預應力連續剛構橋梁體開裂及跨中下撓病態問題分析

譚登祥+胡俊超

摘 要：依托萬戶沱預應力連續剛構橋檢測存在的梁體開裂、主梁跨中撓度過大的檢測結果，從施工、設計、材料及外部環境等多尺度因素對此類橋梁易出現這樣的病態問題進行分析，在分析的基礎上提出了一些建設性的意見，可為此類橋梁設計、施工提供借鑒，有助于緩解此類橋梁建成使用后出現梁體開裂、跨中撓度過大的問題。

關鍵詞：預應力；連續剛構；開裂；撓度

1 前言

大跨徑預應力連續剛構橋因其施工簡單、受力性能好、良好的行車舒適度及較少的伸縮縫等一系列優勢在中小跨徑橋梁中得到了廣泛的應用[1]。1988年我國建成了第一座連續剛構橋，此后該類橋便在全國范圍內得到大量的普及。但在此類橋梁的大量使用過程中發現其存在梁體易發生開裂、跨中撓度過大的病害問題。隨著使用周期的增長因預應力損失、混凝土的收縮、徐變及溫度變化等原因加速了梁體裂縫的增加，進而造成主橋跨中撓度增大。東明黃河大橋[2]竣工通車四年后發現其箱梁腹板開裂以及跨中撓度加大，近年來對其裂縫和撓度的監測結果顯示其箱梁腹板開裂以及跨中撓度具有進一步增大的趨勢?；㈤T大橋[3]輔航道橋的連續七年監測發現，梁體主跨跨中撓度及裂縫逐年增加，2003年的觀測數據發現其左幅、右幅累計下撓量均超過了20cm，遠超過規范的容許限值。梁體裂縫和跨中下撓相互作用，加重了橋梁的病態問題，混凝土結構一旦開裂，其內部鋼筋極易發生銹蝕，對結構耐久性極為不利。

本文從收縮徐變、預應力損失、溫度、設計及施工等多尺度因素對造成萬戶沱大橋主跨撓度過大、箱梁易開裂的原因做細致的分析，為此類橋梁的類似病態問題提供借鑒，并針對性的給出了一些建議，可為此類橋梁的建設提供理論支持。

2 萬戶沱大橋檢測成果

2.1 工程概況

萬戶沱大橋主橋結構采用55m+100m+55m三孔一聯預應力連續剛構，上部結構為單箱單室三向預應力斜腹板箱梁，下部結構：0號臺采用擴大基礎，1、2號墩墩身為3×8m雙孔空心薄壁墩，1號墩基樁采用單排三根直徑3米的挖孔樁，2號墩樁基采用5根直徑2.2米的挖孔樁，梅花型布置，施工過程采用襯砌法施工；3號臺樁基采用四根1.8米的挖孔樁。

2.2 裂縫檢測成果

大橋主梁表觀及裂縫缺陷檢測主要以目視觀察為主，并攜帶裂縫寬度測量儀及皮尺、望遠鏡、卷尺和數碼相機等檢測工具，進行近距離檢查。經檢查，發現上部結構箱內裂縫病害問題較為突出：箱梁內部頂板出現縱向裂縫及橫向裂縫、腹板出現斜裂縫及豎向裂縫；箱梁箱外部底板和腹板出現縱向裂縫，底板混凝土剝落、滲水、麻面、漏筋、錯臺、空鼓及夾雜雜物等。

2.3 撓度檢測成果

橋面永久觀測點設置在兩側靠近路緣石20～30cm處橋面鋪裝上，該橋布置截面為主跨每跨墩支點、1/4L、 1/2L、3/4L和伸縮縫的兩側，每個截面分為左、右兩點。對所有截面的左、右兩點進行測量；橋面永久性觀測點布置如圖1所示。觀測氣溫20℃，基準點位于0號橋臺右側30m處，其高程為188.546m，橋面線形永久觀測點測試采用閉合水準路線，閉合差為0.12mm，滿足《工程測量規范》（GB 50026-2007）二等水準測量閉合差的要求。

