预应力连续刚构桥梁体开裂及跨中下挠病态问题分析

谭登祥+胡俊超

摘 要：依托万户沱预应力连续刚构桥检测存在的梁体开裂、主梁跨中挠度过大的检测结果，从施工、设计、材料及外部环境等多尺度因素对此类桥梁易出现这样的病态问题进行分析，在分析的基础上提出了一些建设性的意见，可为此类桥梁设计、施工提供借鉴，有助于缓解此类桥梁建成使用后出现梁体开裂、跨中挠度过大的问题。

关键词：预应力；连续刚构；开裂；挠度

1 前言

大跨径预应力连续刚构桥因其施工简单、受力性能好、良好的行车舒适度及较少的伸缩缝等一系列优势在中小跨径桥梁中得到了广泛的应用[1]。1988年我国建成了第一座连续刚构桥，此后该类桥便在全国范围内得到大量的普及。但在此类桥梁的大量使用过程中发现其存在梁体易发生开裂、跨中挠度过大的病害问题。随着使用周期的增长因预应力损失、混凝土的收缩、徐变及温度变化等原因加速了梁体裂缝的增加，进而造成主桥跨中挠度增大。东明黄河大桥[2]竣工通车四年后发现其箱梁腹板开裂以及跨中挠度加大，近年来对其裂缝和挠度的监测结果显示其箱梁腹板开裂以及跨中挠度具有进一步增大的趋势。虎门大桥[3]辅航道桥的连续七年监测发现，梁体主跨跨中挠度及裂缝逐年增加，2003年的观测数据发现其左幅、右幅累计下挠量均超过了20cm，远超过规范的容许限值。梁体裂缝和跨中下挠相互作用，加重了桥梁的病态问题，混凝土结构一旦开裂，其内部钢筋极易发生锈蚀，对结构耐久性极为不利。

本文从收缩徐变、预应力损失、温度、设计及施工等多尺度因素对造成万户沱大桥主跨挠度过大、箱梁易开裂的原因做细致的分析，为此类桥梁的类似病态问题提供借鉴，并针对性的给出了一些建议，可为此类桥梁的建设提供理论支持。

2 万户沱大桥检测成果

2.1 工程概况

万户沱大桥主桥结构采用55m+100m+55m三孔一联预应力连续刚构，上部结构为单箱单室三向预应力斜腹板箱梁，下部结构：0号台采用扩大基础，1、2号墩墩身为3×8m双孔空心薄壁墩，1号墩基桩采用单排三根直径3米的挖孔桩，2号墩桩基采用5根直径2.2米的挖孔桩，梅花型布置，施工过程采用衬砌法施工；3号台桩基采用四根1.8米的挖孔桩。

2.2 裂缝检测成果

大桥主梁表观及裂缝缺陷检测主要以目视观察为主，并携带裂缝宽度测量仪及皮尺、望远镜、卷尺和数码相机等检测工具，进行近距离检查。经检查，发现上部结构箱内裂缝病害问题较为突出：箱梁内部顶板出现纵向裂缝及横向裂缝、腹板出现斜裂缝及竖向裂缝；箱梁箱外部底板和腹板出现纵向裂缝，底板混凝土剥落、渗水、麻面、漏筋、错台、空鼓及夹杂杂物等。

2.3 挠度检测成果

桥面永久观测点设置在两侧靠近路缘石20～30cm处桥面铺装上，该桥布置截面为主跨每跨墩支点、1/4L、 1/2L、3/4L和伸缩缝的两侧，每个截面分为左、右两点。对所有截面的左、右两点进行测量；桥面永久性观测点布置如图1所示。观测气温20℃，基准点位于0号桥台右侧30m处，其高程为188.546m，桥面线形永久观测点测试采用闭合水准路线，闭合差为0.12mm，满足《工程测量规范》（GB 50026-2007）二等水准测量闭合差的要求。

