連續(xù)剛構(gòu)橋梁耐久性研究

前言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展以及社會的進步，我國橋梁事業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展。連續(xù)剛構(gòu)橋梁的耐久度可以衡量其結(jié)構(gòu)保持耐久性的能力，可以通過耐久性指標(biāo)確定連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)的構(gòu)耐久性是否滿足設(shè)計要求。為了提高連續(xù)剛構(gòu)橋梁的質(zhì)量，延長橋梁的使用壽命，必須提高連續(xù)剛構(gòu)橋梁的耐久性。同時，應(yīng)確保連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計的合理性，以此提高橋梁的質(zhì)量，滿足我國社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。

一、我國連續(xù)剛構(gòu)橋梁耐久性存在的現(xiàn)狀

我國修建了大量的連續(xù)鋼構(gòu)橋，收到了良好的經(jīng)濟效益。成績是第一位的，但問題也在所難免。大跨度連續(xù)鋼構(gòu)橋經(jīng)長期使用后，存在一起較為常見的病害，概括起來，有三大類。即：跨中下?lián)?、梁體開裂、耐久性問題。

跨中下?lián)鲜鞘制毡榈默F(xiàn)象，主要是由混凝土徐變引起的，尤其是大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋，跨中下?lián)贤殡S著跨中段出現(xiàn)橫向裂縫或大量斜裂縫，其下?lián)峡蛇_到相當(dāng)大的程度，造成嚴(yán)重病害。例如：黃石長江公路大橋跨中下?lián)?，最大已?jīng)達到33.5厘米，當(dāng)然出現(xiàn)大量的主拉應(yīng)力斜裂縫與跨中段橫向裂縫；虎門大橋輔航道橋跨中下?lián)希?002年達到22厘米，與此同時，跨中出現(xiàn)一些橫向裂縫及主拉應(yīng)變裂縫，此下?lián)现颠h遠超過原設(shè)計預(yù)留量10厘米；湖北鐘祥漢江大橋于1993年11月通車，2005年拆除重建。

二、跨中下?lián)系脑?/p>

由于連續(xù)鋼構(gòu)橋的恒載應(yīng)力占總內(nèi)力的80%、甚至90%以上。為減少恒載內(nèi)力，上世紀(jì)90年代過分強調(diào)結(jié)構(gòu)的輕型化，直接后果導(dǎo)致板件較薄，板件薄，混凝土的應(yīng)力就高，而徐變變形與應(yīng)力成正比，由徐變理論可知：板件越薄，理論厚度就越小，徐變系數(shù)就越大。其次，連續(xù)鋼構(gòu)橋在設(shè)計階段，僅僅按照上緣混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力，控制負彎矩預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量，沒有充分考慮負彎矩預(yù)應(yīng)力對控制徐變下?lián)系挠辛ψ饔茫瑢?dǎo)致內(nèi)支點負彎矩預(yù)應(yīng)力筋配置不足。另外，連續(xù)鋼構(gòu)橋在施工期，業(yè)主和施工單位往往縮短施工周期，設(shè)計圖紙只對混凝土的強度達到80-90%時，施加預(yù)應(yīng)力，很少對混凝土的加載齡期提出要求，因為早期混凝土的彈性模量的增長明顯滯后于強度的增長，添加早強劑后，混凝土的強度很快達到設(shè)計強度，但是彈性模量往往是設(shè)計值的70%，甚至更低。由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中的混凝土徐變系數(shù)終極值可見，3天加載和7天加載比較，徐變系數(shù)終極值增加15%-20%。由于徐變撓度計算只針對恒載，但在交通量日益繁重的路段上，橋上的車流不停止，從客觀上講，部分活載轉(zhuǎn)變成了恒載，同樣會產(chǎn)生撓度徐變，導(dǎo)致下?lián)显龃蟆?/p>

連續(xù)鋼構(gòu)橋在施工時，由于對預(yù)應(yīng)力管道定位、漏漿控制不嚴(yán)格，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管道摩擦，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，造成有效預(yù)應(yīng)力不足。梁體在下?lián)系耐瑫r，導(dǎo)致梁體開裂，不論是斜裂縫還是橫向裂縫，都將導(dǎo)致梁體的剛度降低，進一步使撓度加大。

