連續(xù)剛構(gòu)橋的主要病害及其成因機(jī)理分析

謝 飛

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

1 概況

連續(xù)剛構(gòu)橋梁體系是一種融合了T型剛構(gòu)與連續(xù)梁兩種橋梁體系優(yōu)點、摒棄兩者缺點的新的橋梁結(jié)構(gòu)體系。其起于國外20世紀(jì)60年代，我國第一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋（廣東洛溪大橋）于1988年建成，到了20世紀(jì)90年代，我國相繼修建了幾座大跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋梁,屬于較為新穎的橋梁體系。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋主要特點

連續(xù)剛構(gòu)橋綜合了T型剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的受力特點，為預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋型的一種，其主要構(gòu)造特點是主梁的連續(xù)梁與薄壁橋墩固結(jié)而成，它的梁部結(jié)構(gòu)受彎性能也與連續(xù)梁的受彎性能基本相似，且薄壁墩底部也會承受彎矩。而且，隨著墩高的逐漸增大，薄壁橋墩對上部梁體的嵌固作用越來越弱，隨之梁體內(nèi)的軸力也相應(yīng)減小，另外，隨著嵌固作用的減弱順橋向抗推剛度將不斷減小，能有效減小混凝土收縮徐變、溫度等對橋梁的影響。除此之外，墩梁固結(jié)，可以大大節(jié)省大型支座昂貴的費用，橋墩及基礎(chǔ)的工程量也會大大減少，另外，由于豎向構(gòu)件分配水平力按剛度比分配，柔性墩的使用改善了水平荷載作用下橋梁的受力性能。此外，連續(xù)剛構(gòu)橋還有以下優(yōu)點：①隨著輕質(zhì)、高強(qiáng)混凝土、大噸位錨具的使用等使上部構(gòu)造不斷輕型化；②通過在導(dǎo)梁上合攏邊跨或與引橋的懸臂相連接實現(xiàn)合攏來取消邊跨合攏的落地支架；③取消了彎起束和連續(xù)束，簡化了預(yù)應(yīng)力束類型，主要采用豎向預(yù)應(yīng)力和縱向預(yù)應(yīng)力來克服主拉應(yīng)力，方便了施工；④由于其受力體系的合理性和高強(qiáng)輕質(zhì)材料的使用使跨徑大大增大。

3 在役連續(xù)剛構(gòu)橋主要病害特征及其產(chǎn)生成因

3.1 主要病害特征

盡管連續(xù)剛構(gòu)橋有以上所述的優(yōu)點，但隨著預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的廣泛應(yīng)用，在橋梁的施工過程和使用過程中，普遍都出現(xiàn)了不同程度的病害。連續(xù)剛構(gòu)橋的主要病害有跨中下?lián)虾土芽p，例如，三門峽黃河公路大橋下?lián)?2 cm并發(fā)現(xiàn)多處斜裂縫、黃石大橋下?lián)线_(dá)到22.6 cm，大、鋪大橋跨中下?lián)线_(dá)到25.6 cm并在跨中發(fā)現(xiàn)橫裂縫，通過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)裂縫主要出現(xiàn)在箱梁的支座附近（橫向受力裂縫）、頂?shù)装?縱向裂縫及橫向裂縫)、邊跨現(xiàn)澆段、跨中腹板（斜裂縫）等，這些缺陷的存在大大降低了連續(xù)剛構(gòu)橋的使用性能，如不能及時維護(hù)可能造成主體結(jié)構(gòu)的破壞甚至有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。

