【问题分析及防治第5期】连续刚构桥的病害及其防治

如虎门大桥辅航道桥，为150m+270m+150m3跨的预应力混凝土续刚构桥，1997年建成通车，是当时世界上跨径最大的预应力混凝土连续刚构桥。观测表明，该桥的承台竖直变位和墩顶角位移很小，但是主跨跨中挠度逐年增长，而且尚未停止。2003年11月测量数据表明，和成桥时相比，左幅桥跨中累计下挠达22．2cm，右幅达20．7cm。三门峡黄河公路大桥为跨径布置105m+4×140m+105m、主桥6跨、全长1310．09米的预应力混凝土连续刚构桥，该桥于1993年12月建成。2002年6月对该桥的检查发现，跨中下挠达22cm。

黄石大桥则是一座五跨预应力混凝土连续刚构桥，连续长度达1060m，于1995年建成通车。该桥运营3年后，就发现跨中下挠。在运营7年后检查发现，与成桥时相比，大桥北岸2撑、3撑墩之间的主梁累计下挠达30．5cm，中跨3群墩、4撑墩之间主梁下挠达21．2cm，而南岸次边跨4群墩、5撑墩之间主梁跨中下挠累计已经达到22．6cm。

从虎门大桥辅航道桥其裂缝调查资料中发现，箱梁出现两种裂缝：箱梁腹板出现斜裂缝；在箱梁的1／4L截面、边孔的现浇段、梁腹板厚度变化区段多出现斜裂缝。在1／4L截面附近梁腹板表面出现的斜向裂缝，与顶板大致成20°C的夹角，其方向基本与主拉应力方向垂直。另外，裂缝在结构上的出现呈现一定的对称性，而主桥箱梁腹板的斜向裂缝基本上是由于主拉应力所产生的。跨中附近由于弯曲产生了横向受力裂缝。分布在距跨中左右大约20m的范围内的底板上。

箱梁非线性温差对箱梁应力影响很大，很多桥梁由于非线性温差取值偏小而引起应力储备不足，导致箱梁开裂。以前的设计在考虑非线性温度时，由于桥规中未作具体规定，因而很多采用T梁的计算模式取为5℃，但实践表明，采用T梁计算模式的温度取值远较实际的非线性温差小。通过对美国、英国、新西兰、新桥规的比较，发现不同国家规范对跨中梁高的要求是不同的，我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62．85)是采用矩形温差模型，而2004版规范改进了温差模型，采用三角形分布，经虎门辅航道连续刚构桥混凝土箱梁的温度监测表明，温度分布或温度梯度分布曲线呈现非线性的特点，由顶板的较大值开始迅速衰减，到腹板的中下部，温度数值最低，温差接近为0；由底板上缘附近开始，温度逐渐升高，温差逐渐增大。经空间有限元计算比较表明，箱梁的变形和应力对温度梯度模式较为敏感。温度荷载在主梁下缘引起拉应力，它与混凝土张拉预应力筋引起的二次应力相组合，将产生较大的拉应力。另外我国铁道部从20世纪70年代未至80年代中期对多座铁路桥梁的温度应力进行了实测，表明温差分布是与新西兰规范类似的多次抛物线模式，我国现行桥规仍偏于简单化，计算结果偏于不安全。

与此同时，箱梁顶板和底板温度与环境温度存在一定滞后。在下午虽然箱梁温度达到最高，但由于滞后的原因挠度相对增加较小，而晚间的挠度反而增加；由于连续箱梁挠度与梁体刚度密切相关，支点附近梁体较高，刚度较大，跨中刚度较小，相对较柔，梁顶温度升高导致跨中产生向下的挠度，类似于跨中存在一个铰。梁顶温度升高后，挠度曲线表明跨中截面承受正弯矩，梁底板受拉。顶、底板温差越大，梁体冗余弯矩越大。估计在温度变化下如果产生的拉应力超过了预压应力，在梁底就会产生拉应力状态，经过多次循环，从而降低了混凝土寿命期内抗拉能力。

我国现行桥规与国外设计规范相比是偏于不安全的，难以充分考虑斜截面的抗剪能力。而且连续箱梁和刚构设计分析时一般采用梁单元，无法考虑剪力效应。但由于箱梁腹板相对较簿，所以箱梁腹板剪应变很敏感。轴向力首先产生在腹板，然后随着剪力滞效应，底板产生剪应变(变形)。对于较宽的横断面，剪力滞效应显著而不能忽略。而钢筋混凝土结构设计时，运用有效宽度概念，考虑剪力滞效应。对于预应力结构，荷载和预应力产生的剪力滞有所区别。直线型预应力筋等不产生剪力，因此不产生剪力滞效应，所以有效宽度的方法使用时需要注意到预应力梁真正的力学行为。通过以下三种情况：1、仅考虑弯矩作用，不考论剪应变及剪力滞作用；2、考虑弯矩作用及腹板的剪应变，不考虑剪力滞作用；3、弯矩作用、剪应变及剪力滞均考虑。

