大跨徑連續(xù)剛構橋長期下撓分析及加固研究

任 愷

(長安大學公路學院，陜西西安 710064)

近年來隨著我國經濟的增強以及高速交通的迅速發(fā)展，人們對行車時的平順舒適要求進一步提高。連續(xù)剛構橋型具有結構整體性好、抗震能力強、承載力強、橋梁結構簡潔明快、維護方便和便于懸臂施工等優(yōu)點，近年來得到迅速發(fā)展。但是大跨徑連續(xù)剛構橋跨中出現的主梁跨中下撓病害，已經成為此類型橋梁病害的普遍現象，下撓的不斷增大嚴重影響了橋梁的使用壽命以及正常運營。

1 國內連續(xù)剛構橋存在的問題

國內大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構梁橋普遍在投入服役時間不久就出現過大的主梁跨中下撓現象。預應力連續(xù)剛構橋的主梁跨中下撓，不僅導致養(yǎng)護成本大幅上升，對橋梁外觀構成影響，更重要的是造成了橋梁結構的安全性低于設計值。大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋的跨中下撓問題已經成為該橋型的世界性通病，對橋梁結構的耐久性及整體運營的安全性構成巨大威脅。而主梁跨中下撓的主要特征為:1)隨著時間的推移，主梁跨中下撓也不斷增長，顯示出一定的關系;2)跨中下撓的實際值遠大于設計值;3)主梁跨中下撓會進一步造成梁體的開裂，而梁體裂縫的增多，則會使結構剛度降低，加重了跨中下撓，開裂和下撓互相影響耦合，導致惡性循環(huán)。可見，大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋的下撓問題已經對橋梁的安全性造成了極大威脅。

2 大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋下撓的主要原因

大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋的下撓原因比較復雜，影響的因素也較多，目前國內外比較認同的大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋下撓的主要原因歸納起來有以下幾種［1-4］:1)自重。自重是引起長期變形的主要荷載。但是在施工過程中，由于模板變形、找平等一些因素的影響，造成混凝土超方，從而引起自重誤差、自重的增加，將直接導致恒載變形的增大。2)預應力損失。預應力是控制連續(xù)剛構長期變形的主要因素。造成預應力損失的原因很多，而且在實際施工過程中的損失難以通過理論計算精確求出。預應力損失造成了橋梁結構剛度的降低，也必然造成連續(xù)剛構橋下撓問題的加劇，從而使梁體發(fā)生下撓，進一步造成開裂破壞。3)混凝土徐變。混凝土有徐變的特性，徐變對大跨徑連續(xù)剛構橋的變形影響較大。大氣溫度、濕度、水灰比與水泥用量、加載時的齡期、荷載持續(xù)應力的大小等諸多因素有關。4)結構損傷。撓度問題的實質就是剛度問題，大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋在運營過程中經常會出現梁體開裂，開裂后導致梁體截面剛度進一步降低，而剛度的降低又導致持續(xù)下撓，二者相互影響耦合，造成惡性循環(huán)。這種惡性循環(huán)也是導致過量下撓的重要因素之一。5)施工的影響。施工質量的好壞直接影響著橋梁的整體結構，在施工過程中對各施工階段主梁撓度值的控制不到位，強迫合龍導致結構處于不利的成橋應力狀態(tài)，這些都是導致成橋后橋梁整體結構在長期荷載作用下徐變撓度不斷增加的重要原因。

3 加固方法研究

3.1 增加斜拉索加固方法

增加斜拉索，使連續(xù)剛構橋變成矮塔斜拉橋，矮塔斜拉橋的結構受力特點屬于改變結構受力體系加固法的一種，其主梁既可以像連續(xù)梁橋一樣通過受彎來承受豎向荷載，也可以像常規(guī)斜拉橋一樣通過受壓來承受豎向荷載。矮塔斜拉體系也是由塔、梁、墩和索四種基本構件組成的橋梁加固體系，是一種新型的橋梁加固方法。矮塔斜拉結構加固方法，是利用原橋樁基的富余承載力，將橋塔建立在原橋橋墩的兩側，對稱地設置斜拉索，對主梁結構形成彈性支點，有效減小結構內力，同時徹底的改善結構的受力狀態(tài)。這種加固方法來源于體外預應力這種加固方式，只是承受荷載的方式發(fā)生了改變，把以前布置在箱梁內部的預應力，變成拉索、鋼性橋塔，和箱梁連接一起，使得一部分由荷載引起的豎向內力通過斜拉索來承擔，從而降低橋梁結構的應力，是一種介于二者之間的過渡橋型，具有剛柔相濟的特點。

