連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)铣梢蚍治雠c主動(dòng)控制方法研究

李茂盛 夏小春

摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)輕盈、承載能力強(qiáng)、行車平順舒適等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，但大量實(shí)例證明，預(yù)應(yīng)力混凝連續(xù)剛構(gòu)橋普遍存在跨中持續(xù)下?lián)弦约跋淞焊拱彘_裂等病害。迄今為止，對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)系漠a(chǎn)生機(jī)理、影響因素及對長期撓度的預(yù)測仍然沒有形成統(tǒng)一的理念。因此，本文深入剖析了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)系某梢颍⑻岢隽擞行У南聯(lián)现鲃?dòng)控制方法，對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋今后的應(yīng)用與發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)橋；下?lián)希怀梢蚍治?；控制方?/p>

一、引言

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是在連續(xù)梁橋和T型剛構(gòu)橋的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的大跨度橋梁最常用的橋型之一[1]。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋集中了上述兩種橋型的優(yōu)勢：墩、梁固結(jié)，不設(shè)支座；可以選擇梁與墩的相對剛度，調(diào)節(jié)梁跨中和橋墩彎矩以及梁的建筑高度；同一聯(lián)內(nèi)無縫，滿足安全、高速、舒適行車的要求；對于溫度、地震以及混凝土收縮徐變有著較好的抵抗能力。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用極為廣泛，在大量的實(shí)踐中，工程師們獲取了許多的經(jīng)驗(yàn)。但在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的使用過程中，隨著跨度增加，主梁的下?lián)蠁栴}日益突出，已具有廣泛的普遍性，嚴(yán)重影響到這一橋型的繼續(xù)發(fā)展。黃石大橋是一座五跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，縱橋向布置為162.5m+3×245m+162.5m，運(yùn)營7年后，各跨跨中均有明顯下?lián)?，其中主梁跨中下?lián)侠塾?jì)已達(dá)30.5cm；虎門大橋是一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，縱橋向布置為150m+270m+150m，運(yùn)營七年后，主墩變?yōu)橄鄬^小，但是主跨跨中撓度持續(xù)增加，而且尚未停止，主梁最大下?lián)弦堰_(dá)22.2cm；金沙大橋是一座三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，縱橋向布置為66m+120m+66m，運(yùn)營6年后，主梁最大下?lián)弦堰_(dá)22cm，同時(shí)跨中混凝土箱梁出現(xiàn)大量的裂縫，最大裂縫寬度1.1 mm，。三門峽黃河公路大橋是一座六跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，縱橋向布置為105m+4×140m+105m，運(yùn)營11年后，主梁最大下?lián)弦堰_(dá)22cm。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中下?lián)?，?yán)重影響車輛的平穩(wěn)通行，對大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成很大威脅[2]。因此，系統(tǒng)研究預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)系某梢?，找出具有針對性的控制方法，是解決此類型橋梁持續(xù)下?lián)系年P(guān)鍵手段。

二、跨中下?lián)铣梢蚍治?/p>

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)系挠绊懸蛩剌^多，成因也極為復(fù)雜。在成因分析過程中，不能將主梁下?lián)线M(jìn)行孤立的研究，而是需要將其他病害聯(lián)系起來，作為一個(gè)系統(tǒng)，全面的進(jìn)行剖析。由于混凝土收縮徐變和預(yù)應(yīng)力持續(xù)損失是不可避免的，因此預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋持續(xù)下?lián)系默F(xiàn)象也無法避免。另外，由于預(yù)應(yīng)力的逐漸損失以及梁體下?lián)现笠鸬膬?nèi)力重分布，會(huì)使得箱體局部區(qū)域存在受拉開裂的情況。裂縫持續(xù)開展會(huì)導(dǎo)致主梁結(jié)構(gòu)剛度降低，進(jìn)一步導(dǎo)致變形的加快。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁下?lián)鲜且粋€(gè)困撓了工程師們幾十年的難題，嚴(yán)重制約了這種橋型的發(fā)展，經(jīng)過大量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析，總結(jié)出以下5大成因[3-4]：