万户沱大桥始建于上世纪九十年代，在建成之后未及时建立桥面挠度测量点，因此无法取得桥梁初始变位参数，图2为万户沱大桥桥面永久观测点线性图，通过桥面绝对高程数据分析，桥面跨中较1、2号墩顶高程差值近13cm，而边跨侧高程则反拱，结合桥梁缺损状况检查结果，由此分析可知主梁结构跨中产生了严重下挠变形。

3 主梁开裂原因分析

通过对大桥主梁裂缝的检测可將大桥主梁裂缝分为三类：第一类：顶板纵向裂缝及横向裂缝；第二类：腹板斜裂缝；第三类：底板纵向裂缝。预应力连续刚构桥由于施工、设计、温度等一系列因素均会导致梁体开裂，另外在桥梁的使用过程中混凝土材料本身的收缩和徐变也会使梁体发生开裂。第一类裂缝产生的原因可能是满堂支架及挂篮在施工过程中没有进行合理的预压，施工过程中预拱值给的偏离理论值较多，对梁体受力造成了不利影响；混凝土配合比与试验室配合比存在偏差，导致材料的性质与设计存在误差；混凝土的养护条件及养护周期未达要求；巨大的梁体结构在温度和本身收缩、徐变的影响下，由于应力得不到释放导致混凝土开裂。第二类裂缝产生的原因可能是设计的偏差，如未采用弯起束，目前设计上主要采用竖向预应力和横向预应力来克服箱梁的主拉应力，但精扎螺纹钢的竖向有效预应力很难得到保证；设计时将三维问题简化为纵向和竖向的二维问题；温度荷载作用；设计尺寸的不合理，如变厚度的腹板设计导致箱梁截面中心变化快，造成由轴力和弯矩形成的附加剪应力过大，使主应力偏大；施工偏差，如拆模造成的梁体表面温度急剧降低，而内部温度无法迅速降低，导致内外产生非线性的温度场，梁体便会产生温度变形，而混凝土本身抗拉强度较低，在外荷载及温度荷载的共同作用下极易产生细微的裂纹并随时间逐步扩展。第三类裂缝产生的原因可能是设计偏差，如未按张拉底板预应力筋产生的附加横向均布力设置平衡箍筋，导致径向力无法传递到上层钢筋，全底板未全部参与受力；未进行合理的箍筋布置。将上述三类主梁裂缝产生的原因进行归纳分析主要包含有：预应力损失、混凝土收缩徐变、温度因素、施工因素、设计因素。

3.1 预应力损失

预应力连续刚构桥多采用三向预应力体系，竖向预应力对于抵抗剪应力和主拉应力非常重要。当竖向预应力减小时，主拉应力增大，而主拉应力超过混凝土抗拉强度时，就会出现斜裂缝。由此可见，竖向预应力对于抑制箱梁腹板裂缝作用明显，没有设置竖向预应力筋的箱梁腹板，开裂将更为严重。在实际工程中， 由于各种因素的影响，有效的竖向预应力往往达不到设计要求。影响竖向预应力效果因素主要有：

（1）竖向预应力束通常采用精轧螺纹钢筋，受螺纹公差的影响，螺帽与精轧钢筋螺纹的咬合并不十分紧密，影响锚固效果，造成预应力损失。endprint

（2）受梁高的限制，竖向预应力筋通常较短，在达到张拉控制应力时，预应力筋伸长量有限，锚固时稍有不慎就会造成钢筋回缩量偏大，导致预应力损失。

（3）竖向预应力管道多采用金属波纹管，压浆时经常出现压浆不通、不饱满等现象，同时预应力筋周边面积小，压进去的水泥浆粘结、握裹作用并不明显，因此，整个压浆效果并不理想。压浆的不充分将导致锚固端处应力集中，导致混凝土被压碎。

纵向预应力不足会降低腹板的抗剪能力，引起腹板开裂。由于受力及通航等的需要，纵向预应力筋一般设置为连续曲线形式，在实际施工中，大跨度连续刚构桥的箱梁是由多个直线形的浇筑块连接而成的，需经过多次抛高、张拉等变形调整，这会造成连续预应力束管道相当不平顺，管道摩阻偏大，引起纵向预应力损失。

