預應力混凝土橋梁典型病害機理分析

祁 長 林

(中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

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預應力混凝土橋梁典型病害機理分析

祁 長 林

(中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

簡述了大跨徑預應力混凝土橋梁的典型病害類型，從預應力布置形式、溫度、混凝土收縮徐變等方面，分析了橋梁裂縫以及下撓的主要原因，為控制橋梁病害的發生提供了依據。

混凝土橋梁，預應力，裂縫，撓度

預應力混凝土橋梁因具有較好的抗彎抗扭性、結構質量輕、剛度大等特點，在交通行業中得到廣泛應用。但由于預應力混凝土橋梁的結構內部受力比較繁雜，長期使用過程中易出現開裂和撓曲變形[1]。因此，針對預應力混凝土橋梁病害的研究，已經成為現今國內外專家學者比較關注的重點研究領域之一。

1 大跨徑預應力混凝土橋梁的典型病害

1.1 大跨徑預應力混凝土橋梁結構裂縫現狀

通過對預應力混凝土橋梁受力特性的分析，以及對橋梁結構裂縫出現位置和形式的調查顯示，預應力混凝土橋梁的裂縫呈現出一定的規律性[2,3]：主要在箱梁頂、底板出現縱向裂縫和靠近邊跨兩端兩側腹板中部出現45°斜向裂縫，如圖1，圖2所示。

1.2 大跨徑預應力混凝土橋梁長期下撓現狀

預應力混凝土梁橋在使用過程中，結構的長期撓度大于設計計算時的預算值，并且隨著使用時間的增長撓度逐漸增大，導致預應力混凝土梁橋的另一顯著病害的發生，即跨中持續下撓[4]，跨徑與下撓年平均速率關系如表1所示。

表1 跨徑與下撓年平均速率的關系

跨徑L/m下撓的年平均速率f/mm·年-1L=100～160f=5～10L=160～220f=10～20L=220～270f=20～30

2 誘發大跨徑預應力混凝土橋梁裂縫的分析

預應力混凝土梁橋的裂縫形成因素較為復雜。在影響裂縫形成因素中，某一單一因素不一定是引起裂縫的主要因素。但是由于各種因素結合起來，就會導致箱梁裂縫，這就加大了分析大跨徑預應力混凝土梁橋裂縫形成原因的難度。筆者總結了易引發裂縫產生的因素，有如下幾點。

2.1 預應力的損失及布置形式

預應力混凝土梁橋中的應力主要由縱向預應力、豎向預應力以及由預應力引起的應力組成。當僅有縱向預應力鋼束時，由于方向為水平的預應力引起的應力和荷載引起的法向應力共同作用，保證正截面混凝土拉應力不超限，可以避免出現彎曲裂縫；當存在豎向預應力和彎曲預應力鋼束時，由于方向為傾斜的預應力引起的應力、荷載引起的法向應力和剪應力三者共同作用，可以避免產生斜裂縫。豎向預應力由于其構造原因，預應力損失較大；混凝土收縮徐變特性、鋼束自身的松弛特性和施工不當使縱向預應力損失過大。實際鋼束的預應力損失較設計計算偏大，結構中的由預應力引起的應力偏小，使(主)拉應力超限而產生裂縫。

在配筋計算中，為了減少摩阻損失，且對建立縱向有效預應力有利，剪應力需要配置密排豎向預應力束克服。針對于這一問題，往往采用在豎向配直線束的布設形式進行處理。但由于豎向直線束較短，很難建立起有效地預應力，且建立值和設計值相差較大。因此，預應力在組合時會出現應力空白區，這是導致裂縫產生的原因之一。

2.2 溫度及箱梁空間效應考慮不足

大跨徑預應力混凝土箱梁中的橫向溫差是引起頂底板產生橫向拉力的主要原因。因此，在設計中應該充分考慮溫度荷載效應。

此外，箱梁的空間效應對力學性能的影響較大，由于剪力滯效應，箱梁腹板上下緣的平均應力遠大于縱向拉應力，會產生橫向裂縫。在變截面箱梁中，由于底板橫向配筋不足，也會導致縱向裂縫的產生，裂縫位置常出現在底板橫向跨中下緣。

