跨徑200m以上連續剛構橋病害防治

王 寧, 王 科

(1.北京工業大學，北京100124；2.中國人民解放軍95338部隊，湖南衡陽421001)

大跨徑連續剛構橋具有整體性能好、變形小、抗震性能好、后期運營維護成本低的特點，并且連續梁體和梁墩的固結，使得連續剛構橋沒有伸縮縫，車輛能夠平穩運行，同時它也沒有支座，不需要轉換系統，并有很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度，這些優勢使得它在近幾十年得到迅速發展，已成為大跨度預應力混凝土橋梁的一種類型[1](表1)。大跨度預應力混凝土連續梁式橋主要包括三種結構類型：T型剛構橋、連續梁橋以及連續剛構橋。隨著計算機技術的發展，我國在預應力混凝土橋梁的設計、結構分析、試驗研究、預應力材料與工藝設備、施工工藝等方面可謂日新月異，橋梁的設計技術與施工技術已達到了相當高的水平，從結構受力多經濟指標綜合考慮，連續剛構的跨度適用范圍在300 m以內。

隨著橋梁在各種環境中的長時間運營以及設計經驗、施工質量等問題，很多大跨徑連續剛構橋都出現了一些病害，于是在現有的技術基礎上對大跨度連續剛構橋的病害進行分析以及改正成了亟需解決的問題。

1 典型病害及原因

大跨連續剛構橋的病害主要是主梁的下撓以及裂縫的問題，而根據裂縫產生的位置又主要分為梁體的頂板裂縫、底板裂縫、腹板裂縫、橫隔板裂縫、錨固裂縫等[2]。

1.1 連續剛構橋的跨中撓度及成因

大跨徑橋梁梁體跨中撓度過大是橋梁工程中比較常見的一種現象，雖然目前國內外的研究人員對大跨徑連續剛構橋有著豐富的設計施工經驗，但是跨中撓度過大仍然是困擾工程師的一個難題。針對跨中撓度持續下撓的問題設計人員已經做了很多的研究，目前比較公認的有以下原因。

1.1.1 混凝土的徐變和收縮

混凝土在荷載長期的作用下會產生變形，并且在混凝土凝結初期或在其硬化過程會出現體積減小，這也就是所說的混凝土徐變以及收縮。徐變是種塑性變形，是混凝土長期受力作用下所固有的變形性能。徐變變形的方向與加載方向一致，也就是受壓的混凝土結構徐變所產生的變形與混凝土收縮的變形方向是相同的，均使混凝土結構幾何尺寸非常微小地變小(表2、表3)。

表1 部分國內外已建成的跨徑200m以上連續剛構橋

在對大跨連續剛構橋設計施工時，所用的混凝土均為高強混凝土，而收縮與徐變在高強混凝中的現象更加明顯。

表3 混凝土徐變系數終極值φ(tu，t0)×103

由表2、表3可知，混凝土的收縮應變終極值與傳力錨固齡期呈負相關，與混凝土梁板的理論厚度呈負相關；混凝土的徐變系數終極值與加載齡期呈負相關，與混凝土板的理論厚度呈負相關。而我們在設計施工時為了減輕大跨橋梁的自重，常采用薄壁箱型梁，并且為了提高施工進度加載齡期與錨固齡期都比較短，從而使收縮應變終極值和徐變系數終極值比較大，導致跨中下撓過大。

1.1.2 混凝土開裂

混凝土裂縫的寬度與撓度的關系近似線性關系[3]，跨中下撓會進一步加劇箱梁底板開裂，而箱梁裂縫增多使其結構剛度降低，又進一步加劇了跨中下撓，這兩者相互影響形成了惡性循環。

1.1.3 對預應力長期損失估計偏低

由上表我們可知，混凝土的收縮應變終極值是與傳力錨固齡期成負相關的，也就是說隨著時間的增加，預應力有效值會逐漸變小，那么混凝土的收縮變形就會越大，橋梁整體剛度就會減小，從而跨中撓度增大。

1.1.4 施工方法

懸臂施工法由于在跨間不需搭設支架、施工期間不影響橋下通航或行車、工作面多、跨越能力強等特點，是目前預應力混凝土連續梁橋的主要施工方法。在對大跨連續剛構橋的施工中采用懸臂施工，分段澆筑[4]的方法。這樣的施工合攏方式導致成橋后存在初始撓度，處于不利的應力狀態，更導致了橋梁成橋以后在長期通車使用的狀態下撓度不斷增加。

