大跨徑預應力混凝土連續剛構橋下撓成因及改進措施

黃 駿，王偉峰

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000；2.吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130000)

0 前 言

預應力混凝土連續箱梁因具有良好的受力性能、行車舒適平順、后期易養護等特點，在大跨徑預應力混凝土連續剛構橋、連續梁橋中得到了廣泛的應用。由于橋梁跨徑大常采用的懸臂澆筑的方式施工，對場地、施工機具及運輸條件的要求較低，是跨越大江、大河及西部山區跨越深溝峽谷的大型橋梁建設中首選橋型方案。

然而受結構本身的力學特點、混凝土材料水平、施工技術條件等因素的影響，大跨徑預應力混凝土連續剛構橋、連續梁橋的承載效率較低，使預應力連續梁、連續剛構橋在跨中出現了持續下撓，箱梁截面的頂板、底板、腹板以及錨固齒板等位置出現了不同形式的開裂，降低了結構的整體剛度，使結構在運營過程變形過大，降低了橋梁的安全性、耐久性和使用壽命。為保證橋梁的安全，對本類病害的加固處理每年都需要投入大量的資金，使得經濟性較好的橋梁變得不經濟。

受各方面因素的制約及大跨徑預應力混凝土連續箱梁橋普遍存在的箱梁開裂和下撓現象，使得行業內對大跨徑預應力混凝土箱梁橋的應用產生了質疑，一定程度上影響了大跨徑預應力混凝土箱梁橋在公路建設中的進一步發展和應用。

因此，在結合以前項目吸取總結經驗教訓的基礎上，對本類型的橋梁在設計及施工中存在的問題及不足進行研究，提出改進的方式，減少類似病害的產生，為同類的橋梁建設提供一些參考。

1 工程概況

該橋為某山區高速公路上的橋梁，是本項目的重點工程，主橋采用86+160+86 m預應力混凝土連續剛構，按全預應力混凝土進行設計，混凝土強度等級為C55，下部結構主墩采用雙薄壁空心墩，墩高約90 m，引橋采用預應力混凝土先簡支后連續T梁。

主橋采用分幅式橫斷面，每幅箱梁采用單箱單室橫斷面，箱梁頂板寬度為11.75 m，底板寬度為6.25 m，兩側翼緣板長度為2.75 m，箱梁頂板設置2%的單向橫坡，由頂板傾斜形成。箱梁跨中及邊跨現澆梁段梁高3.8 m，底板厚0.32 m；變高段根部梁高9.5 m，底板厚1.1 m；0號塊梁高9.5 m，底板厚1.3 m；箱梁變高段梁高及底板厚度均按1.8次拋物線變化。箱梁腹板從跨中及根部梁段厚度由50、60、70 cm三個直線段組成，相互之間通過一個梁段的線性變化銜接過渡。圖1為總體布置圖，圖2為橋梁立面圖。

圖1 總體布置簡圖(單位：m)

圖2 箱梁立面簡圖(單位：cm)

2 下撓產生原因

1)混凝土收縮徐變對下撓的影響。混凝土的收縮徐變系數與加載齡期及濕度均有密切的關系，對混凝土收縮徐變的研究中，環境因素中的相對濕度是影響混凝土結構收縮徐變的重要因素之一。自然環境中的干濕循環過程及混凝土水分散失均會對混凝土長期徐變產生重要影響。

加載齡期是決定混凝土收縮徐變的一個重要因素，根據《公路橋涵施工技術規范》(JTG T 3650—2020)中規定：混凝土的灑水保濕養護時間應不少于7 d，對重要工程或有特殊要求的混凝土，應根據環境濕度、溫度、水泥品種以及摻用的外加劑和摻合料等情況，酌情延長養護時間，并應使混凝土表面始終保持濕潤狀態。

對于大跨徑連續剛構橋常見的施工方式均為掛籃懸臂澆筑，每個施工節段的施工工期約為10 d，而在實際施工過程中，施工單位普遍利用早強劑來提高混凝土早期強度的方式來加快施工進度，加入早強劑后3～5 d即可使混凝土達到設計強度，但由于早強劑的介入，雖然在一定程度上提高了混凝土早期的強度，但由于加載臨期過短，混凝土的彈性模量仍較低，預應力受混凝土收縮徐變的影響增大，使結構整體的長期處于應力不利狀態。

2)結構設計缺陷對下撓的影響。在設計過程中設計人員為了減輕大跨徑連續剛構橋的自重，往往都是參照規范規定范圍的偏低值來擬定箱梁結構的尺寸，使結構的尺寸變得輕薄，同時設計人員在設計分析時一般采用的是梁單元進行計算，未考慮剪力效應對結構的影響，降低了主梁對持久抗剪能力的儲備，使得橋梁跨中出現下撓。

