连续刚构桥跨中下挠问题的起因及预防

结合实例研究连续刚构桥跨中下挠问题的起因及预防栗勇王鑫（北京市市政工程设计研究总院100082）［摘要］连续刚构桥是我国桥梁工程中最常用的结构形式之一，已建此类桥梁普遍出现了跨中下挠过大的病害。以一实桥为工程背景，从控制弹性挠度不足、施工原因导致的有效预应力的降低、预应力摩阻损失、结构开裂、施工超方以及活载长期作用等方面，讨论了各因素对跨中下挠的影响程度。通过对一些设计指标的控制、必要的构造措施以及合理施工方式的采取来降低和消除可能出现的病害。［关键词］连续刚构桥跨中下挠弹性挠度预应力结构开裂施工超方引言连续刚构桥多为预应力混凝土结构，主梁为薄壁箱梁。该种桥型以其结构刚度大、行车平顺舒适、伸缩缝少和养护简便等一系列优点，备受业主、设计单位和施工单位的欢迎。从20世纪70年代起，预应力混凝土连续刚构桥在我国得到了迅速发展和广泛应用。目前在跨径40〜150m范围内，预应力混凝土连续刚构桥已经成为主要桥型之一。然而，随着预应力混凝土连续刚构桥在我国各地的广泛应用，有关该种桥型的病害报告也越来越多，主要有跨中下挠过大、腹板斜裂缝、底板裂缝等。其中主跨跨中的持续下挠已经成为国内大跨径连续刚构桥的一种普遍现象，跨中下挠的同时往往伴随着梁体腹板斜裂缝甚至底板横向裂缝的出现，不但给桥面行车带来不便，对结构本身来说也是很大的安全隐患［1。本文以烂柴湾大桥为背景，分析跨中下挠问题可能存在的成因，并给出相应预防措施，为今后类似工程的设计、施工提供参考。1工程概况烂柴湾大桥主桥上部构造为70m+3X120m+70m五跨预应力混凝土连续刚构，引桥为1X45m预应力混凝土简支箱梁桥。结构总体布置见图1。图1烂柴湾大桥立面布置（单位：cm）主梁采用单箱单室大悬臂变截面PC连续箱梁，两端及中跨跨中梁高2.8m（1/42.9中跨），主墩墩顶根部梁高7.5m（1/16根部），梁高按1.8次抛物线变化。箱梁顶宽12.00m，底宽6.0m，悬臂长3m。主梁设纵、竖预应力，纵向预应力分别采用钢绞线，布置在顶、底及腹板内。竖向预应力采用JL32精轧螺纹钢筋，布置在腹板内。桥墩采用双薄壁墩，薄壁墩横桥向宽度6m。作者：栗勇（1976—），男，高级工程师，2003年毕业于大连理工大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士。Email：liyong@2跨中下挠影响因素分析2.1模型建立全桥静力计算采用平面结构计算软件《桥梁博士V3.2》，主梁、桥墩及基础均采用空间梁单元模拟，验算结构在施工阶段变形。主梁按全预应力构件设计桥墩按钢筋混凝土构件设计，混凝土收缩徐变按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》采用。2、3、4、5#轴桥墩桩基础采用嵌岩桩，底部按固结处理；分联处仅设置竖向约束，主梁与中墩固结。施工期间边跨合拢前边跨现浇段为简支体系，边跨合拢后进行体系转换，1、6#轴分联处取消水平刚性约束，结构离散图见图2。图2烂柴湾桥结构离散图2.2对控制结构弹性挠度的认识不足现在大跨径桥梁箱形截面越来越轻型，板件越来越薄，混凝土强度等级越来越高，使得徐变对结构跨中挠度的影响越来越大。混凝土徐变是依赖于荷载与时间有关的一种非弹性性质的变形，影响混凝土徐变的主要因素包括：混凝土的配合比、水泥品种、环境相对湿度及温度、混凝土加载龄期、混凝土构件的有效厚度以及弹性应变。美国混凝土学会第209委员会1982年的报告曾指出，影响徐变的因素是随机变量，其变异系数至少也在15%〜20%左右［2］我国疆土辽阔，各地水泥、骨料、气候环境等影响混凝土徐变的因素均有较大差距，对混凝土徐变影响不易控制；弹性应变（影响混凝土徐变最直接的因素）相对确定，而且徐变变形与弹性变形基本同方向、成比例，因此烂柴湾大桥设计从控制结构在除混凝土收缩徐变外的弹性挠度（包括施工阶段的弹性挠度，是结构自重、二期荷载和预应力钢束共同产生的，为跨中最大挠度）出发，进而控制混凝土徐变挠度，最终达到控制结构跨中下挠的目的。