3.2 實例分析

基于某連續(xù)剛構橋，跨徑為85 m+3×160 m+85 m，單箱單室預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁。由于塔高及斜拉索的錨點位置對梁體內力、應力改變起主要作用，首先應確定優(yōu)化的結構形式。矮塔斜拉橋最優(yōu)塔跨比約為0.123 4(1/8～1/9)，同時由于矮塔斜拉橋受力上更加接近于梁式橋，其斜拉索像體外預應力一樣對主梁起加勁作用，所以其傾角小于常規(guī)斜拉橋的拉索傾角，其值一般在15°～30°之間，在索塔處，由于橋墩對主梁的支撐，可以不設斜拉索。索塔到主梁跨中的無索區(qū)的長度一般為20 m～30 m;由于矮塔斜拉橋主塔比較低矮，若在主梁跨中設置斜拉索，則斜拉索的傾角過小，不能有效分擔主梁的豎向荷載，導致無法起到斜拉索的作用，因此不宜在主梁跨中設置斜拉索。所以主梁跨中無索區(qū)段長度一般為中跨跨徑的1/5～1/18，平均為1/7;邊跨端部無索區(qū)段一般為邊跨的1/3～1/10，平均為1/5［6］。

綜合考慮以上因素，計算模型采用以下結構尺寸:塔高25 m，矩形截面，順橋向寬3 m，橫橋向寬1.2 m，C50混凝土，如圖1所示。主跨設置8對(16根)斜拉索，每對索索力1 000 kN，拉索間距9 m，錨固點距跨中分別為10 m，37 m。兩次邊跨各8對(16根)斜拉索，索力1 000 kN。

3.3 加固效果分析

基于Midas軟件計算，結果顯示，主梁跨中最大撓度比替換前減小了3.2 cm。同時，使主跨跨中截面上緣壓應力降低1.5 MPa左右，下緣拉應力降低2 MPa左右。因此，增加斜拉索的加固方法能有效地減小主梁的跨中撓度，同時對主梁受力狀態(tài)起到了一定的改善作用，并消除了原混凝土箱梁跨中段裂縫病害嚴重的影響，能有效防止主梁在加固后繼續(xù)下撓。

圖1 拉索布置示意圖

4 結語

本文分析了造成主梁跨中長期下撓的原因，提出一種增加斜拉索的加固方案，并對加固前后的主梁進行模擬計算，分析加固效果。文章主要得到以下結論:1)對于大跨徑連續(xù)剛構橋，由于荷載超限或設計施工質量問題，造成主梁受力狀況的惡化，引起梁體開裂及結構整體剛度下降，是造成主梁跨中撓度過大并持續(xù)下撓的主要原因。2)增加斜拉索的加固方法能有效改善主梁的受力狀況，減小跨中撓度，并防止其繼續(xù)下撓，是解決連續(xù)剛構橋跨中長期撓度過大問題的一種對策。3)矮塔斜拉橋加固方式，構造較為簡單，施工方便;受力明確，不需要復雜的受力分析;可以主動改善橋梁結構的整體受力性能，同時，從橋梁外觀上來看，其體現了常規(guī)斜拉橋和連續(xù)梁橋相結合的美學效果，可產生良好的社會影響。4)當相關技術成熟后，增加斜拉索的加固方法具有一定的應用前景。

［1］ 陳宇峰，徐君蘭，余武軍.大跨PC連續(xù)剛構橋跨中持續(xù)下撓成因及預防措施［J］.重慶交通大學學報，2007，26(4):6-8.

［2］ 高仙桂，陳希安.大跨度連續(xù)剛構主梁下撓及箱梁裂縫成因分析［J］.公路與汽運，2007，119(2):109-111.

［3］ 王法武，石雪飛.大跨徑預應力混凝土梁橋長期撓度控制研究［J］.公路，2006，59(8):72-76.

［4］ 謝 峻，王國亮，鄭曉華.大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期下撓問題的研究現狀［J］.公路交通科技，2007，24(1):47-50.

［5］ 馬修印.矮塔斜拉加固法在梁式橋梁中的應用研究［D］.西安:長安大學，2011.

［6］ 閆 晨.矮塔斜拉橋最優(yōu)塔跨比的分析與研究［D］.西安:長安大學，2011.