（一）混凝土收縮徐變問題。

20世紀(jì)初，外國學(xué)者首次在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了混凝土的徐變現(xiàn)象，20世紀(jì)30年代之后，人們才對混凝土的收縮徐變開始系統(tǒng)的研究，20世紀(jì)70年代才將研究成果逐步應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)上。針對混凝土的研究，普遍分為兩類，一類是對收縮徐變規(guī)律特征的預(yù)測，用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行模型建立，一類是研究收縮徐變對結(jié)構(gòu)性能的影響。目前，國內(nèi)外的工程師們提出了很多的預(yù)測模型，但是均存在假設(shè)條件，還沒有達(dá)成一致的共識(shí)。目前預(yù)測的混凝土收縮徐變與實(shí)際數(shù)值普遍存在20%左右的偏差。

混凝土收縮徐變預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，對于分析結(jié)構(gòu)的長期受力性能具有重要的價(jià)值。在預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)過程中，選擇不合適的收縮徐變預(yù)測模型，則會(huì)導(dǎo)致?lián)隙阮A(yù)測誤差過大，使得橋梁在運(yùn)營階段，無法滿足實(shí)際需求，造成主梁下?lián)蠂?yán)重。一般來說，結(jié)構(gòu)計(jì)算中針對混凝土收縮徐變選用預(yù)測模型的偏差會(huì)比結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算所造成的偏差更為嚴(yán)重，尤其是對于徐變較為敏感的結(jié)構(gòu)。然而，混凝土收縮徐變的準(zhǔn)確預(yù)測由于其影響因素眾多，同時(shí)這些因素自身變化也很不規(guī)律，既相互獨(dú)立又相互影響，就是的準(zhǔn)確預(yù)測變得十分困難。

（二）預(yù)應(yīng)力損失問題。

通過現(xiàn)有文獻(xiàn)調(diào)研，存在多種多樣的原因使得預(yù)應(yīng)力持續(xù)損失。這其中就包括了施工過程中管道壓漿不充實(shí)，造成預(yù)應(yīng)力不能有效的傳遞，降低了預(yù)應(yīng)力的使用效率；假如波紋管存在空隙，則極有可能導(dǎo)致水和空氣的進(jìn)去，對管內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行腐蝕，極大地削減預(yù)應(yīng)力筋截面，造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致嚴(yán)重的橋梁安全事故的發(fā)生。預(yù)應(yīng)力的持續(xù)損失會(huì)造成預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的剛度降低，是導(dǎo)致主梁下?lián)系闹匾颉?/p>

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的縱向預(yù)應(yīng)力筋普遍數(shù)量多且長度大，因此其預(yù)應(yīng)力損失大多數(shù)是由于管道內(nèi)摩擦而造成的。摩擦阻力造成的預(yù)應(yīng)力損失原因極為復(fù)雜，與施工質(zhì)量具有很強(qiáng)的關(guān)系，管道內(nèi)受力情況復(fù)雜也導(dǎo)致了其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)值存在較大的差距。因此建議當(dāng)存在大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行現(xiàn)場測試，即使掌握實(shí)際工程中的預(yù)應(yīng)力損失。實(shí)際情況中，為了工程進(jìn)度、節(jié)約成本以及技術(shù)質(zhì)量等等原因，往往不能達(dá)到預(yù)計(jì)的情況。

（三）箱體開裂問題。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)吓c箱梁開裂相伴隨，典型的如湖北黃石長江大橋，下?lián)系耐瑫r(shí)伴隨有大量的裂縫。當(dāng)主梁跨中產(chǎn)生了腹板斜裂縫和彎曲橫向裂縫，隨著裂縫發(fā)展的走勢，假如沒有采取有效的手段對裂縫進(jìn)行有效的處理，該位置則會(huì)逐漸成為一個(gè)塑性鉸，進(jìn)而改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力特征，危及全橋的安全。主梁一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，原有的計(jì)算模式與假設(shè)理論則不再適用，現(xiàn)有的有限元軟件同樣無法準(zhǔn)確的模擬開裂后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，就會(huì)無法估計(jì)橋梁剩余承載力，不能進(jìn)行高效的管養(yǎng)決策。主梁開裂與下?lián)舷嗷ビ绊?，相互促進(jìn)，因此需要將兩者聯(lián)系起來研究，才能更好的保證橋梁的正常使用狀態(tài)。