3.2 產(chǎn)生撓度的原因分析

連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)袭a(chǎn)生的主要原因可歸納為以下幾點：

3.2.1 計算模型尚不完善

箱梁的溫度分布特征對箱梁的溫度應(yīng)力有較大的影響，很多橋梁由于對溫度應(yīng)力的考慮不足導(dǎo)致橋梁的預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致跨中下?lián)虾拖淞洪_裂。以前在考慮溫度應(yīng)力時我國許多連續(xù)剛構(gòu)橋梁按T型梁設(shè)計，取溫度差5℃，但由于每個橋梁跨中梁高并不一樣，采用相同溫度差顯然不合適。我國現(xiàn)行規(guī)范中采用三角形分布溫差模型也與實測的統(tǒng)計模型相差較大，經(jīng)過對某橋梁的溫度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)橋梁的溫度分布呈非線性分布，箱梁頂板溫度最高，箱梁腹板下部溫度最低。我國鐵道部在20世紀(jì)七八十年代對多座橋梁進(jìn)行監(jiān)測統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)橋梁的溫度分布符合多次拋物線模式。而現(xiàn)行規(guī)范的溫度分布模型過于簡單，與實際的溫差模型相差較多，且用三角型模型設(shè)計橋梁偏于不安全。另外，由于連續(xù)橋梁的撓度與橋梁的剛度有關(guān)，跨中剛度較小相對較柔而支座處相對較剛，導(dǎo)致溫度升高時跨中撓度較大，并可根據(jù)撓曲線發(fā)現(xiàn)跨中板底受拉，經(jīng)多次循環(huán)可能造成跨中的疲勞破壞。

3.2.2 對混凝土徐變的長期性和嚴(yán)重性認(rèn)識不足

首先，混凝土徐變是一個非線性問題而且具有很大的隨機(jī)性，導(dǎo)致混凝土徐變的變異性系數(shù)較大；其次，橋梁多用高強(qiáng)混凝土，而目前還沒關(guān)于高強(qiáng)混凝土徐變收縮的理論，工程中多借用普通混凝土的徐變收縮理論，導(dǎo)致?lián)隙扔嬎愕脑O(shè)計值與實際值相差較大。對混凝土徐變收縮的認(rèn)識不足會直接導(dǎo)致混凝土預(yù)應(yīng)力可靠性不足，而預(yù)應(yīng)力損失又使橋梁的剛度降低，進(jìn)而加劇了橋梁下?lián)喜『Α?/p>

3.2.3 施工質(zhì)量存在的一些問題

施工單位往往希望可以縮短工期，在還沒達(dá)到混凝土加載齡期時就進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載，過早加載往往造成：①由于混凝土彈性模量的增長滯后于混凝土強(qiáng)度的增長，在混凝土強(qiáng)度到達(dá)加載強(qiáng)度時混凝土的彈性模量卻相對較小，以至于預(yù)應(yīng)力施加的彎矩小于自重產(chǎn)生的彎矩，使橋梁在施工階段就產(chǎn)生過大的撓度；②過早加載會增加混凝土的徐變，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土預(yù)應(yīng)力的損失，再者施工時往往對預(yù)應(yīng)力的摩擦損失考慮不足，進(jìn)一步增加了預(yù)應(yīng)力的損失，進(jìn)而使橋梁的撓度加大。

3.2.4 超載對橋梁的影響

首先，近幾年我國交通量劇增，汽車超載頻率也隨之增長，汽車超載時（尤其在超載堵車的情況）會使橋梁的實際荷載高于荷載的設(shè)計值，引起橋梁下?lián)?。其次，汽車超載會引起橋梁的疲勞破壞，使橋梁的耐久性降低。

3.3 梁體裂縫現(xiàn)象原因分析

梁體上的裂縫主要有斜裂縫、縱向裂縫、垂直裂縫、橫隔板裂縫以及齒板裂縫等。

3.3.1 主拉應(yīng)力斜裂縫

主拉應(yīng)力斜裂縫是梁體出現(xiàn)最多的裂縫，由于支座處剪力較大，使其主要出現(xiàn)在支座附近，并逐漸向受壓區(qū)及跨中發(fā)展。另一特征是內(nèi)腹板斜裂縫要比箱外的嚴(yán)重。經(jīng)分析，其主要形成原因有：

（1）20世紀(jì)90年代以來，為了施工方便，普遍取消了彎起束的設(shè)計，這樣可以減小腹板厚度，但預(yù)應(yīng)力損失大，梁端部會出現(xiàn)大量斜裂縫。

（2）在目前的設(shè)計中通常只從縱向和豎向來考慮主拉應(yīng)力，未曾考慮過箱梁內(nèi)側(cè)由于自重、活載和溫度原因而產(chǎn)生的橫向拉力，及扭轉(zhuǎn)、翹曲等引起的剪切應(yīng)力，使得主拉應(yīng)力的設(shè)計值偏小，箱梁內(nèi)側(cè)裂縫開展較多。

（3）施工不當(dāng)，致使預(yù)應(yīng)力損失過大，有效預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重不足，有時豎向預(yù)應(yīng)力筋已松動，沒有張拉力。