三、跨中下?lián)系念A(yù)防對策

跨中下?lián)贤蜋M向裂縫、斜裂縫同時發(fā)生，相互促進惡化，因此，在設(shè)計階段，保證梁體有足夠的正截面強度和斜截面強度，同時應(yīng)充分考慮徐變的不利影響。在控制負彎矩區(qū)域截面的應(yīng)力梯度方面，在梁的根部區(qū)域，可使懸臂節(jié)段的自重完全由預(yù)應(yīng)力抵消，內(nèi)支點的底板厚度應(yīng)大于跨徑的1/140，只有保證了梁體的正截面強度和斜截面強度，并且截面的應(yīng)力梯度較小，連續(xù)鋼構(gòu)橋梁體的安全儲備方可得到保證，這樣只需要設(shè)置較小的預(yù)拱度，用來抵消預(yù)應(yīng)力徐變損失以及合龍后二期恒載等引起的徐變撓度。在合龍施工階段，合龍主跨前，在兩懸臂端施加水平力對頂，然后合龍。不僅有利于減少跨中控制應(yīng)力，也有利于減少跨中下?lián)?。同時必須適當(dāng)增加底板合龍束，并預(yù)留體外備用鋼束，防止徐變下?lián)虾蟮装宄霈F(xiàn)橫向裂縫。加強施工質(zhì)量管理，混凝土加載齡期至少應(yīng)在7天以上，強度和彈模至少在90%以上；采用真空壓漿，減少管道摩阻，防止漏漿，嚴(yán)格杜絕混凝土超方現(xiàn)象。

連續(xù)鋼構(gòu)橋大跨徑梁橋跨中區(qū)域段應(yīng)考慮輕型化，例如重慶石板坡長江大橋跨中段108米采用鋼梁，國外的斯托爾馬橋（301米）跨中段182米采用了C60輕質(zhì)陶粒混凝土。

連續(xù)鋼構(gòu)橋在設(shè)計階段，要適當(dāng)考慮活載影響。例如：蘇通長江大橋輔航道橋，在設(shè)計時，考慮了兩個車道的活載來參與徐變計算。

四、梁體斜裂縫的主要原因

交通部公路科學(xué)研究所對全國公路系統(tǒng)主跨大于60米的180座主要預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁做了裂縫調(diào)查與統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果為：腹板裂縫86.4%、頂板裂縫90.9%、底板裂縫54.5%、橫隔板裂縫86.4%、齒板裂縫36.4%，腹板斜裂縫是出現(xiàn)較多的裂縫，與梁軸線呈現(xiàn)25度-50度開裂，隨著時間的推移，裂縫逐漸增多，裂縫向上、下、跨中方向發(fā)展。斜裂縫的另外一個特征就是箱內(nèi)裂縫明顯多于箱外裂縫。

出現(xiàn)斜裂縫的原因為：上世紀(jì)90年代，在箱梁橋的設(shè)計中，大規(guī)模的取消了彎起束，僅僅靠縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力來克服主拉應(yīng)力，同時腹板的厚度也減少。豎向預(yù)應(yīng)力（靜軋螺紋鋼）有效預(yù)應(yīng)力不易得到保障，結(jié)果斜裂縫大量出現(xiàn)。作為平面問題分析，計算主拉應(yīng)力偏小，設(shè)計僅僅對縱向和豎向二維來分析主拉應(yīng)力，沒有充分考慮橫向的影響。其次為：溫度影響，日照溫差導(dǎo)致箱梁內(nèi)部全截面受拉，按照多國規(guī)范計算，日照作用下腹板內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力可達2MPA；同時后期索的影響，跨中張拉后期索導(dǎo)致腹板受彎拉、底板受彎；此外箱型截面，扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變也會使腹板中剪應(yīng)力加大，從而增大主拉應(yīng)力。在施工中，由于腹板偏薄，混凝土澆筑質(zhì)量不能保證，配置的普通鋼筋偏少，不能有效限制裂縫寬度。設(shè)計中的豎向預(yù)應(yīng)力施工操作不規(guī)范，誤差大，有效預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重不足，特別是精軋螺紋鋼，有的豎向預(yù)應(yīng)力筋甚至松動，根本沒有預(yù)應(yīng)力。

五、梁體斜裂縫的預(yù)防對策

首先必須保證梁體有足夠的斜截面強度，從根本上杜絕了斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。在設(shè)計階段，采用三維分析箱梁的主拉應(yīng)力，不漏項，尤其是橫向荷載的計算，保證全面分析造成斜裂縫的不利因素。在設(shè)計和施工階段，必須配置彎起束、高效豎向預(yù)應(yīng)力束。采取以上方法，可以杜絕斜裂縫的產(chǎn)生，保證梁體的耐久性。

