报告4－施工过程中的典型问题分析及其技术对策-修改

“高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工关键技术研究”项目研究报告之四预应力混凝土连续刚构桥施工过程中的典型问题分析及其技术对策“高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工关键技术研究”课题组2007年1月26日“高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计与施工关键技术研究”项目研究报告之四预应力混凝土连续刚构桥施工应注意的问题分析及其技术细节报告撰写方志汪剑报告审核曹传林廖朝华湖北沪蓉西高速公路建设指挥部湖南大学土木工程学院（代章）中交第二公路勘察设计研究院2007年1月26日目录一研究背景二预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析三预应力混凝土连续刚构桥主梁下挠过大成因分析四预应力混凝土连续刚构桥施工中其它问题五预应力混凝土连续刚构桥上部结构施工建议一研究背景混凝土薄壁箱梁以其良好的结构整体受力性能和跨越能力而在现代大跨桥梁结构中得到广泛应用，沪蓉西延线的大跨预应力混凝土连续刚构桥的主梁亦不另外地均采用这种断面形式。但在国内迄今所修建的混凝土薄壁箱梁桥中，在施工阶段和/或运营阶段，箱梁上均存在较多的开裂现象，裂缝的出现必将对结构的刚度和耐久性产生不利影响；此外随着使用年限的增加，连续刚构桥的跨中不断下挠，这会使桥梁运营期内出现不良线形而引起乘客的不舒适感，甚至危及行车安全。跨中下挠又会进一步加剧箱梁底板开裂，而箱梁梁体裂缝增多使结构刚度降低，进一步加剧了跨中下挠，这两者互相影响形成了恶性循环，这些问题至今尚未得到较好的解决，已成为多年来困扰工程技术界的一个难题。引发上述病害的原因十分复杂，从工程实例来看，病害与结构受力和抗力的变化有关。根据结构的受力特性，使主梁产生持续下挠可能与主梁混凝土收缩及徐变、主梁刚度变化、主梁纵向预应力有效性降低及荷载增加等因素有关；使箱梁产生裂缝可能与主梁纵向、竖向预应力有效性降低、局部受力、混凝土徐变收缩、混凝土性能不稳定以及施工质量等因素有关。本报告主要着眼于大跨预应力连续刚构桥施工阶段和/或运营阶段出现的上述病害，对其具体形成原因进行详细分析，并在此基础上提出预防混凝土箱梁桥开裂及下挠过大的有效措施，为沪蓉西延线大跨预应力混凝土连续刚构桥的设计和施工提供有效的技术支持。二预应力混凝土连续刚构桥箱梁裂缝成因分析（一）混凝土结构上的裂缝种类虽然使混凝土结构产生裂缝的原因很多，但可以将其分为荷载裂缝和非荷载裂缝和非荷载裂缝两大类。所谓荷载裂缝是指外荷载作用下构件内的拉应变超过混凝土的极限拉应变所致，根据构件的受力特征不同有受拉、弯拉、剪切和扭转等裂缝形态；而非荷载裂缝是指材料收缩、温度变化、钢筋锈蚀、地基不均匀沉降以及施工养护不当等引起的裂缝。从工程实例来看，混凝土箱梁桥开裂的原因，由非荷载为主要因素引起的裂缝约占全部裂缝的80，而由荷载因素引起的裂缝仅占20，但过去人们对非荷载因素的重视程度远不如荷载因素，施工阶段及运营阶段出现的大部分裂缝，更是与非荷载因素紧密相关。混凝土结构中存在拉应力是产生裂缝的必要条件，结构中主拉应力达到混凝土的抗拉强度时，并不立即产生裂缝，而是当拉应变达到极限拉应变时才出现裂缝。硬化后的混凝土极限拉应变约为150106，即10M长的构件，产生15MM的很小受拉变形即会产生裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度最小的位置发生。1非荷载裂缝引起混凝土结构产生非荷载裂缝的原因很多，在施工阶段主要有材料、混凝土浇注时的水化热、下沉和泌水以及施工质量控制等方面的原因。2荷载裂缝根据构件的受力特征不同有图1所示的受拉、弯拉、剪切和扭转等形态的荷载裂缝。在混凝土薄壁箱梁中，可能出现的典型荷载裂缝包括正截面抗裂能力不足所导致的弯曲裂缝（包括顶板沿顺桥向的弯曲裂缝和主梁沿竖桥向的弯曲裂缝）、斜截面抗裂能力不足所导致的腹板斜裂缝以及预应力锚下局部承压区域抗裂能力不足所导致的锚下纵向裂缝。NKNKNKNKNKNKE0E0TKABCEDTKMKMK图1荷载裂缝（二）非荷载裂缝及其成因分析1材料原因水泥品质受风化的水泥，其品质很不安定，混凝土浇筑后达到一定强度前，在凝结硬化阶段会产生如图2所示的短小的不规则裂缝。随着水泥品质的改善，这种裂缝目前较少见到。图2水泥异常凝结引起的裂缝水泥水化热水泥用量在300KG/M3左右时，混凝土在绝热情况下由于水泥水化热将导致混凝土内部温度上升为3040左右（图3）。在实际结构中，内部因水化热产生蓄热的同时，构件表面还产生放热，使得构件内存在内表温度差。构件的最小尺寸大于800MM时，通常可认为是大体积混凝土。对于大体积混凝土，内部温度较大，构件外周温度较低，内外温差很大，引起内外混凝土膨胀变形差异，内部混凝土膨胀受到外部混凝土的变形约束，而使构件表面混凝土受拉而可能产生裂缝。这种裂缝在构件表面通常呈直交状况（图4）。此外，大型构件与小尺寸构件共同组成的结构（如大尺寸梁或厚腹板与相邻薄板）中亦可能因温差的影响产生裂缝（图5）。