（四）活載效應(yīng)問題。

一般情況下，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)现慌c結(jié)構(gòu)恒載存在關(guān)聯(lián)，與活載的關(guān)系不大。然而隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車越來越多，超載現(xiàn)象越來越普遍，也就造成了現(xiàn)有橋梁一直在超荷工作，由此肯定會(huì)形成一定的永久性變形。長時(shí)間的超荷工作，也相當(dāng)于給橋梁造成持續(xù)的荷載，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的徐變現(xiàn)象。目前我國規(guī)范對于橋梁收縮徐變的計(jì)算是針對恒載而得出來的，想要考慮活載對徐變的影響值，則需要采取其他的手段進(jìn)行研究。根據(jù)調(diào)研分析，活載產(chǎn)生的徐變值占的比重不容小覷，但是實(shí)際計(jì)算中卻常常忽略這一部分內(nèi)容。因此在徐變預(yù)測之中，不可忽視車流量增加以及車輛超重的影響。

（五）施工質(zhì)量問題。

混凝土的基本特征之一是早期的彈性模量增長滯后于強(qiáng)度的增長。然而大量的預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的施工工期過短，節(jié)段混凝土澆注后通常只在3～5天的養(yǎng)護(hù)后即施加預(yù)應(yīng)力，這種做法導(dǎo)致混凝土的彈性模量還沒有達(dá)到要求，剛度降低，增加了后期的下?lián)稀?/p>

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，水灰比越大的混凝土由于其水分多，結(jié)構(gòu)較松散，導(dǎo)致后期收縮徐變增大，現(xiàn)實(shí)過程中為了施工的便捷高效，往往采用高水灰比的的混凝土；外加劑對混凝土凝膠體的密實(shí)度易造成不利的影響，很多橋梁存在外加劑使用不當(dāng)?shù)膯栴}。澆筑過程中充分的振搗會(huì)使得混凝土水化程度得到有效地提高，混凝土?xí)用軐?shí)。但是由于施工條件以及施工進(jìn)度的原因，施工單位常常很好地做到這一點(diǎn)。

三、跨中下?lián)现鲃?dòng)控制方法[5-7]

（一）設(shè)計(jì)優(yōu)良結(jié)構(gòu)體系。

恒載是預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)系闹匾?。因此選擇鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，可顯著的減輕自重、增加預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，成為突破并優(yōu)化混凝土連續(xù)剛構(gòu)體系最有效的技術(shù)方案，建議主跨大于200米的連續(xù)剛構(gòu)橋均考慮采用組合結(jié)構(gòu)。

組合結(jié)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)形式可以選擇?；炷亮撼伺c鋼箱梁組合外，還可以采用桁架梁或桁架腹板梁、鋼混疊合梁及波形鋼腹板梁等適宜的形式。選用時(shí)，應(yīng)結(jié)合加工、運(yùn)輸、安裝及養(yǎng)護(hù)等方面優(yōu)化比較。

組合結(jié)構(gòu)的長度，須根據(jù)結(jié)構(gòu)受力最佳、技術(shù)難度較小及節(jié)省投資等方面綜合比較。梁體間的連接，既可采用成橋?yàn)楹喼炜椎姆绞揭部膳c混凝土結(jié)構(gòu)永久性連接。采用永久性連接時(shí)，接頭位置以選取受彎曲效應(yīng)較小的位置為佳。

（二）混凝土質(zhì)量控制。

預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋同一聯(lián)的主梁所采用的混凝土應(yīng)保證性能與施工方式基本相同。用于橋梁建設(shè)的混凝土材料不僅需要滿足強(qiáng)度方面的要求，還需滿足耐久性以及收縮徐變的要求。施工單位應(yīng)根據(jù)混凝土材料來源以及現(xiàn)場施工環(huán)境，進(jìn)行混凝土性能測試試驗(yàn)，掌握實(shí)際性能。主梁各個(gè)截面的尺寸誤差應(yīng)該得到有效的控制，各節(jié)段重量誤差應(yīng)控制在3%的范圍內(nèi)。主梁零號塊與其余節(jié)段的施工間隔不應(yīng)該過長。如遇特殊情況豎向可分次澆注，第一次澆注的腹板高度應(yīng)控制在腹板高度的0.3到0.6倍范圍內(nèi)，應(yīng)盡量避免在截面形心軸附近設(shè)施工縫。第二次澆注的間隔時(shí)間，應(yīng)盡可能不大于6天，以避免新舊混凝土的收縮差導(dǎo)致腹板出現(xiàn)裂縫。應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境與特殊情況，做好混凝土的養(yǎng)護(hù)措施，防止混凝土出現(xiàn)早期收縮開裂現(xiàn)象。水灰比應(yīng)該設(shè)置上限，并進(jìn)行系統(tǒng)的管理，同時(shí)在澆筑過程中進(jìn)行充分的振搗。

