大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)铣梢驕\析

曾輝

特別進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)在我國(guó)發(fā)展迅速，形勢(shì)喜人。但是隨著橋跨的增大，連續(xù)剛構(gòu)橋在使用過(guò)程中的問(wèn)題也凸顯出來(lái)，其中之一就是隨著使用年限的增加，連續(xù)剛構(gòu)的跨中不斷下?lián)希@會(huì)使橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)出現(xiàn)不良線形而引起乘客的不舒適感，甚至危及行車(chē)安全。所以跨中下?lián)蠁?wèn)題也成了連續(xù)剛構(gòu)這種橋型建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中厄待解決的問(wèn)題。

國(guó)外，如帕勞共和國(guó)的科羅爾.巴島（Koror-Babeldaob）橋是一座跨中帶鉸的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨度組合為72+241+72m，是當(dāng)時(shí)世界上同類(lèi)橋梁中跨度最大者。1978年建成通車(chē)，通車(chē)后不久就產(chǎn)生了較大的撓度，到1990年，其撓度達(dá)到了1.2m。后來(lái)采用體外索施加預(yù)應(yīng)力，使主跨中央撓度減小。1996年7月加固結(jié)束，加固結(jié)束處理后不到三個(gè)月就發(fā)生了倒塌事故。美國(guó)1979年竣工的鸚鵡渡口橋（Parrotts Ferry Bridge）,跨徑不止為99+195+99，上部結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)混凝土建造。該橋在使用12后，主跨跨中下?lián)狭?3.5cm。

國(guó)內(nèi)，拿過(guò)魯班獎(jiǎng)的９７年成橋的虎門(mén)大橋連續(xù)剛構(gòu)也已經(jīng)出現(xiàn)了２６ｃｍ的下?lián)稀６疫€沒(méi)有停止。

大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)系脑颍笾驴煞譃樵O(shè)計(jì)方面的原因，施工方面的原因，運(yùn)營(yíng)期間的原因，現(xiàn)分述如下：

一、設(shè)計(jì)方面的原因

設(shè)計(jì)是基于成橋狀態(tài)，而施工能滿足這一條件的只有滿堂支架的小跨徑連續(xù)梁了！跨徑變大，施工必然采用懸臂澆筑或者拼裝，施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)了最大的不平衡彎矩（懸臂梁與設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)之間的差值）。而這個(gè)不平衡力在合龍后并沒(méi)有消除，利用虛功原理，這種不平衡力必然引起后期的下?lián)希黄胶饬υ酱髶隙仍酱螅《鴥H僅通過(guò)線形控制達(dá)到設(shè)計(jì)線形是不能消除這個(gè)影響的！

因此，設(shè)計(jì)必須與施工過(guò)程相聯(lián)系。

1.1計(jì)算模式存在問(wèn)題，有待進(jìn)一步改進(jìn)

通常連續(xù)箱梁和連續(xù)剛構(gòu)橋梁的計(jì)算模式是：橋梁收縮徐變完成后的恒載＋活載＋溫度等組合產(chǎn)生的應(yīng)力來(lái)控制設(shè)計(jì)，實(shí)際上某些截面的應(yīng)力值不是由收縮徐變完成時(shí)的各項(xiàng)應(yīng)力值之和控制，結(jié)構(gòu)計(jì)算未能采用應(yīng)力包絡(luò)方式進(jìn)行驗(yàn)算，不能保證橋梁節(jié)段施工、合龍后、加載二期恒載、活載、收縮徐變、溫度等各個(gè)階段及其組合計(jì)算出的最大應(yīng)力值均控制在合理的范圍內(nèi)。另一方面，設(shè)計(jì)通常忽略了恒載作用下箱梁上、下截面的應(yīng)力水平差問(wèn)題，沒(méi)有采取有效措施減少截面上下緣應(yīng)力差。由于梁截面頂部和根部應(yīng)力水平相差較大，應(yīng)力作用下的徐變效應(yīng)也有所不同，在支座附近截面，箱梁底部的應(yīng)力水平要明顯高于頂部，相應(yīng)的產(chǎn)生的徐變效應(yīng)亦大于頂部，從而帶到箱梁產(chǎn)生下?lián)稀?/p>