图3混凝土绝热情况下的温度上升XXWXXXKKK,图4大体积混凝土的温度、应力分布和裂缝图5水化热引起构件内部的温度变化骨料性质骨料中的泥份、级配较差和骨料的碱性可能引起混凝土开裂，相应的裂缝形态分别如图6和图7所示。图6骨料中泥份引起的裂缝,图7碱骨料反应引起的裂缝2混凝土下沉和泌水混凝土浇筑后，在凝结过程中会产生下沉和泌水，下沉量约为浇筑高度的1。当下沉受到钢筋或周围混凝土的约束会产生图8所示裂缝。,22图8混凝土泌水下沉引起的裂缝3施工原因混凝土制备及浇注过程中由于混合料搅拌不均、搅拌时间过长、浇注速度过快、浇注程序不妥、振捣不密实或振捣时间过长、养护不当、浇注接缝以及模板和支架系统变形过大等因素均可能导致混凝土开裂（图9）。混合材料搅拌不均匀，将会使材料的膨胀性和收缩产生差异，从而可能引起局部的一些裂缝。混凝土长时间搅拌或混凝土运输时间过长，在搅拌突然停止后混凝土会很快硬化产生异常凝结，从而引起网状裂缝。混凝土浇注程序不对，先浇注后端（紧靠前一浇注节段），然后逐步向前端浇注，前端的荷载引起悬臂支架变形，从而导致后端混凝土裂开；此外悬臂浇注移动支架的整体刚度不够，浇注过程中变形大，吊带调节不灵亦可导致形成箱梁节段间施工接缝处的腹板竖向裂缝。混凝土振捣不密实，将会使得混凝土不均匀，从而可能引起局部的一些裂缝；而混凝土振捣时间过长，会造成混凝土离析，同样可能产生裂缝。混凝土浇注时间选取不当，在浇注时如气温过高，混凝土表面的干燥过快会产生较大收缩，且受到内部混凝土的约束，从而导致在表面产生裂缝。当构件高度较大而混凝土浇筑速度过快，如一次快速浇筑混凝土，则因下部混凝土尚未充分硬化会产生下沉，从而引起裂缝。相邻层、块浇筑先后时差过长时，先浇筑的混凝土已硬化，从而导致接缝处混凝土不连续而产生裂缝；此外若相邻节段混凝土施工的间隔过长，则由于相邻节段混凝土收缩差过大可能导致后浇节段混凝土上产生裂缝。混凝土养护不当，如在混凝土脱模之后才开始洒水养护，混凝土会由于水泥在水化过程中产生大量的水化热而产生体积膨胀，且在冷却后体积收缩过大从而导致裂缝的产生。支架变形过大（支架整体刚度不足，或对软地基未做处理致使支架沉降），导致连续梁浇注混凝土后，跨中下方和墩顶上方梁体开裂，梁体变形。A材料混合不均匀B长时间搅拌C快速浇筑D先后浇筑时差过长材料混合不均匀长时间搅拌快速浇筑先后浇筑时差过长E模板变形F支撑下沉G支撑下沉模板变形支撑下沉支撑下沉图9混凝土制备、浇注不当和模板、支架变形过大引起的裂缝（三）预应力混凝土薄壁箱梁桥荷载裂缝的成因分析1荷载裂缝的成因分析众所周知，如果结构上的各种作用、作用效应以及结构抗力均已确定清楚且足以反映结构的受力实际，则据此进行的结构设计在正常施工、正常使用的前提下结构应该满足相应的预定功能要求，在施工阶段和设计使用年限内不致发生意料之外的病害。下面将从结构上的作用、作用效应以及结构抗力三个方面简要阐述现行规范的局限以及可能的荷载裂缝成因。（1）结构上的作用桥梁结构上所承受的作用一般有荷载（包括恒载和活载）等的直接作用以及温度、混凝土收缩徐变和支座位移等的间接作用。至于恒载、活载等直接作用和支座位移、支座不均匀沉降等间接作用下薄壁箱梁桥的结构反应，采用现在的结构分析理论就可以对其进行切合实际的刻划和描述，这已为众多的现场和室内荷载实验结果所证实。而温度、混凝土收缩徐变等间接作用（非荷载作用）下薄壁箱梁桥的结构反应由于结构内温度场特别是日照温差模式确定的不易以及对混凝土收缩徐变特别是徐变机理认识的有限使得采用现行分析理论所得结果具有相当的近似性和不确定性，因此一般认为薄壁箱梁桥上所出现的这些裂缝是由于日照温差和混凝土收缩徐变等非荷载因素特别是日照温差所导致的结构温度应力所致，但问题是为什么按现有规范进行计算还不能避免这种现象的出现其原因应该是现有计算方法和温差计算模式的不完善所致。不过新的公路桥涵设计通用规范（JTGD602004）和公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD622004）在混凝土结构的温度作用及收缩徐变作用方面较相应的85规范有明显的进步，分别给出了新的相对较为合理的混凝土结构温度梯度和混凝土收缩徐变计算模型。但现行规范没有考虑全国范围内的气候差异，不管东西南北均采用同一温差模式，此举是否合适无疑值得进一步探讨。湖北的气候属于大陆性中亚热带季风湿润气候，光热充足，雨量丰沛，无霜期长，湿热天气为其主要特征。因此，处于湖北地区的混凝土薄壁箱梁结构，其内的典型温度场应该带有其自身的区域特征。迄今人们对混凝土收缩徐变特别是混凝土徐变机理的认识还不清楚，现行有关混凝土收缩徐变的计算公式多以实验室模型实验结果为依据确定的，但由于实际混凝土箱梁结构的尺寸较大同时又处于复杂的自然环境中，因此，以实验室模型实验结果为依据确定的混凝土收缩徐变的计算公式能否应用于自然环境中的大型桥梁结构上的确有必要作进一步的审视。因此，即使现有设计均满足相应的设计规范，由于混凝土箱梁温度和收缩徐变计算模式的不完善将导致结构设计存在相当的近似性。此外，施工阶段作用在结构上的施工荷载在设计阶段无法准确计及，只能依据经验采用近似的估计值，由此亦带来结构的设计状态与实际状态的差异。