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摘要：就目前大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋存在的裂縫、下?lián)蠁栴}進行歸納和總結，并從設計、施工和養(yǎng)護等方面綜合分析和研究，提出整治措施，為大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋的設計、控制等提供參考。...

預應力混凝土連續(xù)剛構橋裂縫和下?lián)蠁栴}探討

陳顏輝，李風兵

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

    隨著高速公路和市政設施等基礎設施建設的快速發(fā)展，預應力混凝土連續(xù)剛構橋以其結構剛度大、行車平順性好、外形簡潔大方、伸縮縫少和養(yǎng)護簡單等一系列優(yōu)點，倍受業(yè)主、設計單位和施工單位的歡迎，在眾多的橋型中占據(jù)了一席之地。

    在我國，自1988年第一座連續(xù)剛構橋(主跨l88m)的洛溪大橋，到2006年(主跨為330m)的石板坡長江大橋建成通車，以及目前在建的世界最高墩連續(xù)剛構(墩高178m)龍?zhí)逗犹卮髽颍�預應力混凝土連續(xù)剛構橋得到了快速的發(fā)展。但是大跨度連續(xù)剛構橋的大量修建，也暴露出一些的問題，其中混凝土開裂和跨中下?lián)系葐栴}尤為突出，引起工程界的懷疑并導致對預應力連續(xù)剛構橋應用的不放心，進而影響其在公路工程建設中的進一步推廣。本文將就目前大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋存在的開裂和下?lián)蠁栴}進行討論，為大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構橋的設計、控制等提供參考。

1.裂縫病害

    文獻[1]列舉了1995年5月，山東省公路橋梁檢測中心對20世紀90年代初投人運營的東明黃河公路大橋(主橋75 m+7 x120 m+75 m連續(xù)剛構)和臺兒莊大橋(主橋46 m+80 m+46 m剛構)2座預應力連續(xù)剛構橋梁主橋的檢測結果，其主橋箱梁腹板均顯現(xiàn)有不同程度的斜向裂縫。

    文獻[2]就某預應力混凝土連續(xù)剛構箱梁橋(50.m+100 m+100.m+50.m)在運營過程中出現(xiàn)的箱梁頂板縱向裂縫、腹板裂縫和橫隔板豎向裂縫進行了普查，其中寬度大于0.1 mm、長度超過0.5 m的裂縫共有336條(上游幅箱梁內l56條，下游幅箱梁內l60條)。從裂縫位置和走向來看，箱梁頂板順橋走向(縱向)的裂縫有270條，占80.4％；橫隔墻門洞頂部向上豎向裂縫有45條，占13.4％；箱梁腹板斜裂縫l5條，占4.5％。文獻指出這些裂縫主要是由行車荷載、溫度作用及橋墩沉降多種原因所致。

    歸結起來，近年來在一些大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋出現(xiàn)的裂縫問題主要表現(xiàn)為以下幾種形式。

    (1)主梁箱腹板出現(xiàn)斜裂縫，主要是邊孔近現(xiàn)澆段和中孔(L／4～3L／8)段出現(xiàn)較多；

    (2)主梁箱底板跨中部分張拉錨固后出現(xiàn)縱向裂縫

    (3)箱梁具有較長懸臂翼緣板在頂板懸臂根部出現(xiàn)縱向裂縫，寬箱梁在頂板跨中出現(xiàn)縱向裂縫；

    (4)箱梁橋橫隔板孔洞周圍放射狀裂縫和孔洞之間的豎向裂縫。

    1.1裂縫成因

    預應力混凝土連續(xù)剛構橋結構裂縫生成的原因，涉及設計計算、施工工藝、養(yǎng)護管理、后期使用、材料質量、氣候環(huán)境等各個方面。因此要細致分析每一因素對箱梁橋結構裂縫的影響程度是很困難的，多數(shù)情況下也是沒有必要的。通過對結構裂縫形式和狀態(tài)的調查發(fā)現(xiàn)[11]，目前預應力混凝土連續(xù)剛構橋結構裂縫的產(chǎn)生位置有一定的規(guī)律性，可以推斷，導致這類結構裂縫產(chǎn)生的影響因素也具有一定的固定性，因此通過結構裂縫出現(xiàn)的不同位置對其成因進行分析是比較有效的分析方法。