对混凝土徐变收缩认识的不清从而直接导致了预应力作用可靠性的降低。另外，现有的大量资料分析也表明， 规范中的μK值要纵向预应力束的实测μK值小于7。而预应力损失将减小结构刚度，预应力参数值的误差加剧了主梁下挠病害的产生。高估混凝土力学性能，结构设计安全储备不足。在我国桥规设计规范中，混凝土拉应力和压应力作为设计控制指标，但事实上，我国预应力混凝土结构同普通钢筋混凝土结构一样，在受弯构件正截面强度有足够保证的情况下，仍有可能沿斜截面破坏。在斜截面破坏前，总会先出现由弯矩和剪力引起的主拉应力斜裂缝。由于预应力的存在，特别在纵向和竖向预应力共同作用，箱梁内的主拉应力大大降低，从而使得斜截面的抗裂性比普通钢筋混凝土好。在合理进行纵向预应力钢来布置和竖向预应力钢筋设计的情况下，可以把使用荷载作用下的主拉应力控制在小于规范规定的混凝土抗拉强度(主拉应力)范围内。结构出现斜裂缝，其承载能力将会降低，甚至会突然破坏。通过主拉应力的敏感性分析得知，若不设置竖向预应力钢束或者竖向预应力失效，则必须加大腹板厚度尺寸，重新设计。若竖向预应力只考虑50％的效果时，计算所得的主拉应力仍会出现大于规范规定值的情况。

施工单位往往希望可以缩短施工周期，而在一些设计图纸上往往仅标明，混凝土强度达到设计要求强度的多大百分比后，即对预应力进行张拉，并没有对混凝土的加载龄期提出要求。往往过早加载，可能引起两个后果：

①由于早期混凝土弹性模量的增长滞后于强度的增长，导致混凝土虽达到规定强度要求，但其弹性模量却仅达到设计值70％更小些。以至于在预应力弯矩不能完全抵消自重弯矩时，使施工阶段弹性下挠值增大。

②早期加载，增大了混凝土徐变。通过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》混凝土徐变系数终极值得，7天加载徐变系数终极值比3天加载增加15％，甚至20％。而由于预应力的徐变损失是随时间而逐步完成的，因此梁桥在建成后，还有因预应力徐变损失而导致恒载挠度的存在。

超载现象导致了桥梁自重超过设计值。实际浇筑的混凝土量远远大于设计值。等于直接增加桥梁的荷载，直接影响主梁的跨中下挠。而车辆超载，对是过度下挠的一大因素，尤其在超载车塞车情况下，设计中没有考虑到的这一活载状态，使运营状态中的实际应力超出设计值。

①对预应力损失试验重视不够，如预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失，比设计采用值大很多，甚至有的差几倍。忽视了这点，就无法对施工进行调整，这样便会导致有效预应力不足，下挠增大。

②在对预应力管道进行压浆时，不饱满、有空隙、浆体离析。尤其是浆体离析，往往导致上凸的底板预应力束跨中部分泡在水中，不但易锈蚀而且减小乐有效面积，使有效预应力不足。实际的一些桥梁中也发现，在管道中流出了带铁锈的黄水。

为出现最多的梁体裂缝。主要出现在支座附近，与梁轴线呈25"-'50。，主要是由于此处的剪应力最大，并随时间推移，向受压区发展。裂缝数也会增加，并向跨中方向发展。另一个特征是箱内腹板斜裂缝要比箱外的严重。对于斜裂缝宽度0．2mm以下，长度宽度和数量已趋稳定不再发展的裂缝，基本属于无害裂缝，无需加固，但要注意观察。而实际大跨径梁桥的工程中所出现的斜裂缝，往往宽度较大、且不断发展，反映出了梁的斜截面强度不足。在设计中，虽然对于梁的主拉应力进行了验算。但是，实践中，还是大量出现，已成为一种主要病害。斜裂缝出现的原因分析如下：

①取消弯起束。为了简化施工而用纵向预应力和竖向预应力来克服主拉应力，上世纪90年代开始，较普遍地取消弯起束的设计方案。这种做法可以减薄腹板的厚度。但是竖向预应力筋长度短且预应力损失大。取消梁端弯起束的设计，梁端部出现大量严重的斜裂缝。后来发现，在很多梁桥的主墩附近的梁体上也出现了大量的斜裂缝，因此取消弯起束是不妥当的，又重新回到设弯起束的正确轨道上来。为此付出了一定的代价。