1.2 頂板裂縫及成因

箱梁頂板裂縫主要是縱向頂板裂縫，有的縱向裂縫連續貫通較長，有的則不連續且較短，混凝土箱梁在設計時為了減輕橋梁自重往往采用薄壁箱梁。

(1)當頂板的橫向預應力鋼筋的預應力隨時間損失到一定程度時，或者頂板沒有設置橫向預應力鋼筋時均會產生裂縫。

(2)懸臂施工、分段澆筑的施工方式，會導致各段箱梁頂部的橫向預應力各不相同，是箱梁頂板處在受力不均的狀態下，從而產生裂縫。

(3)在箱梁頂板上會產生一些負彎矩區域，在這些負彎矩區內容易產生頂板裂縫。

(4)影響混凝土箱梁撓度的原因也會使箱梁頂板產生裂縫。

1.3 底板裂縫及成因

底板裂縫比較常見的位置是箱梁底板跨中的位置。

(1)在荷載作用下，箱梁跨中底部為受彎區，當受彎區的橫向鋼筋不足以抵抗底板所產生的的附加彎矩時，就會使混凝土開裂。

(2)在箱梁底部上布置了較多的預應力鋼索孔，預應力鋼索與這些孔相互作用，預應力鋼索孔受到較大的壓力，底部混凝土所受的壓力超過其極限承載力時，底板就會產生裂縫。

(3)混凝土箱梁撓度過大也會使箱梁底板產生裂縫(圖1)。

圖1 頂板、底板縱向裂縫

1.4 腹板裂縫及成因

斜裂縫也稱主拉應力裂縫，一般發生在箱梁腹板上，是預應力混凝土梁橋中出現最多的一種裂縫，往往首先發生在剪應力最大的支座附近，腹板斜裂縫主要以15°～45°的角度出現在跨度的1/4～1/8處[5](圖2)。

圖2 腹板斜裂縫

(1)由于所采用的箱梁厚度較薄，同時在支座處會產生的剪力相對比較大，當腹板的抗剪能力不足以抵抗所產生的的剪力時，腹板就會形成裂縫。

(2)由于橋梁在長時間的運行情況下，荷載較大，同時預應力的有效值會降低，腹板上所受的拉力相對增大，產生裂縫。

(3)在溫度荷載作用下，混凝土箱梁會出現熱脹冷縮的現象，導致腹板的不同斷面受力不同，從而產生裂縫。

1.5 錨固區裂縫及成因

在預應力張拉之后錨固端的應力是非常復雜的[6]，當錨固區內箱梁的橫向和縱向鋼筋沒有加強時，一旦混凝土的抗拉強度小于預應力張拉所產生的拉應力時，就會出現裂縫。錨固區鋼筋相對較密，也會由于施工質量的原因，導致錨固區混凝土澆筑不密實而出現裂縫(圖3)。

圖3 錨固區裂縫

2 典型病害的防治

影響大跨連續剛構橋的下撓過大及產生裂縫的因素比較復雜，有著一定的不確定性和隨機性，并且隨著時間的推遲這些問題會逐漸的嚴重，從而影響橋梁的正常使用，本文主要從以下方面對這些問題進行防治：

2.1 控制混凝土的收縮和徐變

提高混凝土的強度，可以選擇級配良好的骨料，控制水灰比和水泥的品種及用量，同時添加合適的外加劑，這樣在保證混凝土強度的同時既控制了混凝土的收縮徐變，也消除了一定的溫度影響[7]。

2.2 改進設計

適當增大梁截面高度，增大高跨比，同時增配鋼筋從而提高箱梁的抗彎承載力、抗剪承載力以及整體剛度。

2.3 控制施工質量，在施工時考慮足夠的預拱度

混凝土的收縮徐變會隨著時間的增加而增大，而下撓的具體數值目前還不能完全準確地計算出來，往往會因為預設的預拱度不足，不足以抵消箱梁在后期所產生的下撓，導致下撓過大從而產生裂縫，所以在施工時要充分考慮足夠的預拱度，并且推薦采用二次張拉工藝彌補預應力損失。

2.4 在箱梁底板粘貼FRP加固

纖維增強復合材料(FRP)輕質高強，具有較好的抗拉強度并且具有良好的耐腐蝕性以及良好的實用性，在箱梁底板粘貼FRP板帶，可以提高底部的受彎承載力，可以有效抑制裂縫的出現。

2.5 合理設置橫隔板

在偏心荷載作用下箱梁會產生周邊變形也就是截面畸變，而箱梁的畸變變形是橋梁工程不可忽視的問題。在箱梁中合理的設置橫隔板，在集中畸變荷載作用的位置上設置相應的和隔板可以有效的控制截面的變形，減小畸變對結構的影響，提高整體結構的剛度和承載能力。

3 結論

本文總結了大跨徑連續剛構橋常見的一些病害并且提出了相關的防治措施。主要的研究結論如下：

(1)大跨連續剛構橋跨中的病害主要有跨中撓度持續下降導致撓度過大以及裂縫的產生。

(2)混凝土的收縮徐變、混凝土開裂、對預應力長期損失估計偏低、施工方法都會增加箱梁跨中的撓度。提出了提高混凝土強度，控制水灰比，合理增添外加劑，設計施工時考慮足夠的預拱度這些相應的措施來抑制上述問題的產生。

(3)箱梁的裂縫根據其出現的位置只要分為了頂板裂縫、底板裂縫、腹板裂縫、橫隔板裂縫、錨固區裂縫。提高相應的箱梁截面尺寸，增加預應力，合理布置隔板都能減少這些裂縫的出現。

(4)在板底粘貼輕質高強FRP板的加固方式，是橋梁預防裂縫產生及出現裂縫后加固維修的措施。