    1.1.1腹板裂縫

    預應力混凝土連續(xù)剛構橋主梁產(chǎn)生的腹板裂縫主要分為以下幾個方面[10]：(1)主拉應力產(chǎn)生的腹板斜裂縫。主要是分布于邊孔近現(xiàn)澆段和中孔L／4—3L／8段的腹板上，約呈450分布。分析認為，出現(xiàn)這種裂縫主要是由于箱梁橋支座附近剪應力過大，腹板抗剪能力不足，以及主拉應力方向抗裂安全儲備考慮不充分等因素所導致的。(2)錨后拉應力產(chǎn)生的腹板斜裂縫。采用懸臂澆筑法施工的全預應力或部分預應力混凝土梁，在懸臂分段澆筑中，錨頭往往布置在接縫面。由于接縫面與新澆的混凝土之間的抗拉強度降低了很多，因此在錨下施加預應力將在錨固區(qū)引起局部高壓應力而導致蠕變。如果錨后受拉鋼筋配筋不足，則在錨固區(qū)的接縫面就很容易發(fā)生裂縫。文獻[3]的作者也指出，精軋螺紋鋼筋作為豎向預應力短束，其錨頭損失太大，是引起腹板開裂的兩個主要因素之一，并指出無粘結豎向預應力技術將會作為一種替代目前釆用精軋螺紋鋼筋提供豎向預應力的發(fā)展方向。(3)連續(xù)剛構邊跨端部腹板斜裂縫。(4)豎向正應力產(chǎn)生的腹板水平裂縫。(5)豎向正應力和主拉應力作用下的腹板水平斜向組合裂縫。

    1.1.2頂板、底板裂縫

    預應力混凝土連續(xù)剛構橋主梁箱底板跨中區(qū)張拉錨固后出現(xiàn)的縱向裂縫，以及在箱梁具有較長懸臂翼緣板時，在頂板懸臂根部或寬箱梁在頂板跨中出現(xiàn)的縱向裂縫，同樣廣泛受到關注。

    文獻[12]對某大跨度連續(xù)剛構橋進行檢測分析，得出導致大橋兩次邊跨和中跨跨中及兩邊跨均出現(xiàn)貫通底板全寬的橫向裂縫可能的原因是：縱向預應力有效性降低、荷載增加、混凝土強度不足等。

    文獻[13]對一座三跨預應力混凝土雙箱雙室變截面 V墩剛構橋底板產(chǎn)生裂縫的原因進行了空間分析，得出箱梁復雜的應力狀態(tài)及底板橫橋向拉應力過大是引起底板縱向裂縫的主要原因。同時底板預應力管道周圍混凝土相對收縮快，截面相對較弱也是一個不可忽視的因素。

    普遍認為箱梁頂板、底板裂縫是由于箱梁橋畸變和橫向彎曲產(chǎn)生的，并且溫度或收縮引起的局部應力，頂?shù)装妪X板受力，曲線配索的橫向受力，預應力筋錨頭局部受力。以及截面分層處和施工接縫處的局部應力都有可能產(chǎn)生嚴重的局部應力，使頂?shù)装彘_裂。

    1.1.3橫隔板裂縫

    預應力混凝土連續(xù)剛構橋橫隔板裂縫主要為箱梁橋橫隔板孔洞周圍放射狀裂縫和孔洞之間的豎向裂縫。

    箱梁橫隔板孔洞的放射狀裂縫主要是因孔洞周圍應力集中產(chǎn)生的。通過對主拉應力進行局部的塊體有限元分析，并采用適當?shù)臉嬙齑胧�，可以避免這類裂縫的產(chǎn)生。箱梁孔洞之間的豎向裂縫是軸向的劈裂裂縫。為了避免這類裂縫的產(chǎn)生，應首先進行局部的有限元分析，對于可能發(fā)生豎向裂縫的部位增加防裂構造鋼筋。

    1.2控制裂縫的措施

    縱觀預應力混凝土連續(xù)剛構橋裂縫產(chǎn)生的原因，大致可歸結為設計、施工和后期使用等方面。主要為：連續(xù)剛構橋其結構的上下部連成整體，墩柱約束過大；結構的不均勻沉降產(chǎn)生的附加應力；預應力布置得不當；施工過程中結構體系轉換時的一些不可控制因素，以及后期運營中的超載使用。影響成橋最后狀態(tài)的變量很多，就溫度、收縮、局部應力等因素造成的裂縫，目前現(xiàn)行規(guī)范和有關理論還沒有好的解決方法。因此，解決該問題最為有效的辦法還是恰當布置非預應力鋼筋，即使很難抗裂，也可以限制裂縫的寬度，保證結構能正常使用。對于已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫以及一些不可避免產(chǎn)生的裂縫，則有針對性地采取措施，如封閉維修，加固(采取腹板內側粘貼鋼板來加強對混凝土的約束，增強腹板抗剪承載力和剛度，灌注環(huán)氧漿液等)或更換使用等。

