大跨径PC连续刚构桥跨中下挠原因分析及防治措施探讨

何大学，胡世强

（中国市政工程西南设计研究总院，四川成都 610081）

0 引言

连续刚构桥具有结构整体性好、受力合理、跨越能力强等诸多优点，在桥梁建设中得到广泛应用。近年来，随着设计和施工水平的进一步提高以及材料性能的改进，连续刚构桥向着大跨、高墩和连续长度更长的方向发展。但是，在已建成的大跨径PC连续刚构桥中，有相当数量的桥梁出现跨中过度下挠和箱梁梁体开裂等病害。表1列出了国内外一些典型大跨径PC连续刚构桥跨中下挠情况。

表1 国内外典型大跨径PC连续刚构桥跨中下挠情况

大跨径PC连续刚构桥跨中下挠与箱梁梁体开裂多是并发症，跨中下挠会进一步加剧箱梁梁体开裂，而箱梁梁体开裂会使结构刚度降低，进一步加剧跨中下挠，两者恶性循环，影响桥梁耐久性，危及桥梁安全。

1 大跨径PC连续刚构桥跨中下挠主要原因分析

大跨径PC连续刚构桥跨中下挠是一个比较复杂的问题，是由多种因素引起的。其中主要有混凝土收缩和徐变较大，预应力损失过大，施工工艺不好，日照温差作用，以及箱梁的空间作用计算不准确等因素。下面从设计、施工及运营管理3个主要方面来分析。

1.1 设计原因

（1）对混凝土收缩和徐变的影响程度重视程度不够。

混凝土收缩和徐变是桥梁结构计算过程中一个非常复杂而又难以精确计算的非线性结构力学问题。现在连续刚构桥向着大跨径方向发展，为了突破传统跨度，设计时势必梁体越来越薄，箱形截面越来越轻型，混凝土强度等级越来越高，从而使得混凝土收缩和徐变对结构的影响越来越大，而设计者还是按照原有规范标准来计算和设计，对混凝土收缩和徐变对桥梁结构的影响程度和长期性估计不足。

（2）忽略了剪切对挠度的影响。

根据S.Timoshenko的高等材料力学，对于L/h≥10的梁，在弹性阶段，可忽略剪切对挠度的影响。所以，通常我们计算跨中挠度时，只计算梁的弯矩作用及梁的弯曲刚度。

δ=δM=（MM/EI）ds

但是，对于混凝土薄腹梁，其挠度的计算，不能仅计算弯矩的作用，还应考虑剪力的作用。因为薄腹梁中的剪应变很大，δQ的影响不可忽略，梁体出现斜裂缝后，梁的剪切刚度降低很多，梁的挠度进一步加大。如果斜裂缝进一步发展，梁的挠度将不断增加。德国著名桥梁设计师F.Leonhardt曾提出，对于L/h≤12的梁，剪切引起的挠度可达到弯矩引起的挠度的20%～30%。不过，剪切引起的梁的挠度的计算比较困难。

梁的实际挠度计算公式应为：

δ=δM+δQ=（MM/EI）ds+（QQ/GA）ds

（3）预应力损失实际值与理论计算值差别较大。

大跨径PC连续刚构桥一般采用悬臂浇筑法施工，大量资料表明，纵向预应力束与管道的实际摩擦系数以及管道偏差系数k通常都比规范规定取值要大，造成预应力损失实际值比理论计算值相差很大，从而造成有效预应力不足。预应力损失将减小结构刚度。

（4）箱梁腹板结构尺寸偏小。

桥梁设计时，大跨径PC连续刚构桥为了减少结构自重，腹板厚度、墩顶梁高都参照规范规定范围偏低拟定，造成腹板总厚度不足，墩顶梁高偏小，根部高跨比偏小，梁体持久抗剪能力储备不足，从而导致跨中下挠。

（5）对温度变化引起的有效预应力降低认识不够。

在分析温度对大跨径PC连续刚构桥的影响时，设计者往往忽略了时间这一因素。桥梁在运营中除单纯的温度影响外，同时伴随着由徐变带来的应力松弛和收缩现象。随时变化的温度使梁体开裂，不断降低梁体截面刚度，导致跨中持续下挠。