1.2 箱梁溫度應(yīng)力考慮不足，導(dǎo)致局部出現(xiàn)開(kāi)裂

箱梁非線性溫差對(duì)箱梁應(yīng)力影響很大，很多橋梁由于非線性溫差取值偏小而引起應(yīng)力儲(chǔ)備不足，導(dǎo)致箱梁開(kāi)裂。以前的設(shè)計(jì)在考慮非線性溫度時(shí)，由于橋規(guī)中未作具體規(guī)定，因而很多采用T梁的計(jì)算模式取為5度，但實(shí)踐表明，采用T梁計(jì)算模式的溫度取值遠(yuǎn)較實(shí)際的非線性溫差小。以西攀高速公路金江金沙江大橋主跨275米方案為例，以跨中下緣拉應(yīng)力為控制指標(biāo)，通過(guò)對(duì)美國(guó)、英國(guó)BS5400、新西蘭、新鐵規(guī)的比較，發(fā)現(xiàn)不同國(guó)家規(guī)范對(duì)跨中梁高的要求是不同的，我國(guó)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-85)是采用矩形溫差模型，而2004版規(guī)范改進(jìn)了溫差模型，采用三角形分布，經(jīng)虎門(mén)輔航道連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土箱梁的溫度監(jiān)測(cè)表明，溫度分布或溫度梯度分布曲線呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn), 由頂板的較大值開(kāi)始迅速衰減，到腹板的中下部，溫度數(shù)值最低，溫差接近為0；由底板上緣附近開(kāi)始，溫度逐漸升高, 溫差逐漸增大。經(jīng)空間有限元計(jì)算比較表明，箱梁的變形和應(yīng)力對(duì)溫度梯度模式較為敏感。溫度荷載在主梁下緣引起拉應(yīng)力，它與混凝土張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的二次應(yīng)力相組合，將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，以138.17 m + 268m + 138.17 m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋?yàn)槔砻髦髁阂鸬膹澗刂稻咏踔脸^(guò)了活載作用時(shí)的最大彎矩值，有的部位甚至數(shù)倍于活載作用的最大彎矩值。從而降低主梁截面的抗裂性 [2]。另外我國(guó)鐵道部從20世紀(jì)70年代未至80年代中期對(duì)多座鐵路橋梁的溫度應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，表明溫差分布是與新西蘭規(guī)范類(lèi)似的多次拋物線模式，我國(guó)現(xiàn)行橋規(guī)仍偏于簡(jiǎn)單化，計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

與此同時(shí)，箱梁頂板和底板溫度與環(huán)境溫度存在一定滯后。在下午雖然箱梁溫度達(dá)到最高，但由于滯后的原因撓度相對(duì)增加較小，而晚間的撓度反而增加；由于連續(xù)箱梁撓度與梁體剛度密切相關(guān)，支座附近梁體較高，剛度較大，跨中剛度較小，相對(duì)較柔，梁頂溫度升高導(dǎo)致跨中產(chǎn)生向下的撓度，類(lèi)似于跨中存在一個(gè)鉸。梁頂溫度升高后，撓度曲線表明跨中截面承受正彎矩，梁底板受拉。頂、底板溫差越大，梁體冗余彎矩越大。估計(jì)在溫度變化下如果產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)了預(yù)壓應(yīng)力，在梁底就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)，從而降低了混凝土壽命期內(nèi)抗拉能力。

