工初期，應進行相關混凝土特性和參數的測定，根據實測數據進行重新設計驗算，對橋梁結構、預應力束以及橋梁設置的預拱度進行適當調整。

（4）對環境溫度和濕度取值，根據不同時段、不同位置的實測數據綜合取值，使理論值盡量接近實際情況，然后重新計算。

（5）收縮徐變計算時間按15 a或20 a進行計算，結合已建成同類型橋梁跨中下撓資料，在計算的理論預拱度值上再增加適當附加預拱度值。

（6）按照荷載平衡理論優化預應力設計，使得自重彎矩與預應力彎矩差值盡量小，減少混凝土的長期收縮徐變；做好箱梁的抗剪設計，提高結構的耐久性，保證結構剛度；充分認識混凝土的收縮徐變對結構的影響和其不確定性，設計好備用措施，適當預留備用預應力束，在跨中下撓過大時補張拉予以補救。

（7）應考慮剪切對下撓影響，計算時借助于折算剛度ξGA法或數值有限元分析等方法近似計算。

（8）設計加強構造鋼筋的設置，防止出現早起裂紋，影響結構剛度。

（9）輕質混凝土可大大減小箱梁自重，輕質混凝土已在國外大跨徑PC連續剛構橋中成功應用，可為我國橋梁設計者研究后借鑒。

2.2 施工措施

（1）預應力管道定位一定要準確，位置盡量與設計相符，保證足夠的預應力；預應力張拉后應及時灌漿，并保證灌漿飽滿。適當延長混凝土初次加載齡期，減小混凝土長期收縮、徐變。

（2）做好現場混凝土收縮、徐變實驗和預應力孔道摩阻實驗，實測徐變系數和管道摩阻系數，用于校正設計。

（3）為克服大跨徑PC連續剛構橋一旦建成就無法再進行二次調整的問題，每座橋梁施工的每一個工序都應進行相應的參數測定，并將測定參數及時提供給設計方用于修正設計。

（4）施工控制是大跨徑PC連續剛構橋施工中的重要一環，線形控制又是施工控制的主要部分，應加強施工過程的監控，保證橋梁建成后線形與設計線形盡量一致。大跨徑PC連續剛構橋的線形控制主要采用預拋高方法，為了克服過度下撓，預拋高值寧大勿小，一般預拋高值達到L/2 000～L/1 000。

（5）豎向預應力采用兩次張拉錨固系統，盡量減小短束預應力損失。

（6）施工中加強養護和保溫、保濕措施，防止施工過程中出現早期裂紋。

（7）張拉預應力束時適當超張拉，保證錨下應力。合攏段預應力應補充張拉。

2.3 運營管理方面

大橋建成后，應嚴格按照設計荷載標準禁止超載車輛通行，避免橋梁長期超負荷運營加劇橋梁跨中下撓。設立通航警示標志，防止船舶撞擊，保護好橋梁基礎周圍環境，避免被人為破壞，引起基礎沉降變形，損害橋梁結構，杜絕引起橋梁開裂及跨中下撓的外部因素。經常進行安全可靠性和承載能力的評估，及時發現問題，加強維護和保養，采取有效措施控制橋梁跨中下撓幅度。

3 結語

大跨徑PC連續剛構橋跨中下撓問題原因復雜，要加以預防需從多方面予以考慮，主要要從設計、施工和營運管理三方面予以預防。現今急需總結國內外已建同類型橋梁的相關經驗和規范設計施工方法，制定大跨徑PC連續剛構橋設計、施工及管理等相關規范，指導此類橋梁的建設，以促進大跨徑PC連續剛構橋的發展。

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