因此，在结构上的作用方面，混凝土箱梁温度和收缩徐变计算模式的不完善以及施工荷载的难以准确估计是造成桥梁设计状态与实际状态差异的主要原因。当然，结构在运营阶段的非正常使用如过多的超载也是导致混凝土箱梁开裂的主要原因。（2）结构的作用效应基于现有的分析理论和分析手段，结构在确定作用下的作用效应（内力与变形）能够比较可靠地予以确定，这已为众多的现场和室内荷载实验结果所证实。但在国内现行的预应力混凝土连续刚构桥的设计实践中，由于平面杆系结构分析和三维实体结构分析之间计算量的巨大差别，使得一般在结构静力分析时，均将结构简化为平面杆系结构模型而只进行平面分析，并未考虑混凝土薄壁箱梁的空间整体效应对其进行三维空间分析。此举对于纵向和竖向结构的整体效应不会带来不可接受的误差，但对箱梁的横向受力则不可能反映实际，特别是混凝土箱梁横向温度效应的计及，现行规范并未给出明确规定。而下面的分析表明，仅箱梁顶板跨中板底的横向温度应力就有可能超过3MPA。如果箱梁顶板的预应力不能得到有效保证，则在运营阶段在结构恒载、车轮荷载及温度的共同作用下，箱梁顶板跨中的板底就会出现纵向的弯曲裂缝。此外，规范对于预应力锚下局部承压区这一受力复杂的局部区域并未规定明确的分析方法。由此可能造成因锚下局部抗裂能力不足产生锚下混凝土开裂。（3）结构抗力混凝土结构的抗裂能力取决于结构内预应力的有效性以及结构混凝土的质量。在结构上的作用及结构作用效应合理确定以后，如果预应力和混凝土的施工质量在严格控制的前提下能得以保证，则结构的抗裂能力亦会得到保证。课题组的研究表明（参阅课题组发表在“山区高速公路、桥梁、隧道关键技术研讨会论文集”中的论文“预应力混凝土箱梁桥的竖向预应力损失研究”或课题组项目研究报告之一）按现行公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范（JTJD622004）中确定纵向预应力损失的方法计算的竖向预应力筋相应的各种损失，虽然相应各分项损失的实测值与规范计算值基本吻合，但由于规范规定的损失种类并不能全面反映实际结构中导致预应力产生损失的各主要因素，没有考虑温度（孔道压浆时箱梁混凝土和浆体水化热以及日照温差）对预应力损失的影响，而这项损失可达总损失的20，且与预应力筋的长度无关，并在箱梁的三向预应力筋中均可能发生，因此必须予以考虑。（4）箱梁荷载裂缝的主要成因在混凝土薄壁箱梁中，可能出现的典型荷载裂缝包括正截面抗裂能力不足所导致的弯曲裂缝（包括顶板沿顺桥向的弯曲裂缝和主梁沿竖桥向的弯曲裂缝）、斜截面抗裂能力不足所导致的腹板斜裂缝以及预应力锚下局部承压区域抗裂能力不足所导致的锚下纵向裂缝。从上面的分析可知，以往研究和现行规范的不足以及现有设计很少考虑混凝土薄壁箱梁的空间整体效应对其进行三维空间分析，使得结构上的作用确定、作用效应的分析和结构抗力的保证等方面均存在有可能导致混凝土箱梁结构开裂的因素。特别是预应力损失的估计和箱梁横向温度应力的计及方面是及现行规范和设计方面存在的明显不足。如果结构设计满足现行规范、施工质量在严格控制的前提下能得以保证，则混凝土薄壁箱梁上典型荷载裂缝的主要成因是箱梁沿竖桥向的纵向弯曲裂缝是由于箱梁纵向有效预应力不足所致；箱梁顶板跨中板底沿顺桥向的横向弯曲裂缝是由于箱梁顶板横向有效预应力不足及箱梁横向温度应力没有计及所致；箱梁腹板斜裂缝是由于箱梁腹板竖向有效预应力不足所致；箱梁底板纵向裂缝及箱梁底板保护层劈裂破坏是由于底板尺寸过小和未设置足够数量的构造钢筋所致；预应力锚下及齿板裂缝是由于局部复杂受力区域的分析不足以及该区域由于钢筋密集使得混凝土的浇注质量难以得到保证所致。2荷载裂缝的主要影响因素分析结合龙潭河大桥的工程实际，对影响混凝土箱梁荷载裂缝而现行规范未给出明确规定的主要影响因素如箱梁预应力损失、箱梁水化热、节段混凝土施工的合理工期以及箱梁的横向温度应力等进行分析。（1）箱梁预应力损失分析竖向预应力损失龙潭河大桥箱梁腹板共有183种长度不等的竖向预应力钢筋，其中083为预应力钢绞线，84183为精轧螺纹钢，为此选取龙潭河大桥三个具有代表性的梁段（2、13和22梁段）中竖向预应力钢筋作为计算对象。各预应力钢筋概况如表1所示。表1竖向预应力筋基本情况预应力钢筋长度（M）预应力钢筋类型张拉控制应力（MPA）钢筋弹性模量（MPA）混凝土弹性模量（MPA）2梁段内11434钢绞线139519510534510413梁段内5728精轧螺纹钢67520010534510422梁段内3548精轧螺纹钢675200105345104按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD622004）中的相关规定进行计算，其计算结果见表2。表2竖向预应力损失计算（单位MPA）2梁段内13梁段内22梁段内损失类型损失值损失值损失值钢筋与管道之间的摩阻损失39318796546024锚头变形钢筋回缩接缝压缩损失6303009525381631669混凝土弹性压缩损失160837216025钢筋松弛引起的损失32315419811217572混凝土收缩徐变（3年）损失738351486275514211总损失210010017691002440100注指各损失占总损失的百分比。