②现在设计中，通常作为平面问题，从纵向和竖向二维来分析主拉应力，主拉应力偏小。

这是因为没有考虑横向的影响。而箱梁中得横向应力是不小的。箱底板、上翼缘的悬臂，腹板内侧都将由于自重的原因受到横向拉应力，因此，箱内腹板斜裂缝比箱外腹板严重。另外，活载、温度梯度都会使箱承受横向应力。并且，张拉底板束时所引起的径向力会在某些范围内使腹板产生竖向拉应力。如果不考虑这种影响，定会使计算的主拉应力值偏小。还有由于箱形截面的扭转、翘曲、畸变等，也会使腹板中的剪应力加大，增大了主拉应力。因此，按三维进行分析就会比较准确。以往大跨径梁桥出现较多斜裂缝，重要原因之一可能与设计上对主拉应力估计不足有关。

③腹板特别是根部腹板偏薄，配置普通钢筋也比较少。

④施工操作不当，促使有效预应力的严重不足，甚至有的竖向预应力筋已经松动，根本没有张拉力。

⑤个别桥梁悬臂施工时，往往盲目抢时间，施工质量比较差，在混凝土初凝时间还小于节段所浇注得时间的情况下，既不对挂篮压重，又自内向外浇着注混凝土，导致了挂篮下挠，节段界面上缘的开裂。也造成了造成新桥就需要进行需压浆和修补裂缝，在通车后出现的严重斜裂缝。按现有裂缝验算，剪应力增大5～8倍，导致主拉应力的成倍增长，因而出现斜裂缝。

①超载现象。大跨径桥梁中，超载特别是超重车轴荷载的作用，对于横向的影响要比纵向更大，这是因为横向弯矩，主要受活载的影响，轴重过大，很易出现顶板下缘的纵向裂缝。

③温差应力值估计过小。过去的桥梁设计规范中，对与温差应力，仅仅规定了翼缘与梁体的其他部位有5。C的温差。这样的温差偏小，是不安全的。通过国内外的研究，温差应力对于箱梁来讲，可以接近甚至达到活载应力。现行《公路桥涵通用设计规范》中已规定了比过去大得多的温度梯度。这个问题可望得到解决。

④收缩裂缝。连续刚构桥的双壁墩身建成后很长时间，才建墩上梁0号块。这是墩身横向收缩已大部分完成，但0号块横向收缩受到墩身约束，致使底板中部出现裂缝。而0号块建成后很长时间后，再建1号块，也因收缩差出现纵向裂缝。因此，节段浇注混凝土的时间间隔不宜过长，截面配筋也要考虑收缩影响。

⑤在较薄的顶板中布置横向预应力束和普通钢筋，对预应力筋的位置较难进行精确控制，而一旦偏差较大，将在顶板下缘产生纵向裂缝。

⑧水化热导致的开裂。在悬浇施工底板较厚的梁根部，往往会出现这种现象，尤其当天气较冷时，拆模后即发现底板下缘存在的纵向裂缝。这种裂缝的产生，没有通过任何荷载的作用。而是由于温差所引起的应力(自平衡应力)高于缓慢提高的混凝土抗拉强度从而产生的。底板较厚，混凝土硬化期间产生的水化热，在混凝土板厚中部温度是最高的，而接触空气部分的两侧则稍低，其中接触外界空气的板底温度最低。在平面变形的作用下，就产生了自平衡应力，板的外缘受拉，中部受压，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，就可能引起混凝土开裂，从而出现底板下缘的纵缝。但这种裂缝，往往限于混凝土表面，有害影响比较小，可不处理或加以压浆封闭即可。