1.3剪切變形及剪力滯效應(yīng)考慮不足

我國(guó)現(xiàn)行橋規(guī)與國(guó)外設(shè)計(jì)規(guī)范相比是偏于不安全的，難以充分考慮斜截面的抗剪能力。而且連續(xù)箱梁和剛構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)一般采用梁?jiǎn)卧瑹o(wú)法考慮剪力效應(yīng)。但由于箱梁腹板相對(duì)較簿，所以箱梁腹板剪應(yīng)變很敏感。軸向力首先產(chǎn)生在腹板，然后隨著剪力滯效應(yīng)，底板產(chǎn)生剪應(yīng)變（變形）。對(duì)于較寬的橫斷面，剪力滯效應(yīng)顯著而不能忽略。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用有效寬度概念，考慮剪力滯效應(yīng)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，荷載和預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的剪力滯有所區(qū)別。直線型預(yù)應(yīng)力筋等不產(chǎn)生剪力，因此不產(chǎn)生剪力滯效應(yīng)，所以有效寬度的方法使用時(shí)需要注意到預(yù)應(yīng)力梁真正的力學(xué)行為。通過(guò)以下三種情況的計(jì)算分析：1、僅考慮彎矩作用，不考論剪應(yīng)變及剪力滯；2、考慮彎矩作用及腹板的剪應(yīng)變，不考慮剪力滯；3、彎矩作用、剪應(yīng)變及剪力滯均考慮。結(jié)果表明，建設(shè)期考慮剪力效應(yīng)，自由端建成405天（建設(shè)期）到合攏前第685天間撓度大于不考慮剪應(yīng)力效應(yīng)約24%；考慮剪應(yīng)力效應(yīng)情況下，25年期跨中撓度增加量比不考慮時(shí)多56%。

1.4縱向預(yù)應(yīng)力損失考慮不足，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力水平降低

由于理論計(jì)算模式和計(jì)算結(jié)果往往與工程實(shí)際情況存在差異，加上一些在設(shè)計(jì)時(shí)難以計(jì)入的因素，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有必要考慮結(jié)構(gòu)各個(gè)截面的應(yīng)力要有一定的安全儲(chǔ)備，即對(duì)使用荷載作用下截面的正應(yīng)力和混凝土主拉應(yīng)力，提供一定的應(yīng)力儲(chǔ)備，以便在設(shè)計(jì)上帶來(lái)可靠保證。

通過(guò)對(duì)黃石長(zhǎng)江大橋箱梁裂縫和主跨下?lián)铣梢蚍治霭l(fā)現(xiàn)，主梁正彎矩和負(fù)玩矩區(qū)頂板總向預(yù)應(yīng)力有效性的降低都會(huì)使主梁跨中產(chǎn)生下?lián)希?dāng)?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力有效性降低30%時(shí)，主梁跨中將增加53mm的下?lián)希敯鍛冶凼┕な?0%時(shí)，次邊跨跨中下?lián)狭吭黾?33mm，中跨跨中下?lián)狭吭黾?37mm。

1.5 高估混凝土的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全儲(chǔ)備不足

在我國(guó)橋規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范中，混凝土拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，但事實(shí)上，我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)同普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，在受彎構(gòu)件正截面強(qiáng)度有足夠保證的情況下，仍有可能沿斜截面破壞。在斜截面破壞前，總會(huì)先出現(xiàn)由彎短和剪力引起的主拉應(yīng)力斜裂縫。由于預(yù)應(yīng)力的存在，特別在縱向和豎向預(yù)應(yīng)力的共同作用下，箱梁內(nèi)的主拉應(yīng)力大大降低，從而使得斜截面的抗裂性比普通鋼筋混凝土好。在合理進(jìn)行縱向預(yù)應(yīng)力鋼來(lái)布置和豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)的情況下，可以把使用荷載作用下的主拉應(yīng)力控制在小于規(guī)范規(guī)定的混凝土抗拉強(qiáng)度（主拉應(yīng)力）范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斜裂縫，其承載能力將會(huì)降低，甚至?xí)蝗黄茐摹Ｍㄟ^(guò)主拉應(yīng)力的敏感性分析得知，若不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束或者豎向預(yù)應(yīng)力失效，則必須加大腹板厚度尺寸，重新設(shè)計(jì)。若豎向預(yù)應(yīng)力只考慮50％的效果時(shí)，計(jì)算所得的主拉應(yīng)力仍會(huì)出現(xiàn)大于規(guī)范規(guī)定值的情況。