2.3 其他原因

除上述誘發裂縫產生的原因以外，建筑材料的質量、施工過程中的質量控制和使用過程中的超載問題等因素也是引起裂縫產生的原因。

3 誘發大跨徑預應力混凝土橋梁下撓的分析

3.1 預應力

對預應力混凝土梁橋撓度影響較大的因素主要有預應力的布置形式、有效預應力的大小和時間效應。在設計過程中，應注重預應力布束對橋梁下撓的影響。但是，目前只從施工和正常狀態下結構應力考慮是否合理進行布束，而沒有綜合可變荷載進行分析。在對懸臂狀態撓度的控制時，主要是采用在箱梁頂板設懸澆束的布束方式進行處理，以減少混凝土收縮徐變對結構長期撓度的影響。此外，影響大跨徑混凝土梁橋下撓的另一個主要因素就是梁橋的使用時間，即隨著使用時間的增長與有效預應力成反比。

3.2 混凝土收縮徐變

預應力混凝土橋梁在使用過程中，受混凝土組成材料和性質的收縮變異性較大等內因的影響，使得混凝土的收縮量難以確定，導致預應力混凝土橋梁的長期撓度難以預測。混凝土的外加劑、施工方法和張拉齡期等外因同樣影響著混凝土的收縮徐變，難預測其完成時間，從而又加大了分析預應力混凝土梁橋下撓的難度。

3.3 橋梁設計計算方面的不足

目前在橋梁設計計算中，桿系程序與實際有較多的差異。尤其是大跨徑預應力混凝土橋梁中混凝土的收縮徐變與結構的長期性能的計算存在較多的問題。混凝土箱梁在計算過程中應考慮腹板豎向應力的配筋問題，設計過程中應與其他類型橋梁設計理念相結合。

此外，在設計計算過程中，對溫度條件、有效預應力的時變性、各板件之間的收縮差等因素欠考慮。因此尋求到較為合理準確的設計計算方法的重要性尤為顯著。

3.4 施工方法

大跨徑預應力混凝土梁橋常采用懸臂現澆法進行施工。該方法對梁橋下撓的影響是豎向接縫的質量問題和混凝土超方的問題。而在梁橋設計過程中，只是按照無接縫的理念計算的，沒有考慮豎向接縫對于梁橋結構的影響，使得豎向接縫出現很多的質量問題，造成理論與實際的偏差。當采用整體澆筑時，混凝土由剪切徐變引起的撓度變化可以不計。但當采用分段澆筑時，在不良豎向接縫處剪切變形較大，在后續使用過程中產生的剪切徐變較大，這種不良接縫引起的撓度增量不可忽略。

4 結語

通過對預應力混凝土橋梁典型病害的理論和技術研究，找出主梁出現開裂和長期下撓的原因，即：在設計計算過程中，設計方法不完善，認識不夠全面；在施工過程中，施工工藝和質量有缺陷；在使用過程中，沒有綜合分析引起病害產生的原因，直接使用某一施工方法，從而導致病害的加劇。為選擇適宜的大跨徑預應力混凝土梁橋的加固方法做出了前期理論研究。

[1] 王國亮，謝 峻，傅守方.在用大跨度預應力混凝土箱梁橋裂縫調查研究[J].公路交通科技,2008，25(8)：52-56.

[2] 徐 棟.橋梁體外預應力設計技術[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3] 鐘新谷.預應力混凝土連續箱梁橋裂縫防治與研究[J].鐵道學報與工程學報,2006(3):7-14.

[4] 柳 磊.大跨徑預應力混凝土箱梁橋開裂與下撓成因分析[D].上海：同濟大學碩士論文,2009.

Typical disease mechanism of prestressed concrete bridge

Qi Changlin

(The Six Co., Ltd of the Copyright by China Railway No.3 Group, Jinzhong 030600, China)

The paper briefly describes typical diseases types of large-span prestressed concrete bridge, and analyzes major bridge cracking and deflection causes from aspects of prestress layout forms, temperature and concrete shrinkage, which has provided some guidance for controlling bridge diseases.

concrete bridge, prestress, crack, deflection

1009-6825(2016)12-0140-02

2016-02-19

祁長林(1982- )，男，工程師

U445.7

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