連續剛構橋跨中下撓成因分析與主動控制方法研究

李茂盛 夏小春

摘要：預應力混凝土連續剛構橋具有結構輕盈、承載能力強、行車平順舒適等優點，在國內外工程建設中廣泛應用，但大量實例證明，預應力混凝連續剛構橋普遍存在跨中持續下撓以及箱梁腹板開裂等病害。迄今為止，對于預應力混凝土連續剛構橋長期下撓的產生機理、影響因素及對長期撓度的預測仍然沒有形成統一的理念。因此，本文深入剖析了預應力混凝土連續剛構橋下撓的成因，并提出了有效的下撓主動控制方法，對預應力混凝土連續剛構橋今后的應用與發展具有一定的指導意義。

關鍵詞：連續剛構橋；下撓；成因分析；控制方法

一、引言

預應力混凝土連續剛構橋是在連續梁橋和T型剛構橋的基礎上發展而成的大跨度橋梁最常用的橋型之一[1]。預應力混凝土連續剛構橋集中了上述兩種橋型的優勢：墩、梁固結，不設支座；可以選擇梁與墩的相對剛度，調節梁跨中和橋墩彎矩以及梁的建筑高度；同一聯內無縫，滿足安全、高速、舒適行車的要求；對于溫度、地震以及混凝土收縮徐變有著較好的抵抗能力。

預應力混凝土連續剛構橋的應用極為廣泛，在大量的實踐中，工程師們獲取了許多的經驗。但在預應力混凝土連續剛構橋的使用過程中，隨著跨度增加，主梁的下撓問題日益突出，已具有廣泛的普遍性，嚴重影響到這一橋型的繼續發展。黃石大橋是一座五跨預應力混凝土連續剛構橋，縱橋向布置為162.5m+3×245m+162.5m，運營7年后，各跨跨中均有明顯下撓，其中主梁跨中下撓累計已達30.5cm；虎門大橋是一座三跨預應力混凝土連續剛構橋，縱橋向布置為150m+270m+150m，運營七年后，主墩變為相對較小，但是主跨跨中撓度持續增加，而且尚未停止，主梁最大下撓已達22.2cm；金沙大橋是一座三跨預應力混凝土連續剛構橋，縱橋向布置為66m+120m+66m，運營6年后，主梁最大下撓已達22cm，同時跨中混凝土箱梁出現大量的裂縫，最大裂縫寬度1.1 mm，。三門峽黃河公路大橋是一座六跨預應力混凝土連續剛構橋，縱橋向布置為105m+4×140m+105m，運營11年后，主梁最大下撓已達22cm。

預應力混凝土連續剛構橋的跨中下撓，嚴重影響車輛的平穩通行，對大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的結構安全構成很大威脅[2]。因此，系統研究預應力混凝土連續剛構橋主梁下撓的成因，找出具有針對性的控制方法，是解決此類型橋梁持續下撓的關鍵手段。

二、跨中下撓成因分析

預應力混凝土連續剛構橋下撓的影響因素較多，成因也極為復雜。在成因分析過程中，不能將主梁下撓進行孤立的研究，而是需要將其他病害聯系起來，作為一個系統，全面的進行剖析。由于混凝土收縮徐變和預應力持續損失是不可避免的，因此預應力混凝土連續剛構橋持續下撓的現象也無法避免。另外，由于預應力的逐漸損失以及梁體下撓之后引起的內力重分布，會使得箱體局部區域存在受拉開裂的情況。裂縫持續開展會導致主梁結構剛度降低，進一步導致變形的加快。

預應力混凝土連續剛構橋主梁下撓是一個困撓了工程師們幾十年的難題，嚴重制約了這種橋型的發展，經過大量的計算與實驗分析，總結出以下5大成因[3-4]：

（一）混凝土收縮徐變問題。

20世紀初，外國學者首次在實驗室中發現了混凝土的徐變現象，20世紀30年代之后，人們才對混凝土的收縮徐變開始系統的研究，20世紀70年代才將研究成果逐步應用到混凝土結構上。針對混凝土的研究，普遍分為兩類，一類是對收縮徐變規律特征的預測，用數學表達式進行模型建立，一類是研究收縮徐變對結構性能的影響。目前，國內外的工程師們提出了很多的預測模型，但是均存在假設條件，還沒有達成一致的共識。目前預測的混凝土收縮徐變與實際數值普遍存在20%左右的偏差。