烂柴湾大桥采用悬臂浇注施工，施工阶段主要分为：悬臂施工阶段、合龙阶段、桥面系施工。其中悬臂施工阶段、合龙阶段可通过预应力钢束的张拉来调整结构弹性挠度。为简化计算，本文将悬臂阶段顶板束及腹板束、合拢段底板束规格均分别调整为8①S15.2、12①s15.2、16①s15.2、19①S15.2、22①S15.2进行分析。图2不同钢束对结构弹性挠度的影响^1234—56------图3不同钢束对结构徐变挠度（成桥3600天）的影响^1234—56------从图2、3可以看出，当钢束采用8①s15.2、12①s15.2、16①s15.2、19①s15.2及22①s15.2时，相应最小弹性挠度为-4.8cm、-3.4cm、-2.1cm、-1.1cm及0.1cm，相应徐变挠度为-3.2cm、-1.6cm、-0.2cm、0.8cm及1.9cm。可以看出，通过增加钢束用量，可改善结构弹性挠度大小，相应直接改善徐变挠度大小，甚至徐变挠度的方向。可见，弹性挠度控制的大小对大跨径连续刚构桥主梁挠度影响大。2.3施工原因导致有效预应力降低从已加固的一些连续刚构桥中发现，孔道的压浆有时不够饱满，存在着一些空隙；有的因浆体离析，跨中的孔道有大量的积水。处于这样孔道中的预应力束，在水和空气的长期共同作用下，不可避免地会发生锈蚀，导致钢束有效应力的降低。其次，在连续刚构桥的悬臂施工中，为了加快施工进度，施工单位往往在混凝土中加入早强剂，一般2〜3天达到混凝土强度后就立刻进行张拉。但是早强剂虽然可以提高混凝土的早期强度，但对早期混凝土的弹性模量影响不大，这样在张拉时，早期混凝土的弹性模量依然偏低，从而导致后期由于徐变引起的预应力损失加大。此外，施工规范中容许预应力有±6%的施工误差，因此应考虑纵向预应力损失6%对于结构挠度的影响。图4纵向预成力折减后对结构的影响图4纵向预成力折减后对结构的影响挠度对该桥纵向预应力分别折减10%、20%、30%后与正常情况进行比较，结果见图4。从图中4条曲线可以看出：纵向预应力的失效对结构挠度的影响基本是成比例增长的，中跨跨中点在有效预应力损失10%后得相对位移为5.2mm，损失20%后的相对位移为15.6mm，损失30%后的相对位移为26.2mm，相对下挠值较大。可以看出，施工原因引起的预应力损失对大跨径连续刚构桥主梁挠度影响较大。2.4对预应力摩阻损失的估计不足在大跨径连续刚构桥中大多布置长索，对长索而言，摩阻损失占预应力损失的主要部分。预应力摩阻损失主要受孔道弯曲和孔道偏差的影响，分别由孔道摩擦系数u和孔道偏差系数k控制。施工方面的主要原因：（1）随着索长度的增加，预应力钢束编束和穿束时相互缠绕的几率增大，这种约束作用将使u、k的取值均增大；（2）混凝土浇注振捣过程中振捣棒难免挤碰波纹管，或施工时波纹管逐段拼接的孔道偏差，致使实际孔道沿纵向凹凸不平，使得k值变大；（3）波纹管局部破损可能导致浇注混凝土时局部漏浆，从而导致孔道内壁粗糙，使得u值变大。对u、k采用不同的四种组合计算其对跨中下挠的影响：（1）k=0.0015、u=0.17；（2）k=0.0015、u=0.25；（3）k=0.003、u=0.17；（4）k=0.003、u=0.25,结果见图5。图5摩阻系数改变对结构挠度的影响从图中曲线可以看出，中跨跨中点在组合1〜组合4情况下分别为0.4cm、0.2cm、0.1cm、-0.1cm，组合2〜4相对组合1下挠值不大。说明管道摩擦系数和局部偏差系数的改变对大跨径连续刚构桥的挠度有一定影响，但不是主要因素。2.5主梁开裂的影响现今大跨径连续刚构桥大部分采用纵、横、竖三向预应力体系。纵向预应力的损失除了直接导致结构主梁下挠外，还可能直接造成结构下缘出现拉应力，从而导致截面出现“U”形裂缝。