3.2 混凝土收缩徐变

收缩徐变是混凝土材料的固有特征，也是一个复杂的非线性问题，文献[4]的研究表明其变异系数在15%～20%。大跨径预应力混凝土桥梁结构在混凝土收缩徐变的作用下，会产生很大内力，将降低截面的抗裂性能，并产生裂缝，严重影响桥梁的安全性和耐久性。混凝土的收缩是一种物理化学现象，是在不受力的情况下因体积变化而产生的变形。混凝土收缩过程中，混凝土内呈现含水梯度，混凝土表面水分蒸发，收缩较大，混凝土内部含水量较表面多，收缩小且为不均匀收缩，混凝土内收缩程度的差异致使混凝土表面承受拉力，内部承受压力。当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。徐变是混凝土结构在承受长期荷载作用时，应变或变形随时间增长而增加的现象。当超静定混凝土结构的徐变变形受到多余约束时，结构截面内将产生附加内力，附加内力将引起结构的应力重分布。预应力混凝土结构中，徐变会引起预应力损失。在桥梁运营过程中，应力重分布和预应力损失会导致主拉应力的增大，进而对腹板斜裂缝产生有所影响。

3.3 温度因素

由于混凝土的导热率差，置于自然环境中的混凝土结构表面温度受到周围环境温度、太阳辐射等因素影响迅速变化，而混凝土结构内部的温度仍处于原来的温度状态，沿混凝土构件高度产生温度梯度。混凝土结构的各部分处于不同的温度状态，由此产生的温度变形，当被结构内、外约束阻碍时，会产生相当大的温度应力，温度应力可以达到甚至超过活载应力。对于箱梁而言，桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，箱内和箱外温度差别很大，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。

3.4 施工因素

合理的桥梁线性对结构的受力至关重要，但往往施工现场存在施工不规范导致的各类问题，如挂篮不预压或预压不彻底，满堂支架未按照规范进行120%的预压，由此造成这些临时结构非弹性变形无法全部消除，对施工过程中的理论预拱造成一定的影响。另外在立模时往往存在立模不到位以及测量偏差等原因造成主梁偏离设计线性，由此造成合拢后桥梁的整体线性偏离设计线性，对桥梁结构的受力造成了不利影响，增加了后期运营期开裂的风险。施工过程中混凝土材料配比和试验室配比存在差异，如骨料级配、外加剂、水等不满足试验室配比要求，存在较大差异。施工养护及拆模不及时不到位等因素均会造成梁体开裂。

3.5 设计因素

设计多采用较为理想的状况进行简化，如梁底一般设计为二次抛物线的变化形式，但由于计算软件本身无法很好的反应这种空间效应，另外计算时多采用梁单元及空间梁格法对梁板变形、剪应力作用及温度荷载作用的空间问题进行分析与实际桥梁结构存在一定的差异，应用国际通用有限元分析软件建立对应实体模型对桥体进行分析[5]。另外設计上还存在一些截面上设计的不合理未对截面进行优化以及设计参数的简化等问题。

4 跨中过度下挠分析

连续刚构桥后期的挠度过大不但会使跨中主梁下凹，破坏桥面的铺装层，影响桥梁的使用寿命和行车舒适性，甚至危及高速行车时的安全。因此，对下挠问题的研究具有十分重要的意义。近年来，已建的大跨径连续刚构桥中普遍出现了主梁跨中下挠过大的问题。主梁下挠的特点主要表现为：