从表2中可以看出，锚具变形、钢筋回缩及接缝压缩引起的损失占总损失的比重均较大，对于较短的竖向预应力钢筋，该项损失占到总损失的近70，因此在施工中必须有效减少竖向预应力钢筋锚头变形、钢筋回缩及接缝压缩引起的损失。纵向预应力损失对于纵向预应力，龙潭河大桥主要分为顶板束、腹板束和底板束，顶板束和腹板束多为前期张拉，为此选取龙潭河大桥三个具有代表性的梁段（2、13和22梁段）中的纵向预应力钢筋（包括顶板束和腹板束）作为计算对象。计算采用桥梁博士计算，各参数均按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD622004）中的相关规定进行取值，其结果如表3所示。表3纵向预应力筋基本情况预应力钢筋长度（CM）预应力钢筋类型张拉控制应力（MPA）钢筋弹性模量（MPA）混凝土弹性模量（MPA）2梁段内顶板束3180钢绞线13951951053451042梁段内腹板束3572钢绞线139519510534510413梁段内顶板束11690钢绞线139519510534510413梁段内腹板束11858钢绞线139519510534510422梁段内顶板束19798钢绞线1395195105345104表4顶板内纵向预应力筋中点损失计算（单位MPA）2梁段内13梁段内22梁段内损失类型损失值损失值损失值钢筋与管道之间的摩阻损失2319410606841610785锚头变形钢筋回缩接缝压缩损失1240506402600518混凝土弹性压缩损失000600060000传力锚固后的损失979400450290440215总损失245010001550100020501000注指各损失占总损失的百分比。表5腹板内纵向预应力筋中点损失计算（单位MPA）2梁段内13梁段内22梁段内损失类型损失值损失值损失值钢筋与管道之间的摩阻损失21206732640838锚头变形钢筋回缩接缝压缩损失00000000混凝土弹性压缩损失00000000传力锚固后的损失1030327510162总损失3150100031501000注指各损失占总损失的百分比。从表4和表5中可以看出，摩擦损失和传力锚固后的损失占总损失较大的比重，其中以摩擦损失为主，因此在施工中必须有效减少纵向预应力的摩擦引起的损失。横向预应力损失由于龙潭河大桥箱梁顶板横向预应力筋的长度约为12M，与2号梁段的竖向预应力筋长度和类型相近，因此其内预应力损失的规律亦相近。梁体水化热和孔道灌浆引起的温差损失以上预应力损失计算是按照规范进行计算的，但研究表明（参阅课题组发表在“山区高速公路、桥梁、隧道关键技术研讨会论文集”中“预应力混凝土箱梁桥的竖向预应力损失研究”一文或课题组项目研究报告之一）竖向预应力筋如在梁段混凝土由于水化热产生的温度场还未完全稳定的情况下张拉并随即进行管道压浆和封锚，则应考虑孔道压浆后至预应力筋与其周边混凝土之间形成可靠粘结力这一期间的损失。为此采用ANSYS，对龙潭河大桥典型梁段（即2梁段、13梁段和22梁段）的水化热进行了模拟，同时还考虑了竖向预应力筋孔道灌浆浆体的影响。分析时按梁段混凝土浇筑4天后即进行张拉和灌浆的情形予以考虑（设计图纸的规定），混凝土的入仓温度按30考虑。为由此得到相应的竖向预应力筋温度变化及损失。计算模型和结果如图10所示，模型中2梁、13梁段和22梁段段梁高分别为1126M、591M和356M，各梁段腹板厚分别为07M、055M和04M，底板厚度分别为103M、054M和033M。图10梁段计算模型计算结果如图1116所示。从中可以看出预应力筋的温度在灌浆后逐渐升高。与其张拉时（浇注混凝土后第4天相比），预应力筋内最大温升分别为2梁段194；13梁段174；22梁段168。随后温度开始下降，至灌浆后一天（浇注混凝土后第5天），其温差仍分别有186、165和163，此时假定管道内的水泥浆已有较高强度（15MPA）、具备足够的粘结力可使预应力筋与其周边混凝土粘结成整体使得预应力筋与周边混凝土的变形相协调，则此后的温降不会导致预应力筋产生进一步的损失。若钢材的温度线膨胀系数和弹性模量分别取为10105/和20105MPA，预应力筋张拉至灌浆后一天间梁内温差为T，则该项损失为2T，即竖向力损失分别达372MPA、330MPA和326MPA，可见这一损失不容忽视。此外，类似的温差损失还有可能由日照温差所导致。如果预应力筋在张拉时气温较低，而孔道灌浆且浆体达到20MPA左右的强度时（此时预应力筋与混凝土已有可靠粘结能共同变形）的预应力筋温度较高，则会造成损失。这一点对于有锚头直接承受日照的竖向预应力筋和横向预应力筋，特别是竖向预应力筋内将会表现得更为明显。因为竖向预应力筋锚头的锚头就位于桥面而长时间承受日照会导致其温度升高。总之，只要预应力筋低温张拉、高温粘结，则均会存在温差损失；反之，如果预应力筋高温张拉、低温粘结，则预应力筋不会发生温差损失，反而预应力筋内的有效预应力还会有所提高。因此预应力筋应尽可能在高温时张拉、低温粘结。但由于预应力混凝土大跨连续刚构桥上部结构的施工周期很长，预应力筋的布置又很多，难以全面兼顾。因此，设计时应增大预应力筋的损失的计量、提高结构混凝土内的压应力储备。预应力筋内的预应力总损失可在现有规范计算结果的基础上予以适当提高，纵向预应力筋可提高15、横、竖预应力筋可提高20。特别需要指出的是，该项损失与预应力筋的长度无关，且在箱梁内的纵、横、竖向预应力筋内都会产生这种损失。