如果橋梁成橋后各截面存在正（負(fù)）彎矩Mg，在若干年后混凝土所發(fā)生的徐變也必然沿著已留有的轉(zhuǎn)角方向發(fā)生應(yīng)變，即產(chǎn)生徐變撓度。有意識(shí)的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力索所產(chǎn)生的彎矩MT與恒載Mg相反，使連續(xù)梁各個(gè)截面轉(zhuǎn)角也為零θ≈0。這樣就使若干年所產(chǎn)生的砼徐變僅發(fā)生軸向縮短而不發(fā)生下?lián)稀Ｒ话阍O(shè)計(jì)都將梁體的自重?fù)隙萬(wàn)g反方向預(yù)抬高，即通過(guò)調(diào)整模板，能在外形上做到了合攏時(shí)跨中梁截面標(biāo)高與設(shè)計(jì)相符。這種做法沒(méi)有解決力的平衡問(wèn)題，在連續(xù)梁內(nèi)部仍然存在彎矩，這些彎矩產(chǎn)生的梁體轉(zhuǎn)角也沒(méi)有消除，所以隨著時(shí)間增長(zhǎng)砼發(fā)生徐變后，梁體將沿著原來(lái)存在的轉(zhuǎn)角也沒(méi)有消除，所以隨著時(shí)間增長(zhǎng)砼發(fā)生徐變后，梁體將沿著原來(lái)存在的轉(zhuǎn)角方向發(fā)生下?lián)稀Ｒ虼苏f(shuō)撓度抬高方法實(shí)質(zhì)上沒(méi)有解決梁體砼徐變發(fā)生轉(zhuǎn)角下?lián)系膯?wèn)題。

當(dāng)然徐變并不是造成下?lián)系娜吭颍熳兪侵陵P(guān)重要的因素，好多問(wèn)題多是圍繞徐變產(chǎn)生的：比如，加載齡期過(guò)早；頂板預(yù)應(yīng)力損失；公路橋梁規(guī)范的計(jì)算徐變結(jié)果偏小等等。

二、施工方面的原因

彈性模量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最終造成預(yù)應(yīng)力損失必然會(huì)導(dǎo)致后期跨中撓度的下沉量較大！

其次，從施工的角度分析，縱向預(yù)應(yīng)力筋雖然采用低松弛鋼絞線，但畢竟是有松弛的，時(shí)間長(zhǎng)了以后除了混凝土徐變外，預(yù)應(yīng)力束發(fā)生松弛現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。另外在進(jìn)行豎向預(yù)應(yīng)力筋通常使用精軋螺紋粗鋼筋，而精軋螺紋粗鋼筋張拉過(guò)程中由于拉伸值較小，作為我們施工來(lái)說(shuō)是采用百分表來(lái)檢測(cè)其伸長(zhǎng)值，但是在錨固時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生一部分應(yīng)力損失。因此，豎向預(yù)應(yīng)力筋也同樣具有松弛導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失的情況發(fā)生。縱向和豎向預(yù)應(yīng)力損失的出現(xiàn)必然會(huì)導(dǎo)致后期跨中撓度不斷增加。

三、運(yùn)營(yíng)期間的原因

隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路交通量明顯加大，超載、超速現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。由于長(zhǎng)期處于繁忙的超負(fù)荷營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，加劇了下?lián)虾土芽p的發(fā)展。

綜上所述，對(duì)于大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)系膯?wèn)題，要更新設(shè)計(jì)理念，精細(xì)施工，加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期間的管理，多方面著手，才能杜絕或減緩大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)稀?/p>