大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)吓c裂縫分析與研究

姚國(guó)豪

（鄭州市公路管理局 河南，鄭州市 450052）

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋以其結(jié)構(gòu)剛度大、行車(chē)平順性好、外形簡(jiǎn)潔大方和養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是大跨徑橋梁建設(shè)常用的橋型之一。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)修建的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋相繼出現(xiàn)了主梁跨中下?lián)稀⑾淞毫后w裂縫等病害，橋梁工程界一直在分析探討主梁下?lián)稀⑾淞毫芽p等病害的成因，而且也在不斷探尋解決主梁下?lián)稀⑾淞毫芽p等病害的方法[1]。從理論上講，連續(xù)剛構(gòu)橋在主梁設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)滿(mǎn)足了規(guī)范的相關(guān)要求，為何橋梁運(yùn)營(yíng)階段中不斷出現(xiàn)主梁跨中下?lián)虾透鞣N裂縫等現(xiàn)象，甚至有些下?lián)虾土芽p還危及橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用功能。因此分析連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)稀⑾淞毫芽p成因，并改進(jìn)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)理念，從預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，尋求減少下?lián)虾土芽p的方法變得尤為重要。

2 連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)常見(jiàn)病害及成因

2.1 剛構(gòu)跨中下?lián)铣梢?/h3>

大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)显虮容^復(fù)雜通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外多座連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)蠁?wèn)題的分析[2]，可總結(jié)出連續(xù)剛構(gòu)橋主梁跨中下?lián)系娜缦轮饕颍?/p>

（1）大跨度剛構(gòu)橋梁均采用高強(qiáng)混凝土，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中對(duì)高強(qiáng)混凝土的收縮、徐變分析及長(zhǎng)期作用下的估算不足，由此造成剛構(gòu)主梁下?lián)稀?/p>

（2）連續(xù)剛構(gòu)橋的縱向預(yù)應(yīng)力鋼束隨著跨度的增長(zhǎng)其長(zhǎng)度也在不斷增加，這樣便加大了縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的損失，其中影響較為顯著的便是摩阻損失。影響摩阻損失的主要因素分別是：孔道彎曲、孔道偏差。我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)對(duì)孔道摩擦系數(shù)u和孔道偏差系數(shù) K 的取值相對(duì)較低，并且橋梁在施工過(guò)程將導(dǎo)致孔道摩擦系數(shù) u 和孔道偏差系數(shù) K 的實(shí)際值變大，這就導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失估算不足，致使縱向預(yù)應(yīng)力有效性大大降低。而主梁預(yù)應(yīng)力有效性的降低導(dǎo)致主梁正彎矩區(qū)域的底板縱向應(yīng)力鋼束和主梁負(fù)彎矩區(qū)域的頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的有效應(yīng)力降低，從而導(dǎo)致連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)稀?/p>

（3）在橋梁施工過(guò)程中，施工單位為了提高施工的速度，便人為縮短施工周期：在混凝土還沒(méi)有達(dá)到一定強(qiáng)度要求時(shí)，便張拉預(yù)應(yīng)力鋼束或者增加其荷載，從而增大了施工階段中的彈性撓度，而且也造成了混凝土徐變撓度的增大。施工過(guò)程中若沒(méi)有固定好預(yù)應(yīng)力鋼束的管道或者在灌漿中預(yù)應(yīng)力鋼束管道發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，便會(huì)造成設(shè)計(jì)計(jì)算值的誤差增大，而且管道的彎曲也會(huì)增加預(yù)應(yīng)力鋼束的損失。如果施工過(guò)程中損壞了預(yù)應(yīng)力鋼束管道，在灌漿過(guò)程中將導(dǎo)致混凝土漏漿，使得預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)壁粗糙，致使預(yù)應(yīng)力鋼柬?yè)p失的增加。以上分析的因素也間接導(dǎo)致了目前大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁長(zhǎng)期下?lián)稀?/p>

（4）連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫是一種比較常見(jiàn)的病害，具體分析可見(jiàn)下文所述。箱梁一旦發(fā)生了比較嚴(yán)重的開(kāi)裂，便將導(dǎo)致主梁梁體的剛度降低，最終造成主梁梁體的撓度增大。隨著梁體裂縫的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、裂縫數(shù)目的增加、裂縫寬度和長(zhǎng)度的變化，主梁的剛度將不斷減小，從而將導(dǎo)致主梁的下?lián)喜粩嘣龃蟆?/p>