萬戶沱大橋始建于上世紀九十年代，在建成之后未及時建立橋面撓度測量點，因此無法取得橋梁初始變位參數，圖2為萬戶沱大橋橋面永久觀測點線性圖，通過橋面絕對高程數據分析，橋面跨中較1、2號墩頂高程差值近13cm，而邊跨側高程則反拱，結合橋梁缺損狀況檢查結果，由此分析可知主梁結構跨中產生了嚴重下撓變形。

3 主梁開裂原因分析

通過對大橋主梁裂縫的檢測可將大橋主梁裂縫分為三類：第一類：頂板縱向裂縫及橫向裂縫；第二類：腹板斜裂縫；第三類：底板縱向裂縫。預應力連續剛構橋由于施工、設計、溫度等一系列因素均會導致梁體開裂，另外在橋梁的使用過程中混凝土材料本身的收縮和徐變也會使梁體發生開裂。第一類裂縫產生的原因可能是滿堂支架及掛籃在施工過程中沒有進行合理的預壓，施工過程中預拱值給的偏離理論值較多，對梁體受力造成了不利影響；混凝土配合比與試驗室配合比存在偏差，導致材料的性質與設計存在誤差；混凝土的養護條件及養護周期未達要求；巨大的梁體結構在溫度和本身收縮、徐變的影響下，由于應力得不到釋放導致混凝土開裂。第二類裂縫產生的原因可能是設計的偏差，如未采用彎起束，目前設計上主要采用豎向預應力和橫向預應力來克服箱梁的主拉應力，但精扎螺紋鋼的豎向有效預應力很難得到保證；設計時將三維問題簡化為縱向和豎向的二維問題；溫度荷載作用；設計尺寸的不合理，如變厚度的腹板設計導致箱梁截面中心變化快，造成由軸力和彎矩形成的附加剪應力過大，使主應力偏大；施工偏差，如拆模造成的梁體表面溫度急劇降低，而內部溫度無法迅速降低，導致內外產生非線性的溫度場，梁體便會產生溫度變形，而混凝土本身抗拉強度較低，在外荷載及溫度荷載的共同作用下極易產生細微的裂紋并隨時間逐步擴展。第三類裂縫產生的原因可能是設計偏差，如未按張拉底板預應力筋產生的附加橫向均布力設置平衡箍筋，導致徑向力無法傳遞到上層鋼筋，全底板未全部參與受力；未進行合理的箍筋布置。將上述三類主梁裂縫產生的原因進行歸納分析主要包含有：預應力損失、混凝土收縮徐變、溫度因素、施工因素、設計因素。

3.1 預應力損失

預應力連續剛構橋多采用三向預應力體系，豎向預應力對于抵抗剪應力和主拉應力非常重要。當豎向預應力減小時，主拉應力增大，而主拉應力超過混凝土抗拉強度時，就會出現斜裂縫。由此可見，豎向預應力對于抑制箱梁腹板裂縫作用明顯，沒有設置豎向預應力筋的箱梁腹板，開裂將更為嚴重。在實際工程中， 由于各種因素的影響，有效的豎向預應力往往達不到設計要求。影響豎向預應力效果因素主要有：

（1）豎向預應力束通常采用精軋螺紋鋼筋，受螺紋公差的影響，螺帽與精軋鋼筋螺紋的咬合并不十分緊密，影響錨固效果，造成預應力損失。endprint

（2）受梁高的限制，豎向預應力筋通常較短，在達到張拉控制應力時，預應力筋伸長量有限，錨固時稍有不慎就會造成鋼筋回縮量偏大，導致預應力損失。

（3）豎向預應力管道多采用金屬波紋管，壓漿時經常出現壓漿不通、不飽滿等現象，同時預應力筋周邊面積小，壓進去的水泥漿粘結、握裹作用并不明顯，因此，整個壓漿效果并不理想。壓漿的不充分將導致錨固端處應力集中，導致混凝土被壓碎。

縱向預應力不足會降低腹板的抗剪能力，引起腹板開裂。由于受力及通航等的需要，縱向預應力筋一般設置為連續曲線形式，在實際施工中，大跨度連續剛構橋的箱梁是由多個直線形的澆筑塊連接而成的，需經過多次拋高、張拉等變形調整，這會造成連續預應力束管道相當不平順，管道摩阻偏大，引起縱向預應力損失。