024487296120141681922162402253035404550560657075温度/时间/小时距顶面125CM距顶面37距顶面625CM距顶面39距顶面580CM距顶面9距顶面01CM距顶面5平均值图112梁段混凝土腹板温度变化0244872961201416819221624022530354045505606570温度/时间/小时距顶面125CM距顶面37距顶面625CM距顶面39距顶面580CM距顶面9距顶面01CM距顶面5平均值图122梁段预应力钢筋温度变化024487296120141681922162402253035404550560657075温度/时间/小时距顶面125CM距顶面37距顶面625CM距顶面9距顶面26CM距顶面39距顶面548CM距顶面7平均值图1313梁段混凝土腹板温度变化0244872961201416819221624022530354045505606570温度/时间/小时距顶面125CM距顶面37距顶面625CM距顶面96距顶面2CM距顶面39距顶面548CM距顶面7平均值图1413梁段预应力钢筋温度变化024487296120141681922162402253035404550560657075温度/时间/小时距顶面125CM距顶面37距顶面625CM距顶面89距顶面140CM距顶面8距顶面250CM距顶面34平均值图1522梁段混凝土腹板温度变化0244872961201416819221624022530354045505606570温度/时间/小时距顶面125CM距顶面37距顶面625CM距顶面89距顶面140CM距顶面8距顶面250CM距顶面34平均值图1622梁段预应力钢筋温度变化（2）箱梁节段施工工期在实际工程中，引起箱梁混凝土收缩徐变过大并导致预应力损失增大的的施工原因之一是箱梁节段施工工期较短，主要体现在混凝土养护时间较短，张拉时尽管混凝土强度达到要求，但其时弹性模量较低，且加载龄期也较短，使得混凝土收缩徐变增大，将导致混凝土后期收缩徐变变形倍增，最终有可能引起箱梁开裂。而箱梁节段的施工工期主要由施工要求和结构受力要求两个方面的要求确定，具体涉及以下因素节段各施工工序要求；梁段混凝土的强度和弹性模量；梁段混凝土水化热的稳定程度；结构受力的其他要求。实际上，结构受力方面的要求将主要由混凝土的养护龄期确定，因此下面将主要从结构的受力要求角度来分析梁段混凝土的合理养护龄期。依据混凝土强度和弹性模量的发展规律所确定的工期现行国内混凝土桥梁施工质量监控时因现场检测条件之所限，致使确定浇注混凝土后能否进行下一道工序施工时一般仅注重混凝土强度这一指标而没有考虑反映混凝土其他物理力学性能的指标如弹性模量、徐变系数等。实际上，随着混凝土外加剂如减水剂、早强剂等的普遍适用，致使混凝土的早期强度发展较快，而其后期强度发展较慢。更为重要的是，目前普遍采用的外加剂主要是针对混凝土强度这一单一指标而开发，对于混凝土的其他指标的贡献与混凝土强度相比要弱得多。在混凝土的初期阶段，混凝土的强度与弹性模量都随时间增加而逐步增强，但混凝土的弹性模量的增长速率要小得多。尽管外加剂的掺入可使混凝土强度在短期内得到提高，但混凝土的弹性模量并未相应提高。美国ACI209委员会提出混凝土强度和弹性模量的发展规律可按式（1）进行描述。28053104CCTCTCTTFFEWF式中为混凝土28天的圆柱体抗压强度，为混凝土容重，、分别取为5628CFW和08。龙潭河大桥主梁混凝土的设计强度为C50，则FC约为40MPA，据式（1）计算的混凝土强度和弹性模量随时间的变化曲线如图17所示。从图中可以看出，混凝土弹性模量增长速率较其强度要小得多。01020304050607080901051015202530354045505101520253035404550混凝土弹性模量13MPA混凝土强度MPA时间/天混凝土强度混凝土弹性模量图17混凝土强度和弹性模量随时间变化曲线如果混凝土在龄期较短、弹性模量较低的情况下即进行下一道工序施工如施加预应力而使混凝土过早参与受力，将对结构造成以下的不利影响使结构徐变加大，从而导致预应力的弹性压缩预应力和收缩徐变损失和结构变形加大；预应力筋张拉时，预应力钢筋实际伸长值超出理论伸长值较多且预应力钢筋长度越长，表现得越明显，这点也不利于预应力筋的张拉控制。容易造成混凝土开裂，预应力筋锚下局部承压区域对此更为敏感。因此，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD622004）第723条规定“对构件施加预应力时，混凝土的立方体强度不得低于混凝土强度等级的75”，同时在条文说明中指出在混凝土的收缩和徐变处于初期阶段，过早地施加预应力将引起较大的预应力损失，一方面不能充分利用预应力，另一方面有可能引起构件微裂缝，降低构件的抗裂性能。并建议“在混凝土浇筑完成后57D再施加预应力为宜”。基于混凝土强度弹性模量的发展规律以及规范条文建议，对于龙潭河大桥所采用的C50混凝土，混凝土的养护龄期不应低于7天。依据混凝土水化热的变化规律所确定的合理工期混凝土的水化热可导致混凝土开裂以及前述的预应力损失，因此美国公路桥梁设计规范第514235条明确规定应考虑可能在桥梁施工期间出现的热效应。