淺析連續(xù)剛構橋的典型病害及成因

(貴州高速公路集團有限公司)

0 前言

連續(xù)剛構橋是墩梁固接的連續(xù)梁橋。分主跨為連續(xù)梁的多跨剛構橋和多跨連續(xù)-剛構橋，均采用預應力混凝土結構，有兩個以上主墩采用墩梁固結，具有T形剛構橋的優(yōu)點。連續(xù)剛構橋一般均采用變高度梁，高墩的柔度可以適應結構由預加力、混凝上收縮徐變和溫度變化所引起的縱向位移。這種橋具有結構整體性好、抗震性能優(yōu)越、抗扭潛力大、結構受力合理、橋型簡潔明快等優(yōu)點。然而連續(xù)剛構橋結構為多次超靜定結構，混凝上收縮、徐變、溫度變化，預應力作用、墩臺不均勻沉降等引起的附加內力對結構的影響較大。通過統(tǒng)計，隨著運營期的增加，大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋出現(xiàn)的病害主要集中在兩個方面：其一是跨中下?lián)希黄涠窍淞夯炷灵_裂。

1 病害特征

1）跨中下?lián)?/p>

跨中下?lián)系奶攸c：

①橋梁實際撓度一般遠遠大于按照規(guī)范計算的預測值；

②撓度過大與腹板斜向裂縫具有共生性，部分橋梁也出現(xiàn)底板橫向裂縫與縱向裂縫；

③撓度過大與腹板斜向裂縫一般在橋梁運營4～5年后顯現(xiàn)，腹板斜向裂縫一般先在L/4附近出現(xiàn)，逐漸向跨中發(fā)展，個別橋梁繼而跨中底板出現(xiàn)橫向裂縫；

⑤個別橋梁下?lián)犀F(xiàn)象在運營幾年甚至十幾年后基本呈線性持續(xù)發(fā)展，沒有穩(wěn)定的趨勢。

2）箱梁裂縫

箱梁混凝土開裂分為結構性裂縫和非結構性裂縫。主要裂縫形態(tài)如下：

①腹板斜裂縫；

②底板縱向、橫向裂縫；

③底板錨固齒板后端的橫向裂縫與斜向裂縫；

④頂板縱向裂縫。

腹板斜裂縫特點

①主拉應力引起的開裂，是典型的結構性裂縫。

②大多數(shù)橋梁L/8到3L/4之間腹板斜向裂縫呈現(xiàn)上寬下窄特征，位置靠近腹板的上托板，裂縫與水平夾角一般為15～35度，靠近跨中部位腹板裂縫則基本呈水平形狀。少數(shù)橋梁的腹板斜向裂縫從錨固齒板后底板處產生，并逐漸向上發(fā)展，一直到達翼板，裂縫呈現(xiàn)下寬上窄的特征。

箱外底板縱向裂縫及箱內頂板縱向裂縫

①箱外底板縱向裂縫和箱內頂板縱向裂縫經常出現(xiàn)在合龍段及附近節(jié)段，且數(shù)量眾多，分布集中。

底板錨固齒板后端的橫向裂縫與斜向裂縫

對于節(jié)段施工的橋梁，在橋梁運營一個時段后，底板上錨固跨中連續(xù)索的齒塊后端會出現(xiàn)橫向與斜向裂縫，部分與腹板斜裂縫相接。

2 病害成因分析

1）跨中下?lián)?/p>

設計因素

①對混凝土徐變的影響程度及長期性估計不足。

②預應力度設計不夠，預應力只夠使混凝土不出現(xiàn)拉應力而沒有富余。預應力度與混凝土徐變具有相輔相成性。預應力度較小，則徐變變形可能增大，導致主梁下?lián)献冃渭哟蟆７粗炷列熳冏冃渭哟螅A應力束的應力損失也相應加大，進一步減小了預應力度，從而導致主梁下?lián)献冃沃导哟蟆?/p>

③合理設置預拱度值。當預應力導致的長期變形小于結構自重以及部分活荷載導致的長期變形時，需要事先設置一定的預拱度來抵消這種變形，從而保證橋梁長期運營后的線形平順。

④普通鋼筋配置不合理，尤其是受力復雜部位。

施工因素

①預應力施加控制不嚴，灌漿質量不合格等。

②縱向預應力管道不平順、管道內漏漿。

③豎向預應力錨具不垂直，與墊板間有雜物。

④橫向預應力定位鋼筋不夠，施工時管道上浮造成偏位，產生頂板橫向裂縫。

2）腹板斜裂縫

①由于腹板處彎起鋼束張拉時，腹板混凝土沿鋼束方向受壓，垂直鋼束方向混凝土受到泊松比作用會產生拉應力，從而引起垂直于預應力方向的斜裂縫。

②撓度過大與腹板斜向裂縫具有共生性，即在出現(xiàn)撓度過大的橋梁無一例外地出現(xiàn)腹板開裂現(xiàn)象，部分橋梁也出現(xiàn)底板橫向裂縫與縱向裂縫。