六、梁體縱向裂縫的原因及措施

超載，特別是超再車的軸荷載作用，對橫向的影響比縱向更大，這是因為縱向彎矩自重占絕大部分，而橫向彎矩主要由活載引起，軸重超出規(guī)范后，易出現(xiàn)頂部下緣的縱向裂縫。溫度應(yīng)力估計過小，89橋梁設(shè)計規(guī)范，翼緣與梁體5度的偏差，與實際不符合，溫度應(yīng)力接近甚至超越活載的應(yīng)力，現(xiàn)在的《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了比過去大很多的溫度梯度，有望解決。其次，鋼構(gòu)墩身建成后相當(dāng)時間，才建墩上梁的0號塊，由于墩身的橫向收縮已經(jīng)完成，而0號塊的橫向收縮受墩身的約束，導(dǎo)致底板中部出現(xiàn)裂縫，收縮差引起的裂縫，齡期差的混凝土結(jié)合面，都有因收縮差而出現(xiàn)縱向裂縫的風(fēng)險，因此，節(jié)段澆筑時間間隔不要過長。

由于頂板較薄，又要布置縱、橫向預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋，橫向預(yù)應(yīng)力筋位置較難控制精確，一旦偏差較大，很容易在頂板下緣出現(xiàn)縱向裂縫，同時頂板薄導(dǎo)致活載作用下混凝土應(yīng)力變幅過大，容易出現(xiàn)疲勞裂縫。箱梁腹板的內(nèi)外側(cè)均存在橫向拉應(yīng)力，配筋不足時候，容易出現(xiàn)縱向裂縫，因此要保證配筋數(shù)量。變截面箱梁的底板由于施加后期預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生徑向力，當(dāng)?shù)装鍣M向配筋不足，會在底板橫向跨中下緣，出現(xiàn)縱向裂縫，因此保證底板橫向配筋，減少縱向裂縫。其次，跨中底板病害包括，底板混凝土崩裂，上下層鋼筋網(wǎng)分層，跨中底板下緣的縱向裂縫。這些都是底板后期束引起的?；炷辆植勘懒押头謱拥脑驗椋轰摻铋g距過大或失效、混凝土質(zhì)量達不到要求、預(yù)應(yīng)力管道轉(zhuǎn)角太小。水化熱導(dǎo)致開裂，懸澆施工底板較厚的梁根部，尤其是天氣很冷，拆模后發(fā)現(xiàn)底板下緣存在縱向裂縫，這些在施工中都應(yīng)采取相應(yīng)的調(diào)整措施。

另外，瀝青高溫攤鋪的作用（規(guī)范無規(guī)定），攤鋪溫度高達150度左右，40分鐘后頂板達到最大應(yīng)力，4小時后趨于均勻，橫向為4.2MPA，日照形成1.62MPA，這些都應(yīng)在設(shè)計階段以施工荷載給予考慮。

七、梁體橫向裂縫的原因

連續(xù)鋼構(gòu)橋箱梁正截面強度不足，（有效預(yù)應(yīng)力不足，過早加載，預(yù)應(yīng)力徐變損失大，沿著管道預(yù)應(yīng)力損失偏大，預(yù)應(yīng)力筋因為管道壓漿不飽滿和漿體離析而銹蝕）、設(shè)計、施工階段對剪力滯影響考慮不夠，腹板區(qū)域上下緣縱向拉應(yīng)力遠大于平均壓力，都將導(dǎo)致橫向裂縫的產(chǎn)生。同時，應(yīng)嚴(yán)格控制梁體超方、鋪裝過厚、橋面超載、摩擦樁的不均勻沉降等現(xiàn)象。

結(jié)束語

目前，我國連續(xù)鋼構(gòu)橋設(shè)計、施工處于一個相對規(guī)范、可控的狀態(tài)，對縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力的認識和實施已經(jīng)到一個新的高度，切實保障了我國橋梁建設(shè)的質(zhì)量。

（作者單位：河南省濟陽高速公路建設(shè)有限公司）

作者簡介

許改平，女（1981-11-），河南洛陽伊川縣，本科，研究方向：土木工程。