且有研究表明，厚度在40CM以上的混凝土构件施工时均需要考虑混凝土的热效应。而龙潭河大桥根部截面腹板厚度达到70CM，跨中腹板厚度达到40CM，因此需要考虑箱梁施工中混凝土的热效应。基于前述龙潭河大桥2、13和22梁段混凝土浇筑期间的水化热变化，可以看出对于腹板厚度为70CM的2梁段，箱梁温度场的稳定需要大约10天的时间，对于腹板厚度为55CM的13梁段，箱梁温度场的稳定需要大约7天的时间，对于腹板厚度为40CM的22梁段，箱梁温度场的稳定也需要大约7天的时间。基于上述分析，对于腹板厚度为70CM的箱梁建议在混凝土浇筑完成后10D再施加预应力；对于腹板厚度小于70CM的箱梁建议在混凝土浇筑完成后7D再施加预应力。依据相邻节段混凝土收缩差所确定的合理工期若相邻节段混凝土施工的间隔过长，则由于相邻节段混凝土收缩差过大可能导致后浇节段混凝土上产生裂缝。图18为美国ACI209委员会提出的混凝土收缩曲线（图中竖标值为微应变值），从中可以看到如果相邻节段混凝土施工间隔不超过30D，则相邻节段混凝土的收缩差不会超过57个微应变，小于混凝土的极限拉应变150个微应变。02468101214161820224262830102030405060ACI209收缩应变计算时间（天）图18混凝土收缩的发展规律（3）混凝土箱梁的温度应力分析龙潭河大桥是按照原公路桥规（JTJ02385）进行设计的，而原桥规中有关温度应力的计算存在着两个方面的缺陷（1）温度梯度模式不能反应实际情况；（2）温度应力计算方法的不完善，没有考虑箱梁横向效应。早在上世纪80年代，ACI、PCIPTI规范就强调了箱梁横向效应的重要性。因此基于现行桥梁规范（JTGD622004）中的温度梯度模式，采用ANSYS对龙潭河大桥进行了空间温度效应分析，由于结构和荷载对称，取1/4模型进行计算，其模型如图19、20所示，计算结果如图2124所示。图19龙潭河大桥计算模型（整体）图20龙潭河大桥计算模型（局部）（A）纵向应力MAX098MPA（B）横向应力MAX368MPA图21根部截面计算结果（A）纵向应力MAX104MPA（B）横向应力MAX344MPA图221/4L截面计算结果（A）纵向应力MAX221MPA（B）横向应力MAX311MPA图23跨中截面计算结果图24挠度计算结果（单位M）其结果表明箱梁在温度荷载作用下，其横向效应是不容忽视的。在顶板下缘其横向拉应力往往高于其纵向拉应力，就所计算的结果而言，其顶板下缘拉应力在全桥范围内均在30MPA以上，这与实际工程中箱梁顶板下缘存在着较为普遍的纵向裂缝相一致，因此应充分重视箱梁在温度荷载作用下的横向效应。由于箱梁顶板在横向上其压应力储备主要是由横向预应力提供的，因此横向预应力的有效值大小显得尤为重要。三预应力混凝土连续刚构桥主梁下挠过大成因分析及预防对策（一）主梁下挠过大成因分析进入20世纪90年代以来，预应力混凝土连续梁桥和连续刚构在我国发展迅速。但是随着桥跨的增大，连续刚构桥在使用过程中的问题也凸显出来，其中之一就是随着使用年限的增加，连续刚构的跨中不断下挠，跨中下挠往往与梁体跨中段横向裂缝或大量斜裂缝伴随出现，其下挠可达到相当大的数值，病害十分严重。从工程实例来看，引起这些现象的主要原因有以下几点混凝土的收缩徐变影响估计不足主要原因混凝土徐变是引起梁式桥尤其是大跨梁式桥下挠过大的一个主要原因，大跨径梁桥的恒载内力占总内力的80、甚至90以上。为减小恒载内力，上世纪90年代过分强调结构的轻型化。由此导致的直接后果是（1）箱梁的板件越薄，理论厚度就越小，由徐变理论可知，徐变系数就越大；（2）板件薄，混凝土的应力就高，而徐变变形与应力正比。同时混凝土收缩徐变又是一个十分复杂而又难以精确计算的非线性问题，而对于刚构桥的设计，预测混凝土结构收缩徐变效应的准确性主要依赖于两个方面，即结构中混凝土徐变特性的准确描述和可靠的结构分析首先对于混凝土徐变特性的描述，国内外众多专家和学者对这一课题已开展了大量的研究工作，并取得了一批重要的成果，但必须强调的是，在现阶段较为流行的预测混凝土收缩徐变的模型基本上都是建立在试验室数据基础上的经验公式，由于试验室特定条件（恒温、恒湿）的局限或研究者侧重点的不同，不同的研究者提出的模型所考虑的影响因素也不尽相同，因此各混凝土收缩徐变模型均需要进行一些修正（如混凝土配筋率、混凝土所处温度及相对湿度等因素及其变化的影响）才能应用于实际结构中的收缩徐变效应计算中。而现阶段的桥梁设计，一般是在缺乏现场试验资料的情况下进行的，混凝土收缩应变和徐变系数的计算更多地要依赖于己有的收缩徐变预测模型，无法对其进行修正，将会导致混凝土收缩徐变的影响程度及长期性估计不足。其次对于混凝土收缩徐变效应的分析，随着计算机技术的发展，计算机存储需求不再成为问题，使得基于叠加法的逐步计算法（SSM法）应用较为广泛，特别适用于节段悬臂施工的大跨预应力混凝土桥梁结构，但是设计时一般并没有考虑到箱梁上、下缘的一些差异，如在应力水平、体表比、配筋率等方面存在的差异首先由于箱梁截面上缘和下缘应力水平相差较大，应力作用下的徐变效应也有所不同，在主梁根部截面，箱梁底板的应力水平要明显高于顶板，相应的产生的徐变效应亦大于顶板；其次箱梁顶、底板的体表比和配筋率相差较大，特别是在箱梁根部截面，由此造成其徐变和收缩发展规律不一致，这些现象均可使得箱梁产生设计时没有计及的下挠。