（1）挠度长期增长，增长率随时间可能呈加速、降低或者匀速变化的趋势。

（2）结构的长期挠度远大于设计计算的预计值。

预应力连续刚构桥跨中过度下挠的成因十分复杂，是多因素共同作用相互耦合的结果。其中，箱梁梁体裂缝和跨中下挠互相影响，梁体裂缝增多使结构刚度降低，加剧跨中下挠，而跨中下挠又进一步加剧箱梁开裂，这二者形成了恶性循环。所以，影响箱梁开裂的因素也对跨中下挠产生影响。纵向预应力损失与挠度增大成正比关系，影响效果明显；竖向预应力钢筋增大桥梁截面的刚度，能够抑制腹板裂缝的扩展。而裂缝的出现与挠度的增大相互促进。所以，充分发挥竖向预应力钢筋的效用，可以很好的限制结构下挠；收缩徐变是影响桥梁中长期挠度的最重要因素。在设计过程中，可以用预拱度抵消中长期挠度。但是在实际工程中，预拱度一般无法发挥出抵消的作用。

另外竖向接缝的质量对主梁后期变形也会产生较大的影响，类似这种连续刚构桥多采用分段施工，各阶段之间不可避免的会存在竖向接缝，其对桥梁的整体刚度会产生较为明显的影响，通常表现为梁体实际变形值大于理论计算值。此类桥梁多采用悬臂施工的方法，各阶段施工阶段较为分散，过程标高常存在误差，施工时多以梁底标高为准，桥面标高多为了满足设计标高要求，多采用加厚桥面铺装层厚度弥补施工过程的误差，由此造成主梁荷载增加增大了桥体跨中挠度。车辆超载行驶，有些车辆超载远超过桥梁荷载限制，但仍按常规方式通过大桥，通行时导致桥梁产生了较大的变形，部分变形无法恢复，由此也会造成箱梁腹板斜裂缝的出现。随着桥梁使用年限的增长，其耐久性也逐渐降低，在使用过程中不可避免的会遇到暴雨、大风等一些不确定的自然因素也会加剧桥梁此类病态问题的产生。

5 结论及建议

针对万户沱大桥检测存在的梁体裂缝过多，跨中挠度过大的问题，分析产生此类病态问题主要因素有：设计上存在偏差，包括设计参数，计算软件的偏差等造成桥梁本身存在问题；施工上的偏差，包括挂篮、支架预压不到位，立模标高不规范等因素造成桥梁城桥线性与设计线性存在偏差，影响了其受力性能；材料偏差，包括骨料级配不合格，外加剂、水以及搅拌等原因，施工混凝土与试验室混凝土性能存在差异；外部原因，包括运营期桥梁超负荷运营，温度变化，以及不可预知的自然灾害等。由于预应力连续刚构桥为多次超静定结构，以上因素均会对其运营期受力状况产生影响，使其结构内力发生变化，应力发生重分布，极易造成梁体开裂。梁体开裂与跨中下挠又相互影响加重了此类桥梁的病态化。

对于可能造成此类病态问题的原因，可进行针对性的预防，主要建议有：（1）由于梁体本身受力较为复杂，在设计中要不断完善设计思路，尽可能考虑预应力、剪力以及畸变效应的空间问题；设计计算采用多种软件相互校核验算，并进行优化设计；选取合适的配筋方式及截面尺寸；（2）施工完全要按照图纸施工，规范施工，进行正常的挂篮、支架预压，立模标高严格按照理论立模值每一阶段立模到位；材料要尽可能进行把关，并严格控制水化温度；（3）运营期严格按照设计容许荷载进行运营，避免桥梁超负荷运营，并做定期检查和维护。

参看文献

[1]孙剑川.大跨连续刚构桥预应力损失对后期下挠影响分析[J].工程结构，2011，31（2）：4.

[2]刘建民，牛进民等.东明黄河大桥主桥箱梁开裂成因分析与对策[J].山东交通科技，2005，（1），46-48.

[3]杨志平，朱桂新.预应力混凝土连续刚构挠度长期观测[J].公路，2004，（8）：285-289.

[4]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]潘钻峰，吕志涛.大跨径连续刚构桥主跨底板合龙预应力束的空间效应研究[J].世界桥梁，2006，（4）：36-39.endprint