混凝土收縮徐變預測模型的準確性，對于分析結構的長期受力性能具有重要的價值。在預應力連續剛構橋設計過程中，選擇不合適的收縮徐變預測模型，則會導致撓度預測誤差過大，使得橋梁在運營階段，無法滿足實際需求，造成主梁下撓嚴重。一般來說，結構計算中針對混凝土收縮徐變選用預測模型的偏差會比結構簡化計算所造成的偏差更為嚴重，尤其是對于徐變較為敏感的結構。然而，混凝土收縮徐變的準確預測由于其影響因素眾多，同時這些因素自身變化也很不規律，既相互獨立又相互影響，就是的準確預測變得十分困難。

（二）預應力損失問題。

通過現有文獻調研，存在多種多樣的原因使得預應力持續損失。這其中就包括了施工過程中管道壓漿不充實，造成預應力不能有效的傳遞，降低了預應力的使用效率；假如波紋管存在空隙，則極有可能導致水和空氣的進去，對管內的預應力筋進行腐蝕，極大地削減預應力筋截面，造成應力集中，導致嚴重的橋梁安全事故的發生。預應力的持續損失會造成預應力連續剛構橋的剛度降低，是導致主梁下撓的重要原因。

預應力混凝土連續剛構橋的縱向預應力筋普遍數量多且長度大，因此其預應力損失大多數是由于管道內摩擦而造成的。摩擦阻力造成的預應力損失原因極為復雜，與施工質量具有很強的關系，管道內受力情況復雜也導致了其計算結果與實際數值存在較大的差距。因此建議當存在大跨度的預應力混凝土連續剛構橋的預應力張拉時，應提前進行現場測試，即使掌握實際工程中的預應力損失。實際情況中，為了工程進度、節約成本以及技術質量等等原因，往往不能達到預計的情況。

（三）箱體開裂問題。

預應力混凝土連續剛構橋跨中下撓與箱梁開裂相伴隨，典型的如湖北黃石長江大橋，下撓的同時伴隨有大量的裂縫。當主梁跨中產生了腹板斜裂縫和彎曲橫向裂縫，隨著裂縫發展的走勢，假如沒有采取有效的手段對裂縫進行有效的處理，該位置則會逐漸成為一個塑性鉸，進而改變整個結構的受力特征，危及全橋的安全。主梁一旦出現嚴重的開裂現象，原有的計算模式與假設理論則不再適用，現有的有限元軟件同樣無法準確的模擬開裂后的結構狀態，就會無法估計橋梁剩余承載力，不能進行高效的管養決策。主梁開裂與下撓相互影響，相互促進，因此需要將兩者聯系起來研究，才能更好的保證橋梁的正常使用狀態。

（四）活載效應問題。

一般情況下，預應力混凝土連續剛構橋的下撓只與結構恒載存在關聯，與活載的關系不大。然而隨著我國經濟的快速發展，汽車越來越多，超載現象越來越普遍，也就造成了現有橋梁一直在超荷工作，由此肯定會形成一定的永久性變形。長時間的超荷工作，也相當于給橋梁造成持續的荷載，也會產生相應的徐變現象。目前我國規范對于橋梁收縮徐變的計算是針對恒載而得出來的，想要考慮活載對徐變的影響值，則需要采取其他的手段進行研究。根據調研分析，活載產生的徐變值占的比重不容小覷，但是實際計算中卻常常忽略這一部分內容。因此在徐變預測之中，不可忽視車流量增加以及車輛超重的影響。

（五）施工質量問題。

混凝土的基本特征之一是早期的彈性模量增長滯后于強度的增長。然而大量的預應力連續剛構橋的施工工期過短，節段混凝土澆注后通常只在3～5天的養護后即施加預應力，這種做法導致混凝土的彈性模量還沒有達到要求，剛度降低，增加了后期的下撓。

根據現有文獻可知，水灰比越大的混凝土由于其水分多，結構較松散，導致后期收縮徐變增大，現實過程中為了施工的便捷高效，往往采用高水灰比的的混凝土；外加劑對混凝土凝膠體的密實度易造成不利的影響，很多橋梁存在外加劑使用不當的問題。澆筑過程中充分的振搗會使得混凝土水化程度得到有效地提高，混凝土會更加密實。但是由于施工條件以及施工進度的原因，施工單位常常很好地做到這一點。

三、跨中下撓主動控制方法[5-7]

（一）設計優良結構體系。

恒載是預應力連續剛構橋跨中下撓的重要原因。因此選擇鋼-混凝土組合結構，可顯著的減輕自重、增加預應力效應，成為突破并優化混凝土連續剛構體系最有效的技術方案，建議主跨大于200米的連續剛構橋均考慮采用組合結構。