此外，过去计算徐变往往限于恒载，随着交通量的剧增，桥梁不分昼夜都有车辆行驶，因此有技术人员提出活载也会引起一定的徐变变形，这有待于进一步研究探索其计算方法。以上两个方面的问题是设计时对混凝土收缩徐变问题考虑的不足，而在实际工程中，引起混凝土收缩徐变过大的施工方面的原因主要在于施工单位往往希望缩短施工周期，混凝土养护时间过短，张拉时尽管混凝土强度达到要求，但混凝土弹性模量未作具体的规定。早期混凝土弹性模量的增长明显滞后于强度的增长，添加早强剂后，混凝土虽很快达到规定强度要求，但其弹性模量往往仅达到设计值的70甚至更小，这就使得张拉时弹性模量较低。同时加载龄期越短，混凝土的徐变越大，这些都将导致混凝土后期徐变变形倍增，并最终引起混凝土收缩徐变的影响程度及长期性估计不足。内支点负弯矩预应力筋配置不足设计方面的原因设计时仅按上缘混凝土不出现拉应力控制负弯矩预应力筋数量，未充分考虑负弯矩对控制徐变下挠的作用。导致负弯矩区截面上下缘的应力梯度较大（上缘压应力小，下缘压应力大），从而引起较大的徐变下挠。徐变下挠大徐变下挠小徐变上拱只有轴向徐变混凝土箱梁裂缝裂缝的出现和扩展是混凝土箱梁发生破坏的初始阶段，箱梁上的大多均裂缝可以引起渗漏，引起持久强度的降低，如保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土炭化等，而这些将使得混凝土箱梁截面受到一定的削弱，不论是斜裂缝或横向裂缝，都会导致梁的刚度降低，从而引起梁体挠度加大，尤其有较严重的斜裂缝和横向裂缝时梁体下挠更为明显。4680U混凝土箱梁预应力损失估计不足采用悬臂浇筑法施工的预应力混凝土梁桥，预应力管道跨越几个节段，预应力与管道的实际摩擦系数及管道偏差系数通常与规范取值有较大出入。此外混凝土收缩徐变引起的损失和预应力钢筋松弛损失随着时间的增加而逐渐增大，并且两者相互影响，一方面混凝土收缩徐变使结构缩短，加剧了预应力松弛损失，另一方面预应力松弛改变了结构的内力状态从而影响着混凝土收缩徐变。所有这些都影响了预应力损失的计算精度，加上预应力筋张拉不到位以及一些在设计时难以计入的因素使得预应力损失的实际值与理论计算值存在着较大的差别。有研究表明，徐变变形随预应力度增大有明显减少的趋势，反之亦然。因此大跨度预应力径连续刚构桥梁若预应力度较小，则徐变变形可能增大，导致主梁下挠变形加大。混凝土箱梁节段与节段间竖向接缝的质量问题悬臂施工中，节段与节段间竖向接缝的质量问题可能并不危及其极限强度的安全性（因为有大量的预应力钢筋和普通钢筋穿过接缝截面），但对主梁的变形（尤其是竣工后的长期变形）影响较大，而这一因素尚未引起人们的高度重视，致使桥梁的实际变形常常远大于预期变形。在正常施工条件下，容易被忽略而又十分重要的影响混凝土竖向接缝质量的两个因素接缝混凝土界面的凿毛质量和接缝附近混凝土的密实度。接缝界面混凝土的凿毛为保证接缝处新旧混凝土的粘结性能，在悬臂现浇施工方法中，/0UYUYCRYYCRCRCRYUCREIMM各规范均要求对接缝面老混凝土表面进行凿毛处理。凿毛对先后浇筑节段混凝土的结合有凿除已完成节段接缝表面上的浮浆、增加先后浇混凝土表面的接触面积、增加了先后浇混凝土的咬合作用和增强了先后浇混凝土的粘结性能的作用。但在一些连续刚构桥的实际施工中，由于缺乏对凿毛作用及工作机理的正确认识，凿毛工作可谓有其形而无其实，使得箱梁节段间竖向接缝质量较差。接缝处混凝土的密实度如果混凝土密实程度较差，则其变形模量必然降低，在相同的应力状态下，混凝土的徐变变形量必然增加。在正常施工条件下，由于端头模板拆除或混凝土凿毛过早、振捣不到位、漏浆、混凝土流体压力等因素的影响，都将使得箱梁节段间竖向接缝质量较差。由于凿毛不力、拆模过早、震捣不足、漏浆等因素的影响，在连续刚构桥的实际施工中，主梁接缝处的混凝土常出现局部蜂窝麻面缝隙等现象。调查表明，相当一部分主梁接缝处存在明显的缝隙，有些缝隙深度可达到几厘米。虽然可对这些可见裂缝作压浆补救处理，但因数量太多，难免疏漏。由此导致主梁接缝的混凝土质量明显低于整体浇筑混凝土梁段已成为不争的事实。对分节段悬臂现浇法施工的连续刚构桥梁，当接缝面剪力较大时，质量不良的接缝会产生较大的剪切变形及在长期荷载作用下产生过大的剪切徐变，原因在于（1）接缝处混凝土的凝胶体在长期剪应力作用下产生单向的滞性流动（常规混凝土在压应力作用下，凝胶体的滞性流动是非定向的），又因接缝混凝土的密实性差,较常规混凝土具有更多的可供凝胶体滞性流动的空间，因此而引起的剪切徐变更大；（2）接缝处混凝土因密实性差，局部区域空隙率较大，体内骨料间的相互约束力差，长期在较大剪应力作用下，接缝处的一些骨料可能发生微小的转动，由此将引起剪切徐变的增大；（3）接缝处混凝土的质量较差，难免存在原始微裂缝甚至宏观缺陷，长期处于较大的剪应力作用下，其微裂缝和宏观缺陷将进一步发展，导致剪切徐变的增大。综上，长期荷载下接缝处混凝土将产生明显的剪切徐变，由此引起连续刚构桥主梁挠度的增大是不容忽视的。施工质量等及其它问题在施工过程中，经常发生预应力波纹管的实际定位位置与设计要求偏差较大，改变了预应力束的偏心距，使得难以建立足够的预应力。