3.2 混凝土收縮徐變

收縮徐變是混凝土材料的固有特征，也是一個復雜的非線性問題，文獻[4]的研究表明其變異系數在15%～20%。大跨徑預應力混凝土橋梁結構在混凝土收縮徐變的作用下，會產生很大內力，將降低截面的抗裂性能，并產生裂縫，嚴重影響橋梁的安全性和耐久性?；炷恋氖湛s是一種物理化學現象，是在不受力的情況下因體積變化而產生的變形。混凝土收縮過程中，混凝土內呈現含水梯度，混凝土表面水分蒸發，收縮較大，混凝土內部含水量較表面多，收縮小且為不均勻收縮，混凝土內收縮程度的差異致使混凝土表面承受拉力，內部承受壓力。當表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強度時，便產生收縮裂縫。徐變是混凝土結構在承受長期荷載作用時，應變或變形隨時間增長而增加的現象。當超靜定混凝土結構的徐變變形受到多余約束時，結構截面內將產生附加內力，附加內力將引起結構的應力重分布。預應力混凝土結構中，徐變會引起預應力損失。在橋梁運營過程中，應力重分布和預應力損失會導致主拉應力的增大，進而對腹板斜裂縫產生有所影響。

3.3 溫度因素

由于混凝土的導熱率差，置于自然環境中的混凝土結構表面溫度受到周圍環境溫度、太陽輻射等因素影響迅速變化，而混凝土結構內部的溫度仍處于原來的溫度狀態，沿混凝土構件高度產生溫度梯度?；炷两Y構的各部分處于不同的溫度狀態，由此產生的溫度變形，當被結構內、外約束阻礙時，會產生相當大的溫度應力，溫度應力可以達到甚至超過活載應力。對于箱梁而言，橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，箱內和箱外溫度差別很大，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導致局部拉應力較大，出現裂縫。

3.4 施工因素

合理的橋梁線性對結構的受力至關重要，但往往施工現場存在施工不規范導致的各類問題，如掛籃不預壓或預壓不徹底，滿堂支架未按照規范進行120%的預壓，由此造成這些臨時結構非彈性變形無法全部消除，對施工過程中的理論預拱造成一定的影響。另外在立模時往往存在立模不到位以及測量偏差等原因造成主梁偏離設計線性，由此造成合攏后橋梁的整體線性偏離設計線性，對橋梁結構的受力造成了不利影響，增加了后期運營期開裂的風險。施工過程中混凝土材料配比和試驗室配比存在差異，如骨料級配、外加劑、水等不滿足試驗室配比要求，存在較大差異。施工養護及拆模不及時不到位等因素均會造成梁體開裂。

3.5 設計因素

設計多采用較為理想的狀況進行簡化，如梁底一般設計為二次拋物線的變化形式，但由于計算軟件本身無法很好的反應這種空間效應，另外計算時多采用梁單元及空間梁格法對梁板變形、剪應力作用及溫度荷載作用的空間問題進行分析與實際橋梁結構存在一定的差異，應用國際通用有限元分析軟件建立對應實體模型對橋體進行分析[5]。另外設計上還存在一些截面上設計的不合理未對截面進行優化以及設計參數的簡化等問題。

4 跨中過度下撓分析

連續剛構橋后期的撓度過大不但會使跨中主梁下凹，破壞橋面的鋪裝層，影響橋梁的使用壽命和行車舒適性，甚至危及高速行車時的安全。因此，對下撓問題的研究具有十分重要的意義。近年來，已建的大跨徑連續剛構橋中普遍出現了主梁跨中下撓過大的問題。主梁下撓的特點主要表現為：