（三）預(yù)應(yīng)力張拉控制。

混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度且混凝土齡期不少于7天后，方能張拉鋼束。張拉鋼束應(yīng)采用張拉力和伸長量雙控。應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場張拉工藝試驗(yàn)，確定預(yù)應(yīng)力鋼束張拉初應(yīng)力、超張拉值、各次張拉噸位及持荷時(shí)間等指標(biāo)。預(yù)應(yīng)力鋼束和精軋螺紋鋼筋張拉完畢，嚴(yán)禁碰撞錨頭和鋼束（筋），鋼絞線和精軋螺紋鋼筋多余的長度應(yīng)用砂輪切割機(jī)切除，嚴(yán)禁燒焊切除。錨具要成套定貨（包括錨下螺旋鋼筋），不得用承包商自制的任何構(gòu)件取代成套錨具的任一部分，錨具的所有構(gòu)件必須經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)。預(yù)應(yīng)力孔道灌漿一般應(yīng)采用真空輔助壓漿技術(shù)，嚴(yán)格控制飽滿度，確保壓漿飽滿；真空輔助壓漿的工藝應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，制定工藝操作流程；預(yù)應(yīng)力鋼束封錨前應(yīng)認(rèn)真清理錨頭槽孔，涂抹阻銹劑，用環(huán)氧砂漿涂抹錨頭，并采用低收縮混凝土澆注密實(shí)。鼓勵(lì)推廣應(yīng)用預(yù)應(yīng)力數(shù)控張拉技術(shù)和可重復(fù)補(bǔ)張拉的預(yù)應(yīng)力筋體系等新技術(shù)和新工藝。

（四）重視后期運(yùn)營維護(hù)。

應(yīng)對預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行日常巡查、定期檢查、專項(xiàng)檢查，建立橋梁檔案，每次檢測進(jìn)行結(jié)果比對，并預(yù)測橋梁性能的發(fā)展情況。應(yīng)充分考慮到預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋營運(yùn)階段的實(shí)際受力以及環(huán)境，在恒載、活載以及環(huán)境的共同作用下，其強(qiáng)度和剛度會(huì)隨著時(shí)間的增加而降低，這不僅會(huì)影響安全行車，更會(huì)使橋梁的使用壽命縮短。因此應(yīng)該建立和發(fā)展一個(gè)健康監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的診斷量測手段，通過對大橋關(guān)鍵部位的空間位置、力學(xué)性能及其變化的長期和定期監(jiān)測、分析，長期積累數(shù)據(jù)，用來監(jiān)測和評估大橋在運(yùn)營期間其結(jié)構(gòu)的承載能力、運(yùn)營狀態(tài)和耐久能力。

四、結(jié)語

隨著預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營時(shí)間的增長，梁體跨中出現(xiàn)下?lián)喜橛辛芽p產(chǎn)生成為一種普遍現(xiàn)象，對橋梁使用性能和結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，已成為此類橋梁發(fā)展的嚴(yán)重障礙。本文分析了不同因素對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁下?lián)系挠绊?，同時(shí)提出了相應(yīng)的控制手段，對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁設(shè)計(jì)、施工、長期撓度預(yù)測以及安全評價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)蠙C(jī)理復(fù)雜，限于目前對混凝土徐變收縮規(guī)律認(rèn)識(shí)的不足，應(yīng)對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的撓度變化作長期觀測，積累實(shí)際數(shù)據(jù)，以逐步修正實(shí)際情況與試驗(yàn)的差別。同時(shí)，目前對下?lián)吓c開裂間相互作用的關(guān)系以及橋梁使用階段實(shí)際預(yù)應(yīng)力損失特性的認(rèn)識(shí)還不夠明確，有待進(jìn)一步深入研究。

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作者簡介：李茂盛（1984-），男，重慶人，主要從事橋梁檢測與評估工作。