3)橋梁施工縫的影響。由于大跨徑連續剛構橋采用掛籃懸臂澆筑的方式來施工，各節段之間難免存在豎向施工接縫的問題，施工接縫的質量對橋梁結構的整體剛度有著很顯著的影響，在橋梁設計及計算時均未考慮該因素對結構的影響。

4)預拱度的影響。大跨徑連續剛構橋采用的是懸臂澆筑，施工是逐個節段按順序依次施工，從0號塊到合龍段的施工工期相差較大，為保證順利合龍及橋梁線形，難免會導致預拱度與設計值存在一定的偏差，為了滿足橋面的設計高程，施工單位對鋪裝進行加厚或者減薄，使實際的橋梁恒載與設計值不符，導致跨中下撓。

5)橋梁施工對下撓的影響。橋梁的施工是決定橋梁質量的重要環節，但由于施工隊伍水平的參差不齊，施工單位在施工工期短的壓力下，對混凝土原材料的選擇、拌和及澆筑把控不嚴，片面地追求高強度而忽視混凝土的綜合性能，同時模板的不規范安裝，預應力管道定位不準確，懸臂澆筑時出現的不平衡彎矩在合龍后并未消除，都是造成主梁出現下撓的因素之一。

6)運營管理對下撓的影響。隨著國民經濟的不斷發展，道路的實際交通量遠遠超過設計規定的交通量，大量超重、超載的車輛通過橋梁，使得橋梁已經嚴重超負荷運行，部分關鍵結構部位出現了難以恢復的變形，結構出現下撓，橋梁出現開裂，從而使梁體的整體剛度下降，導致跨中下撓。

3 下撓的預防措施

1)設計階段。從結構尺寸上，增加主梁的高度及腹板厚度，根據計算優化主梁梁高的變化曲線，增加中橫隔板的設置道數，適當地減小邊、中跨比值，以提高邊跨現澆段的抗剪能力，提高主梁的壓應力儲備。增加備用壓應力孔道，在施工過程中發現壓應力損失過大的情況及時啟用備用鋼束以提高主梁截面有效壓應力不足，增強主梁的持久承載力水平。

根據現有資料調查，很多大跨徑的預應力混凝土連續剛構橋，在施工期間預應力管道在腹板上沿管道的走向就已經產生了裂縫，尤其是鋼束曲線段的位置，裂縫產生的主要原因是由于腹板內最大的豎向拉應力出現在管道曲線段的側壁上，混凝土開裂后沒有鋼筋對其限制，裂縫沿腹板向外擴張，最終形成了貫穿性裂縫。為了限制本類裂縫的形成，本橋設計時沿鋼束設置了直徑為16 mm的環形鋼筋，在距新澆筑節段交界面1.0 m的范圍內及鋼束管道的曲線段內，設置10 cm間距的環形鋼筋，其他位置可根據定位須適當設置定位鋼筋即可。圖3為環形鋼筋布置圖。

圖3 環形鋼筋布置圖(單位：cm)

通過有限元分析計算對墩頂橫隔板預應力鋼束配置進行優化，當采用改進的預應力筋布置時，橫隔梁，應力分布狀況得到了較好的改善。圖4為有限元模型圖，圖5為橫隔梁應力云圖。

圖4 有限元模型圖

圖5 橫隔梁應力云圖

2)施工階段。嚴格控制混凝土的質量，從原材料開始著手，嚴格控制混凝土配合比，控制混凝土的坍落度。預應力施工時要保證預應力管道位置的準確性，管道壓漿要保證壓漿的質量及長管道澆筑的密實性。

為增加節段之間混凝土連接的可靠性，施工時要重視混凝土交界面的鑿毛工作，鑿毛應嚴格按照規范執行。

重視橋梁的施工養護，在混凝土齡期、強度以及彈性模量沒有達到規范規定的要求時，不能進行下一工序的施工，在有可能的條件下盡量延長混凝土的加載臨期。

3)運營階段。應嚴格控制超限車輛上橋，避免橋梁長期超載負荷運營加劇橋梁跨中下撓。對橋梁進行定期養護檢測，并建立橋梁檢測檔案，密切注視橋梁的使用狀況。

4 結 語

由于大跨徑連續剛構橋形成下撓問題的原因較為復雜，涉及到的因素也較多，本文從設計、施工及運管幾個角度初步分析，提出一定的改進措施，以減少此類橋梁病害的產生，保證結構的整體剛度，提高橋梁結構的耐久性。

此處，還需要更多地結合實際工程案例來加強結構的局部疲勞效應、彎曲管道預應力損失的控制及施工裂縫的有效控制等方面的研究，來限制下擾對結構的影響。

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