另外，在预应力孔道灌浆施工中，也常出现质量问题孔道中水泥浆未充满，有空隙；水泥浆体硬化后收缩与孔道壁分离；水泥浆硬化后强度不满足规范要求等。这些施工质量水平和施工管理上不完善之处，都将可能引起连续刚构桥主梁挠度的增大。此外桥梁的实际交通量远远超过设计交通量，并且大量的超重、超载车辆通过桥梁，使桥梁严重超负荷运行，以及管理人员对桥梁维护不尽完善，导致雨水侵蚀、钢筋锈蚀加剧等质量问题都将可能引起连续刚构桥主梁挠度的增大。（二）主梁下挠过大预防对策足够的正截面和斜截面强度鉴于跨中下挠往往与横向裂缝与斜裂缝一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度是首要的，计算中要充分考虑徐变的不利影响。控制负弯矩区域截面的应力梯度可以考虑在负弯矩区通过在箱梁顶板增加预应力和/或增加底板的厚度来削弱箱梁上下缘的应力梯度，从而减少徐变引起的梁体下挠。在梁根部区段，可使悬臂节段的自重完全由预应力抵消。内支点底板厚度宜为跨径的1/140左右。如果梁的正截面和斜截面强度得到保证，而且截面应力梯度小，不会同时出现下挠与开裂。在这样的前提下，只需设较小的预拱度，以抵消预应力徐变损失以及由合龙后混凝土徐变引起的徐变挠度。上缘增大压应力（加预应力）下缘减小压应力（增加底板厚度）有效的辅助措施连续刚构桥最终合龙主跨前，在两悬臂端施加水平力对顶，然后合龙。不仅有利于减小跨中控制内力，也有利于减小跨中下挠。同时可以通过适当增加底板合龙束，并预留体外备用钢束，防止徐变下挠后底板出现横向裂缝。加强施工质量管理混凝土加载龄期至少应在7天以上，采用真空压浆，浆体必须满足泌水性的要求，重视并及早进行工地的预应力损失试验等。四预应力混凝土连续刚构桥施工中其它问题双肢薄壁高墩连续刚构桥悬臂施工稳定性分析由于高墩大跨连续刚构桥桥墩的长细比一般较大，使得高墩结构的设计，有时不是由强度而是由稳定控制。目前对高桥墩稳定问题尚没有给出完整的解答，国内外规范也没有给出在各种荷载作用下的稳定分析方法，一般采用通用的有限元程序计算。因此对双肢薄壁高墩在施工过程中的稳定问题进行研究，建立一种便于设计应用的计算方法具有价值。另一方面，采用以弹性理论为基础的设计计算方法求算高柔桥墩的内力和变形，将会引起较大的偏差。为了确定结构实际承载能力和安全储备以及第二类稳定问题（压溃失稳）的稳定安全系数，使得对结构进行包括材料非线性在内的完全非线性分析成为必须。鉴于此，课题组依托龙潭河特大桥工程，针对双肢薄壁高墩面外和面内的失稳形式，基于能量变分法原理提出了稳定系数的解析计算方法，此外对高墩大跨连续刚构桥在施工中进行了双非线性稳定分析（具体研究内容可参见项目研究报告之三），得出以下结论（1）本文基于能量原理所提出的高墩稳定系数的计算公式具有较好的精度。（2）长细比（）、墩高与墩肢间距比（）对高墩面内稳定性影响显著；中横梁数BL越多，墩轴向变形对高墩的稳定系数影响越大，对带中横梁的高墩而言，在进行高墩稳定计算时必须计入墩轴向变形的影响；（3）薄壁墩双肢之间设置水平临时支撑对结构的面内稳定性有一定提高，但对结构的面外稳定性影响很小。临时支撑对结构稳定性的提高与高墩本身有无系梁有关，对带系梁的高墩，临时支撑作用不明显，对没有系梁的高墩，临时支撑具有一定的作用，相比较而言，设置剪刀型临时支撑对结构面内稳定性提高较大，设水平临时支撑对结构面内稳定性影响较小。（4）与弹性稳定分析的结果相比，在考虑双重非线性以后，高墩的稳定系数仅有弹性解的1/21/3；（5）墩顶横桥向偏位对结构的稳定承载能力影响不大，对结构的位移响应影响较大；横向静风荷载对结构极限承载力会产生较大影响，随着风速的增加，结构稳定承载力会明显下降；挂篮跌落对高墩的稳定性影响较大；混凝土强度等级对结构的稳定承载能力影响显著；（6）按两本规范计算出的极限风速相差比较大，但高墩达到极限状态时墩顶横向位移相差不大。按2004规范计算该桥在横向风载下的承载力安全系数为120，按89规范计算出的结构在横向风载下的承载力安全系数为252。（7）结构在墩顶横向偏位和风载共同作用下与仅在风载作用下的稳定承载能力虽然相差不大，但对受拉侧混凝土的开裂状态及结构的破坏形式会产生一定影响。刚构桥合龙时间及方式的选择桥梁结构是暴露在大气中的结构物，温度对桥梁结构的影响包括年温差影响和局部温差影响，由于预应力混凝土连续刚构桥为超静定结构，年温差影响将使结构产生较大的内力，它在结构设计中占有非常重要的地位，在结构设计规范中也有明确的规定。由于预应力混凝土连续刚构桥为墩梁固结的超静定结构，年温差影响通常使结构产生较大的次内力，并且一般成为结构设计的控制荷载。当合拢温度较高时，降温引起的次内力较大，其影响还与混凝土收缩的影响相同，两者叠加将产生较大的次内力。所以一般不宜在温度变化较大和高温时进行合拢，这是超静定刚架桥施工中必须考虑的一般原则。如施工条件不允许须在高温条件下合龙，如果不采取相应的施工措施，将使结构部分截面产生很大的内力，因而合拢温度的确定成为该桥结构受力的一个控制因素。对应预应力混凝土连续刚构桥，在高温条件下合拢通常采取的对应施工措施是预施加反顶力，五预应力混凝土连续刚构桥上部结构施工建议基于上述的分析，以预应力混凝土箱梁的开裂、长期挠度控制以及保证桥梁施工安全等为主要目的，对预应力混凝土连