③長期受力作用下，砼產生徐變，并逐漸增加。當砼徐變較大時結構會產生附加被動應力，造成彎矩重分布，箱梁腹板剪應力加大，從而產生腹板裂縫。

④溫度對砼產生裂縫的作用機理極其復雜。一方面，砼由于內外溫差產生溫度應力和應變；另一方面，結構外約束和砼內部不同部分的自約束阻止溫度應變，一旦溫度應力超過砼能承受的極限抗拉強度，就會產生不同程度的裂縫。

3）箱外底板縱向裂縫及箱內頂板縱向裂縫

1、頂、底板縱向裂縫共同原因

1）合龍段附近節(jié)段與其他節(jié)段相比，型鋼布置較多，另外相鄰節(jié)段橫向約束，導致混凝土橫向壓應力儲備往往會偏小，活載作用導致縱向裂縫產生。

2）合龍段附近節(jié)段施工準備工期較其他節(jié)段長，相鄰節(jié)段混凝土齡期差別大，新舊節(jié)段混凝土收縮不同步，導致縱向裂縫產生。

3）運營期，長期重車輪壓導致頂、底板橫向彎矩過大，箱梁內外溫差過大產生溫度應力，不同梁段間收縮效應不同。

4）頂、底板橫向彎矩過大，無橫向預應力、箱梁橫向彎曲空間效應、板厚偏小，橫向配筋不足，箱梁內外溫差過大產生溫度應力等。

2、頂、底板縱向裂縫的單獨成因

（1）底板

1）為了減輕結構自重，箱梁底板在跨中一般比較薄。預應力鋼束橫向布置間距較小，在此截面的挖空率非常大，截面削弱較大，加之如橫向普通鋼筋配置不強，此部分混凝土澆筑質量又有問題，則在強大的底板縱向預應力束全部張拉錨固時，底板混凝土因承受不了底板束的壓力而導致開裂。

2）合龍段底板縱向裂縫：一種是在合龍段底板沿順橋向出現(xiàn)肉眼可見的縱向裂縫；第二種就是從底板厚度方向來看，在預應力管道中間或上下位置，也就是水平面積最小的位置形成大面積水平裂縫，上下分層，嚴重的甚至導致混凝土剝離。預應力筋的空間效應以及材料泊松比效應應該是導致第一種與第二種形式破壞產生的主要原因。同時，底板縱向預應力鋼筋在豎直面內布置為拋物線形的曲線，加上底板預應力索定位偏差導致的局部曲率，從而縱向預應力會對底板產生向下的徑向分力，由于現(xiàn)在箱梁底板一般較寬，在橫向底板可以看成彈性支撐在腹板上的受彎梁，此徑向力與自重等共同作用下其下表面必然會產生拉應力，從而形成縱向裂縫，同時在縱向徑向力作用下預應力管道之間混凝土會產生垂直于底板的拉應力，一旦拉應力超過混凝土抗拉強度，底板將沿管道截面積削弱的部位向下崩裂，形成上下分層。

（2）頂板

1）主梁頂板在較長懸臂箱梁翼板的根部，恒載、活載產生的負彎矩均較大，頂板跨中的活載正彎矩較大，橫向預應力鋼絞線布設不可能在懸臂根部布置在頂板上緣而在跨中卻布置于頂板下緣。

2）在澆筑完節(jié)段混凝土后即張拉完該節(jié)段橋面橫向預應力鋼束，由于應力分布和疊加，橋面板中橫向預應力分布極不均勻，這也是造成橋面板出現(xiàn)局部縱向開裂的原因之一。

4）底板錨固齒板后端的橫向裂縫與斜向裂縫

1）齒板錨固集中力與外荷載整體彎矩在齒板后端產生了耦合，但是許多橋梁設計計算中忽略了集中力導致齒板后端的拉應力，因而計算拉應力遠遠小于實際拉應力，從而導致了裂縫的出現(xiàn)。

2）預應力損失導致構件壓應力儲備不足，在外力荷載下產生開裂。

3）開裂橋跨為大跨度預應力混凝土結構，裂縫與錨頭所處截面位置非常接近，可能由于錨下混凝土的局部效應導致開裂。

4）底板橫向裂縫位于施工拼接縫處，該處出現(xiàn)橫向裂縫的原因多由于施工接頭處理不好，成為薄弱截面，在縱向彎矩、混凝土收縮或較大溫差應力等作用下開裂。

5）橫向裂縫并未在施工拼接縫處，可能是彎曲裂縫，在分段式箱梁中，一般出現(xiàn)在接縫內或接縫附近。彎曲裂縫一般很小，結構不受損傷，但在外荷載反復作用下 ( 汽車動力荷載及溫度梯度 ) 裂縫有可能會擴大。

3 結語

1、除施工缺陷外，混凝土開裂和主跨跨中區(qū)段下?lián)戏冗^大是預應力混凝土連續(xù)剛構橋最常見的兩種病害形式，產生病害的原因往往不是單一的。

2、針對混凝土開裂和跨中區(qū)段下?lián)戏冗^大，應從設計、施工、運營階段綜合考慮，完善設計理念、加強施工質量控制、重視營運管理，提高橋梁的耐久性和安全性。