此外，其对主拉应力也会造成不利影响。竖向预应力筋多采用高强精轧螺纹粗钢筋，在实际工程中，由于竖向预应力的损失过大，竖向预应力体系很难达到设计要求导致主拉应力增大，梁体腹板随之出现大量斜裂缝。随着实际工程经验的丰富，设计、施工对腹板斜裂缝的控制越来越重视，但由于受梁高的影响，仍然有部分桥梁箱梁腹板出现斜裂缝，其位置多出现在1/4〜3/4跨（受梁高限制，竖向预应力损失过大）。底板横向裂缝、腹板斜裂缝的出现和增多，将会削弱结构的整体刚度，从而影响结构到结构内部应力的大小和分布，主梁挠度也会随之增加。本文针对本桥情况，对梁高低于4米的梁段截面刚度折减20%、40%和60%进行计算后与正常情况（不折减）对比，结果见图6。图6刚度折减对结构挠度的影响从图中曲线可以看出，中跨跨中点折减20%后的相对挠度为-1mm，折减40%后的相对挠度为-3.2mm，折减60%后的相对挠度为-8.3mm，相对挠度值较小，说明开裂会在一定程度影响结构跨中下挠，但不会是主要因素。2.6施工超方的影响施工规范允许结构尺寸误差为±5%，铺装超厚L/5000（L为主跨跨径），因此主梁结构设计时，除根据结构设计尺寸和设计荷载确定主梁跨中下挠值外，还宜考虑施工规范允许范围内的施工误差对结构跨中挠度的不利影响。设计时不仅考虑施工误差对结构弹性挠度的影响，同时宜考虑超方5%和铺装超厚引起的徐变挠度的增大。大跨径刚构桥多采用挂篮浇注施工，悬臂浇注过程中结构变形将受到诸多因素的影响，极易使结构的实际位置（立面标高）状态偏离预期状态，而导致合龙后的线形与设计要求的线形不符。为了将实际线形与理论线形的差别满足既定的要求，很多已建桥梁采用了加大铺装中调平层厚度的方法解决，而相应带来了调平层超方问题。结构超方和桥面铺装中调平层超方是极易出现的情况，本文针对本桥情况，分析结构超方5%，同时桥面铺装调平层超方10%、30%、50%和100%对于跨中挠度的影响，结果见图7。

--君苗超方5%、谓平总翟方3D*—-姑械方寇点"勃1E黑苛务''X裁图7超方对结构的影响从图中曲线可以看出，中跨跨中点在结构超方5%、调平层超方10%后的相对挠度为--君苗超方5%、谓平总翟方3D*—-姑械方寇点"勃1E黑苛务''X裁图7超方对结构的影响2.7活载长期作用的影响在桥梁竣工开放交通时，结构的徐变还没有完成，在交通量较大的桥上，活载相当于永久荷载一样昼夜作用在桥面上，活载及活载超载也会使结构的徐变下挠值加大。本文针对本桥情况，分析活载对结构徐变挠度的影响，见图8。图8活载对徐变挠度的影响图8活载对徐变挠度的影响从图中可以看出，10%、30%和50%活载效应对长期徐变挠度的影响分别为1.2mm、3.4mm和5.8mm,相对挠度值较小，说明活载效应会在一定程度影响结构跨中下挠，但不会是主要因素。依据上述分析，预应力摩阻损失、主梁开裂、活载长期作用对跨中下挠有影响，但并非主要因素；而对控制结构弹性挠度的认识不足、施工原因导致有效预应力降低、施工超方是跨中下挠的主因。4跨中下挠的预防措施烂柴湾大桥设计中，通过增加钢束用量，来改善结构弹性挠度，进而改善结构徐变挠度；同时，在主梁压（主压）应力满足规范要求的前提下，适当增加钢束用量，使结构部分段弹性挠度向上，进而实现成桥后徐变挠度向上，从根本上解决结构跨中下挠。为解决预应力孔道压浆质量问题，烂柴湾大桥采用真空辅助压浆工艺。同时，施工中保证混凝土的养护龄期，以避免在混凝土的弹性模量偏低情况下加载，从而导致后期由于收缩、徐变引起的预应力损失过大。施工超方对结构的影响是不可忽视的，规范允许范围内的超方应作为结构挠度设计时必须考虑的因素。而针对可能超出规范允许范围的那部分，设计上预留了备用钢束。除采用上述措施外，可额外配置了体外预应力，以应付将来可能出现的跨中下挠。当出现主梁下挠时，对体外预应力进行张拉，以消除跨中下挠。5结论连续刚构是一种较为经济合理、施工安全