2.2 剛構(gòu)箱梁裂縫

連續(xù)剛構(gòu)橋的箱梁裂縫除了有上述危害之外，還對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有其他影響和破壞，而且箱梁裂縫的成因分析對(duì)改進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)計(jì)理念和配束方法有著重要的意義。連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的裂縫從不同的角度有著不同的分類(lèi)方法，目前大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁出現(xiàn)的主要裂縫及其成因分析如下所述。

2.2.1 剪切裂縫

剪切裂縫，即斜裂縫，最先出現(xiàn)在箱梁剪應(yīng)力最大的部位[3]。一般墩頂截面和梁端附近出現(xiàn)剪切裂縫的幾率很大，其沿中性軸呈 30°-45°發(fā)生。剪切裂縫主要是由主拉應(yīng)力引起的，對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)的剪切破壞危害極大，不可忽視。

剪切裂縫必然發(fā)生在剪切破壞的部位，一般剪切破壞分三種形態(tài)，即斜拉破壞、剪壓破壞、斜壓破壞。斜拉破壞是脆性破壞，設(shè)計(jì)中需要特別注意；斜壓破壞相比斜拉破壞要好些，但是破壞前也無(wú)明顯征兆；剪壓破壞相比前兩者而言稍微好些，其破壞不是突然發(fā)生的，但也應(yīng)該加以考慮。

相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抵抗剪切破壞的能力較強(qiáng)，因其預(yù)應(yīng)力可以抵消部分主拉應(yīng)力，可以推遲斜裂縫的發(fā)生和發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件中，只要能合理配置預(yù)應(yīng)力鋼束，則可以控制主拉應(yīng)力，使主拉應(yīng)力低于混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而遏制斜裂縫的發(fā)生。

2.2.2 腹板裂縫

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁腹板裂縫，一般有以下幾種形式[4]：主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫、邊跨梁端腹板斜裂縫、豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫等。

1) 主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫，主要分布在距梁端和墩中心線 L/4 附近的腹板上，與縱橋向中性軸呈 45 度左右的夾角，距墩中心線 L／4 附近的腹板上剪應(yīng)力過(guò)大，使得此處的腹板抗剪能力不足，抗主拉應(yīng)力的安全儲(chǔ)備考慮不全，造成了此處發(fā)生主拉應(yīng)力引起的腹板斜裂縫。梁端變低會(huì)導(dǎo)致豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的長(zhǎng)度變短，將會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失，如果豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，那么將會(huì)造成腹板的主拉應(yīng)力降低，導(dǎo)致箱梁腹板出現(xiàn)斜裂縫。

2) 邊跨梁端腹板斜裂縫

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨梁端的受力比較復(fù)雜，此處又是項(xiàng)、底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的集中錨固區(qū)，很容易發(fā)生應(yīng)力集中引起的局部蠕變，從而引起各種各樣的裂縫。因邊跨梁端的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束比較短，預(yù)應(yīng)力損失存在很多無(wú)法考慮周全的因素，一旦豎向預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，將造成梁端腹板發(fā)生主拉應(yīng)力裂縫。如果此處的彎起束和下彎束配置得不是很合理，也相當(dāng)容易造成腹板斜裂縫。

3) 豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫

豎向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力作用下的腹板水平和斜向組合裂縫，一般位于邊跨梁端和中跨

L／4 至 3L／4 范圍內(nèi)，水平裂縫沿腹板上緣，斜向裂縫與縱橋向水平線呈大約 45°夾角。這類(lèi)裂縫產(chǎn)生的原因是腹板豎向正應(yīng)力和腹板主拉應(yīng)力共同作用導(dǎo)致。

3 結(jié)論

綜合考慮，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)中，可以先采用平面分析法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，再采用空間分析法分析梁體重要局部、某些受力復(fù)雜的部位、實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題的部位等，比如 O 號(hào)塊、錨固端、鋸齒塊局部、邊跨梁端附近截面、L／4 跨附近截面等。采用這樣的設(shè)計(jì)理念，既能考慮到連續(xù)剛構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)的整理受力和一般力學(xué)特性，而且也能詳細(xì)分析到實(shí)際工程中出現(xiàn)問(wèn)題的局部受力情況。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，這樣的設(shè)計(jì)方法是可行的，而且也能夠很好地解決目前連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁裂縫的問(wèn)題，是比較合適的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)為了從一定程度上防止主梁下?lián)虾土后w裂縫的發(fā)生，可增加縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的配置量，從而提高預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備，并且需設(shè)置一定量的備用束等。

[1]楊高中.連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展[J].公路，第6期，1998.

[2]周軍生.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2000.

[3]馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京：人民交通出版社.2001.

[4]范立礎(chǔ).橋梁工程(上冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，1996年第二版