組合結構有多種結構形式可以選擇。混凝土梁除了與鋼箱梁組合外，還可以采用桁架梁或桁架腹板梁、鋼混疊合梁及波形鋼腹板梁等適宜的形式。選用時，應結合加工、運輸、安裝及養護等方面優化比較。

組合結構的長度，須根據結構受力最佳、技術難度較小及節省投資等方面綜合比較。梁體間的連接，既可采用成橋為簡支掛孔的方式也可與混凝土結構永久性連接。采用永久性連接時，接頭位置以選取受彎曲效應較小的位置為佳。

（二）混凝土質量控制。

預應力連續剛構橋同一聯的主梁所采用的混凝土應保證性能與施工方式基本相同。用于橋梁建設的混凝土材料不僅需要滿足強度方面的要求，還需滿足耐久性以及收縮徐變的要求。施工單位應根據混凝土材料來源以及現場施工環境，進行混凝土性能測試試驗，掌握實際性能。主梁各個截面的尺寸誤差應該得到有效的控制，各節段重量誤差應控制在3%的范圍內。主梁零號塊與其余節段的施工間隔不應該過長。如遇特殊情況豎向可分次澆注，第一次澆注的腹板高度應控制在腹板高度的0.3到0.6倍范圍內，應盡量避免在截面形心軸附近設施工縫。第二次澆注的間隔時間，應盡可能不大于6天，以避免新舊混凝土的收縮差導致腹板出現裂縫。應根據施工環境與特殊情況，做好混凝土的養護措施，防止混凝土出現早期收縮開裂現象。水灰比應該設置上限，并進行系統的管理，同時在澆筑過程中進行充分的振搗。

（三）預應力張拉控制。

混凝土強度達到設計要求的強度且混凝土齡期不少于7天后，方能張拉鋼束。張拉鋼束應采用張拉力和伸長量雙控。應進行現場張拉工藝試驗，確定預應力鋼束張拉初應力、超張拉值、各次張拉噸位及持荷時間等指標。預應力鋼束和精軋螺紋鋼筋張拉完畢，嚴禁碰撞錨頭和鋼束（筋），鋼絞線和精軋螺紋鋼筋多余的長度應用砂輪切割機切除，嚴禁燒焊切除。錨具要成套定貨（包括錨下螺旋鋼筋），不得用承包商自制的任何構件取代成套錨具的任一部分，錨具的所有構件必須經過嚴格的質量檢驗。預應力孔道灌漿一般應采用真空輔助壓漿技術，嚴格控制飽滿度，確保壓漿飽滿；真空輔助壓漿的工藝應進行現場試驗，制定工藝操作流程；預應力鋼束封錨前應認真清理錨頭槽孔，涂抹阻銹劑，用環氧砂漿涂抹錨頭，并采用低收縮混凝土澆注密實。鼓勵推廣應用預應力數控張拉技術和可重復補張拉的預應力筋體系等新技術和新工藝。

（四）重視后期運營維護。

應對預應力連續剛構橋進行日常巡查、定期檢查、專項檢查，建立橋梁檔案，每次檢測進行結果比對，并預測橋梁性能的發展情況。應充分考慮到預應力連續剛構橋營運階段的實際受力以及環境，在恒載、活載以及環境的共同作用下，其強度和剛度會隨著時間的增加而降低，這不僅會影響安全行車，更會使橋梁的使用壽命縮短。因此應該建立和發展一個健康監測系統，利用現代化的診斷量測手段，通過對大橋關鍵部位的空間位置、力學性能及其變化的長期和定期監測、分析，長期積累數據，用來監測和評估大橋在運營期間其結構的承載能力、運營狀態和耐久能力。

四、結語

隨著預應力混凝土連續剛構橋運營時間的增長，梁體跨中出現下撓并伴有裂縫產生成為一種普遍現象，對橋梁使用性能和結構安全產生不利影響，已成為此類橋梁發展的嚴重障礙。本文分析了不同因素對大跨度預應力混凝土橋梁下撓的影響，同時提出了相應的控制手段，對于預應力混凝土連續剛構橋橋梁設計、施工、長期撓度預測以及安全評價具有一定的指導意義。

預應力混凝土連續剛構橋下撓機理復雜，限于目前對混凝土徐變收縮規律認識的不足，應對大跨度預應力混凝土梁橋的撓度變化作長期觀測，積累實際數據，以逐步修正實際情況與試驗的差別。同時，目前對下撓與開裂間相互作用的關系以及橋梁使用階段實際預應力損失特性的認識還不夠明確，有待進一步深入研究。

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[7]李俊.大跨度預應力混凝土連續剛構橋裂縫研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2007.

作者簡介：李茂盛（1984-），男，重慶人，主要從事橋梁檢測與評估工作。