大跨径梁桥的设计中，无论是全预应力还是部分预应力A类构件，均不应该出现垂直裂缝。出现垂直的裂缝，则表明正截面强度的不足。

一般是由于预应力设计吨位过大或截面尺寸不合理，锚下混凝土应力过于集中造成的，同时也与施工质量有关。

梁体下挠的同时的开裂，将会导致梁的刚度降低、挠度的加大，尤其在较严重的斜裂缝和垂直裂缝时，下挠更严重。造成裂缝增长的原因非常复杂，连续刚构桥设计时对结构的空间效应考虑不够，导致计算结果与实际情况有出入。近年，直线配筋法在众多连续刚构桥中使用，但是由于各种原因，竖向预应力损失过大，导致梁体截面主拉应力过大，因此使腹板斜裂缝大量增加。大多数桥梁工作者认为，我国现行规范采用的温度计算模式对桥梁结构设计偏于不安全。加上我国幅员辽阔，各个地区的温差差异巨大，更是加大了温差模式的选取难度。温度模式的选取不当，极易造成梁体，特别是支座附近和跨中部位截面开裂。桥梁构造方面的缺陷也是导致梁体开裂的重要原因，连续刚构桥为了适应跨径增大的要求，往往将结构尺寸设计得过小、过于简单，以减轻自重。例如腹板厚度不够，横隔板设置太少，都容易导致梁体开裂。此外箱梁混凝土的局部疲劳也导致裂缝，但是这方面的研究不多，应当引起足够重视。裂缝是由于各种原因联合作用下产生的，设计时应多方面考虑，以保证桥梁结构安全。

对连续刚构下挠的控制，可以从计算、设计、施工等几方面进行考虑：计算上：鉴于跨中下挠往往与垂直裂缝与斜裂缝一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度是首要的。恒载内力一定要按结合实际施工步骤进行，以防止负弯矩计算值偏小。计算中要充分考虑徐变的不利影响。

设计上：要控制梁的恒载挠度在一个较小值。在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的正常使用极限状态中，规定了活载作用下的梁桥挠度不得大于L／600，而对恒载挠度未作规定，认为用预拱度即可解决。从目前大跨径梁桥出现下挠的情况看，这是不够的，极有必要在正常使用极限状态中，补充规定恒载挠度值，在设计中予以执行。此规定值可以从调查现有大跨径梁桥的挠度着手，并从理论上分析下挠与开裂的关系而确定。在此恒载挠度下，梁仅有下挠而不开裂。从目前的认识，可暂按L／1400考虑。徐变终极值要按桥的具体情况计算，不要按一般概念取用，而导致低估徐变挠度。

正像有些钢筋混凝土弯匝道桥，往往是由正常使用极限状态的裂缝宽度控制设计，而不是由强度极限状态控制设计一样；在大跨径梁桥中，也有可能由正常使用极限状态的恒载挠度控制设计，而不是由强度极限状态控制设计，其强度有富裕。为了控制挠度，可适当增加预应力钢筋。在梁根部区段，可使悬臂节段的自重完全由预应力抵消。在跨中区段，必要时也可采取其他措施，来减小梁的弹性挠度。

假设梁的正截面和斜截面强度得到保证，而且恒载挠度控制在一个较小值，不会同时出现下挠与开裂。在这样的前提下，可以设置预拱度，以消除预应力徐变损失以及由混凝土徐变引起的徐变挠度对线形进行调整。

施工上：最终合拢主跨前，在两悬臂端施加水平力对顶，然后合拢。不仅有利于减小跨中控制内力，也有利于减小跨中下挠；适当增加底板合拢束，预留体外备用钢束；加强施工质量管理。混凝土加载龄期至少应在7天以上，采用真空压浆，浆体必须满足泌水性的要求，重视并及早进行工地的预应力损失试验等。

①体外预应力加固。体外预应力束通过转向板转向以确定钢束走向形成析架体系而成为超静定结构，以抵消部分恒载应力，起到卸载作用，降低原结构应力水平，改变原结构内力分布，减少箱梁的跨中弯矩，提高箱梁的正截面抗弯强度、刚度和抗裂性，从而达到较大幅度的提高桥梁的承载能力，减少结构的变形，使其裂缝缩小甚至完全闭合。

②粘贴钢板或碳纤维补强。对混凝土受拉区采取粘贴具有高抗拉性能的碳纤维布的方式或钢板以抵抗受拉区的拉力，提高箱梁底板的抗弯和腹板的抗剪强度。

③混凝土裂缝及缺陷修补。对不会导致钢筋锈蚀的小裂缝直接采取封闭措施进行处理；对可能导致钢筋锈蚀的裂缝则采取压注填缝胶的方式充填裂缝从而封闭裂缝；对一般的混凝土缺陷采取压注环氧砂浆的方式进行混凝土缺陷修补；对较大缺陷的混凝土区域则采取凿除缺陷混凝土并用环氧混凝土修补，确保新旧混凝土间的可靠连接。

④在大桥三向预应力检查基础上，对箱梁底板部分未灌浆的管道进行灌浆，对箱梁顶板横向索外露及原封锚破损的进行规范封锚，避免预应力有效性进一步降低。

⑤减小恒载比重。对大跨度连续刚构而言，恒载在总重量中占有相当大的比重，减小桥跨内桥面的恒载重量诸如变混凝土桥面铺装为沥青混凝土桥面铺装、变混凝土栏杆系为钢质栏杆系、减薄人行道铺装厚度等能有效地减小跨中的下挠量。