2.長期下?lián)隙炔『?/strong>

    通過大量的觀測和實踐發(fā)現(xiàn)，大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋主梁后期(運營期)變形的向下?lián)隙绕毡楸仍O計值大，橋面的縱坡與設計值相差大，行車舒適性差，引起使用安全的危機感。

    文獻[15]對河南某l05m+4×160m+105m連續(xù)剛構橋主跨各跨中區(qū)域普遍出現(xiàn)下?lián)希�最大值達到l5 cm的現(xiàn)象進行病害分析。指出其主要原因是：高強度混凝土的收縮、徐變考慮不足和在施工中預拱度的設置存在偏差。并提出跨中區(qū)段下?lián)线^大，已在我國的多座大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋中出現(xiàn)。但關于其原因還沒有一致的結論。

    文獻[16]對廣東某三跨預應力混凝土變截面連續(xù)剛構橋自1999年l0月發(fā)現(xiàn)主跨跨中有明顯下?lián)希?/span>2000年底，跨中撓度已達22cm左右，到2001年主橋的中跨跨中嚴重下?lián)弦堰_22.8 em進行分析，指出其原因是結構截面尺寸偏小。   

    但就預應力混凝土連續(xù)剛構橋跨中區(qū)段下?lián)戏�度過大的原因，目前還沒有一致的結論[15] 。

    一些學者認為：大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構普遍存在后期撓度過大的一個重要原因是主梁節(jié)段間豎向接縫的質量。在長期荷載作用下豎向接縫處混凝士會發(fā)生剪切徐變，在現(xiàn)有施工條件下由豎向接縫的剪切變形引起主梁撓度的增量是不可忽視的。并提出了改善主梁節(jié)段間接縫質量的一些注意事項及構造措施[17]。

    另外一些學者認為：橋面鋪裝層破損有些是因為施工質量差或其他原因導致的，但大多數(shù)情況卻是由于在長期的反復沖擊動荷載作用下，橋面板與鋪裝層結合部位因疲勞而導致混凝土鋪裝層與梁體剝離破損。

    目前大跨度連續(xù)剛構橋在使用過程中出現(xiàn)的下?lián)蠁栴}，已經(jīng)得到了相關部門的重視，采取了一系列的措施。根據(jù)結構的受力特性，主梁產(chǎn)生持續(xù)下?lián)峡赡芘c混凝土的收縮徐變、主梁剛度變化、主梁縱向預應力有效性降低及荷載增加等因素有關。由于體外預應力具有平衡活載，給予主梁卸載的作用，對于改善舊橋的下?lián)蠣顩r十分有利，且可使裂縫寬度減小或閉合，所以，體外預應力索在橋梁加固中得到了廣泛的應用。文獻[12]針對某連續(xù)剛構承載能力不足的問題，采取了體外預應力加固，使主橋豎直下?lián)犀F(xiàn)象得到有效抑制。同時文獻[14]結合虎門大橋輔航道橋對預應力混凝土連續(xù)剛構橋撓度長期觀測的目的、方法、監(jiān)測數(shù)據(jù)、整理、誤差分析以及撓度變化規(guī)律進行分析，從中找出病害，及時采取補救措施，為以后的橋梁設計提供依據(jù)。

3.病害原因總結

    值得指出的是，任何一座橋梁，其各種病害的出現(xiàn)并不是相互獨立的。參考國內外眾多該類橋型中出現(xiàn)上述病害的工程實例分析及病害整治，其原因大致可總結為：

    第一，設計者對該類橋型的受力情況研究不夠、缺乏經(jīng)驗，程序計算模擬不夠準確；

    第二，施工中各種不確定因素，施工質量等問題；

    第三，運營期間的使用情況和養(yǎng)護問題。

4.結束語

    對預應力混凝土連續(xù)剛構在設計、施工及使用過程中出現(xiàn)的以上問題，工程界人士一般比較敏感，甚至對該類橋型的受力、使用及今后的發(fā)展提出了質疑。其實只要正確地認識問題，分析原因，采用合理的構造措施及施工工藝，并在設計、施工和運營過程中加以監(jiān)控，這些問題在一定程度上是可以克服或者加以控制的。

    隨著高性能混凝土及高強度鋼材的使用，大噸位張拉錨固體系的應用與發(fā)展，設計手段的計算機化，施工水平的提高，從技術上保證了工程的可行性，預應力混凝土連續(xù)剛構將向著更高墩和更大跨度發(fā)展。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)