（4）部分橋梁懸臂在施工中盲目搶工期，施工質(zhì)量差，在混凝土初凝時間還小于節(jié)段所澆注的時間的情況下，既不對掛籃壓重，又自內(nèi)向外澆注混凝土，導(dǎo)致了掛籃下?lián)?，?jié)段界面上緣的開裂，通車后出現(xiàn)嚴(yán)重斜裂縫。

（5）腹板偏薄，普通鋼筋配筋率偏小。

3.3.2 縱向裂縫

縱向裂縫與橋軸方向平行，大多出現(xiàn)在頂?shù)装?。出現(xiàn)的原因有：①未設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，在頂板下緣出現(xiàn)規(guī)范允許寬度的縱向裂縫。②縱向預(yù)應(yīng)力施加過大，在橋梁克服恒載后仍具有很大的壓應(yīng)力儲備，造成縱向裂縫的產(chǎn)生。③活載對橋梁產(chǎn)生的橫向彎矩是縱向裂縫形成的原因之一，經(jīng)常出現(xiàn)的超載現(xiàn)象使橫向作用大于縱向作用，易產(chǎn)生縱向裂縫。④當(dāng)箱梁腹板配筋不足，腹板內(nèi)側(cè)在梁自重下產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力及其他作用的組合，會在腹板產(chǎn)生縱向裂縫。⑤節(jié)段澆注混凝土?xí)r間間隔過長，橋由于收縮差而出現(xiàn)縱向裂縫。⑥在較薄的頂板中橫向預(yù)應(yīng)力束的布置位置往往難以控制偏差，若偏差過大，頂板下緣將產(chǎn)生縱向裂縫。⑦在橋現(xiàn)澆施工階段，由于溫度應(yīng)力往往高于緩慢提升的混凝土抗拉強(qiáng)度，在底板較厚的梁根部拆模后會發(fā)現(xiàn)在地板下緣產(chǎn)生的縱向裂縫?；炷涟逶谟不^程中產(chǎn)生水化熱，中心溫度高于邊緣溫度，而板底與空氣接觸，溫度最低。在平面變形的作用下產(chǎn)生自平衡應(yīng)力，中心受壓邊緣受拉，當(dāng)拉應(yīng)力大過抗拉強(qiáng)度，混凝土便會開裂，尤其在板底，但僅限于表面，危害較小。

3.3.3 垂直裂縫、橫隔板及齒板裂縫

（1）垂直裂縫在大跨徑梁橋設(shè)計中的全預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件均不應(yīng)出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，就表明正截面強(qiáng)度不足。

（2）橫隔板、齒板裂縫與施工質(zhì)量有關(guān)，同時也是由于設(shè)計中截面尺寸不合理或預(yù)應(yīng)力設(shè)計噸位過大，錨下混凝土應(yīng)力過于集中造成的。

3.4 下?lián)喜『土芽p病害相互耦合

跨中撓度往往和垂直裂縫與斜裂縫同時出現(xiàn)，相互促進(jìn)惡化。

4 連續(xù)剛構(gòu)橋病害的相應(yīng)對策

4.1 控制裂縫的相應(yīng)對策

（1）從設(shè)計上，首先，要保證橋梁有足夠的正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度；其次，在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)結(jié)合施工（如在設(shè)計中考慮恒載是應(yīng)適當(dāng)結(jié)合各個施工階段）；再次，應(yīng)充分考慮徐變對下?lián)系挠绊?；最后，可以通過適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力鋼筋來減小橋梁撓度（如在梁根部可以用預(yù)應(yīng)力鋼筋束在抵銷懸臂節(jié)段自重以減小橋梁下?lián)希?/p>

（2）在施工時應(yīng)加強(qiáng)對施工質(zhì)量的監(jiān)管，在施加預(yù)應(yīng)力時應(yīng)在保證混凝土的齡期的條件下進(jìn)行。在使用時應(yīng)盡量減小超載事件的發(fā)生并注意橋梁的正常養(yǎng)護(hù)。

4.2 控制裂縫的相應(yīng)對策

在設(shè)計和施工上，首先，應(yīng)注意充分考慮預(yù)應(yīng)力損失，尤其要保證豎向預(yù)應(yīng)力的有效性；其次，可以通過增加橋梁腹板（尤其是橋梁根部處腹板）的厚度或增加腹板的配筋量來減少斜裂縫；最后，應(yīng)加強(qiáng)施工和使用的監(jiān)管。

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