（1）撓度長期增長，增長率隨時間可能呈加速、降低或者勻速變化的趨勢。

（2）結構的長期撓度遠大于設計計算的預計值。

預應力連續剛構橋跨中過度下撓的成因十分復雜，是多因素共同作用相互耦合的結果。其中，箱梁梁體裂縫和跨中下撓互相影響，梁體裂縫增多使結構剛度降低，加劇跨中下撓，而跨中下撓又進一步加劇箱梁開裂，這二者形成了惡性循環。所以，影響箱梁開裂的因素也對跨中下撓產生影響。縱向預應力損失與撓度增大成正比關系，影響效果明顯；豎向預應力鋼筋增大橋梁截面的剛度，能夠抑制腹板裂縫的擴展。而裂縫的出現與撓度的增大相互促進。所以，充分發揮豎向預應力鋼筋的效用，可以很好的限制結構下撓；收縮徐變是影響橋梁中長期撓度的最重要因素。在設計過程中，可以用預拱度抵消中長期撓度。但是在實際工程中，預拱度一般無法發揮出抵消的作用。

另外豎向接縫的質量對主梁后期變形也會產生較大的影響，類似這種連續剛構橋多采用分段施工，各階段之間不可避免的會存在豎向接縫，其對橋梁的整體剛度會產生較為明顯的影響，通常表現為梁體實際變形值大于理論計算值。此類橋梁多采用懸臂施工的方法，各階段施工階段較為分散，過程標高常存在誤差，施工時多以梁底標高為準，橋面標高多為了滿足設計標高要求，多采用加厚橋面鋪裝層厚度彌補施工過程的誤差，由此造成主梁荷載增加增大了橋體跨中撓度。車輛超載行駛，有些車輛超載遠超過橋梁荷載限制，但仍按常規方式通過大橋，通行時導致橋梁產生了較大的變形，部分變形無法恢復，由此也會造成箱梁腹板斜裂縫的出現。隨著橋梁使用年限的增長，其耐久性也逐漸降低，在使用過程中不可避免的會遇到暴雨、大風等一些不確定的自然因素也會加劇橋梁此類病態問題的產生。

5 結論及建議

針對萬戶沱大橋檢測存在的梁體裂縫過多，跨中撓度過大的問題，分析產生此類病態問題主要因素有：設計上存在偏差，包括設計參數，計算軟件的偏差等造成橋梁本身存在問題；施工上的偏差，包括掛籃、支架預壓不到位，立模標高不規范等因素造成橋梁城橋線性與設計線性存在偏差，影響了其受力性能；材料偏差，包括骨料級配不合格，外加劑、水以及攪拌等原因，施工混凝土與試驗室混凝土性能存在差異；外部原因，包括運營期橋梁超負荷運營，溫度變化，以及不可預知的自然災害等。由于預應力連續剛構橋為多次超靜定結構，以上因素均會對其運營期受力狀況產生影響，使其結構內力發生變化，應力發生重分布，極易造成梁體開裂。梁體開裂與跨中下撓又相互影響加重了此類橋梁的病態化。

對于可能造成此類病態問題的原因，可進行針對性的預防，主要建議有：（1）由于梁體本身受力較為復雜，在設計中要不斷完善設計思路，盡可能考慮預應力、剪力以及畸變效應的空間問題；設計計算采用多種軟件相互校核驗算，并進行優化設計；選取合適的配筋方式及截面尺寸；（2）施工完全要按照圖紙施工，規范施工，進行正常的掛籃、支架預壓，立模標高嚴格按照理論立模值每一階段立模到位；材料要盡可能進行把關，并嚴格控制水化溫度；（3）運營期嚴格按照設計容許荷載進行運營，避免橋梁超負荷運營，并做定期檢查和維護。

參看文獻

[1]孫劍川.大跨連續剛構橋預應力損失對后期下撓影響分析[J].工程結構，2011，31（2）：4.

[2]劉建民，牛進民等.東明黃河大橋主橋箱梁開裂成因分析與對策[J].山東交通科技，2005，（1），46-48.

[3]楊志平，朱桂新.預應力混凝土連續剛構撓度長期觀測[J].公路，2004，（8）：285-289.

[4]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]潘鉆峰，呂志濤.大跨徑連續剛構橋主跨底板合龍預應力束的空間效應研究[J].世界橋梁，2006，（4）：36-39.endprint