（6）受箱梁高度限制，竖向预应力筋长度较短，实际预应力损失比计算值大得多，梁体抗剪能力远小于理论值。

（7）结构计算收缩徐变计算时间根据规范按照3年控制，计算时间偏短，虽然收缩徐变后期增长慢，但随着时间的延续，总在增加，如果忽略后期增量，收缩徐变设计值就偏小。

1.2 施工原因

（1）混凝土原材料选择及拌合、浇注控制不严，以及片面追求高强度而忽视混凝土的综合性能，导致混凝土品质不满足设计要求，降低梁体持久承载能力，随着时间的推移，跨中出现下挠。

（2）模板安装不准确或出现胀模，导致箱梁自重增加，预应力度降低，结构抗裂能力降低，从而引起附加挠度增加并伴随结构开裂。

（3）片面强调缩短工期，混凝土强度达到设计值后就张拉预应力束。计算结构收缩时弹性模量采用标准值，而节段加载时的龄期短，弹性模量值偏小，导致收缩徐变计算值小于实际值。

（4）施工中预应力管道定位不准确，灌浆不饱满，钢束锈蚀，实际预应力与设计不符，不能保证足够的预应力，梁体持久承载能力不足，导致跨中下挠。

（5）施工中养护、保温及保湿措施不足，结构出现收缩、徐变和温度裂纹，为后期裂缝的发展和下挠埋下隐患。

1.3 运营管理原因

随着我国国民经济的快速发展，交通条件大大改善，交通量与日剧增，很多桥梁的实际交通量远远超过设计规定交通量，大量的超重、超载车辆通过桥梁，很多桥梁严重超负荷运行。日积月累，桥梁开裂就不可避免，从而降低梁体截面刚度，导致跨中下挠。

桥梁管理人员对桥梁健康检查、维护不仔细、不及时，裂缝得不到及时修补，受雨水侵蚀、超载等作用裂缝进一步发展，跨中持续下挠，危及结构安全。

2 大跨径PC连续刚构桥跨中下挠的防治

大跨径PC连续刚构桥跨中下挠是多种原因的综合，而非单一因素所致。通过以上分析发现，其主要影响因素在设计、施工和运营中仍具有较强的可控性。所以，为了有效防止跨中下挠，应从设计、施工和后期运营管理三方面下功夫。

2.1 设计措施

（1）桥跨布置问题与施工方法密切相关，大跨径PC连续刚构桥一般都采用悬臂浇筑法施工，根据对已建成的大跨径PC连续刚构桥的桥跨布置分析，边跨与中跨比不宜过大，应控制在0.55～0.6范围。为了减少温差的作用，纵向连续长度不宜过长。

（2）根据已建成大跨径PC连续刚构桥资料，腹板在L/4～3L/8段厚度不够，设计时应适当加大腹板厚度，特别是L/4～3L/8段腹板厚度，并增加横隔板数量。宽箱梁不宜采用单箱单室断面，箱梁超过一定宽度，应采用分幅独立设置。

（3）针对每一座大桥，在项目施工初期，应进行相关混凝土特性和参数的测定，根据实测数据进行重新设计验算，对桥梁结构、预应力束以及桥梁设置的预拱度进行适当调整。

（4）对环境温度和湿度取值，根据不同时段、不同位置的实测数据综合取值，使理论值尽量接近实际情况，然后重新计算。

（5）收缩徐变计算时间按15 a或20 a进行计算，结合已建成同类型桥梁跨中下挠资料，在计算的理论预拱度值上再增加适当附加预拱度值。

（6）按照荷载平衡理论优化预应力设计，使得自重弯矩与预应力弯矩差值尽量小，减少混凝土的长期收缩徐变；做好箱梁的抗剪设计，提高结构的耐久性，保证结构刚度；充分认识混凝土的收缩徐变对结构的影响和其不确定性，设计好备用措施，适当预留备用预应力束，在跨中下挠过大时补张拉予以补救。

（7）应考虑剪切对下挠影响，计算时借助于折算刚度ξGA法或数值有限元分析等方法近似计算。

（8）设计加强构造钢筋的设置，防止出现早起裂纹，影响结构刚度。

（9）轻质混凝土可大大减小箱梁自重，轻质混凝土已在国外大跨径PC连续刚构桥中成功应用，可为我国桥梁设计者研究后借鉴。

2.2 施工措施

（1）预应力管道定位一定要准确，位置尽量与设计相符，保证足够的预应力；预应力张拉后应及时灌浆，并保证灌浆饱满。适当延长混凝土初次加载龄期，减小混凝土长期收缩、徐变。

（2）做好现场混凝土收缩、徐变实验和预应力孔道摩阻实验，实测徐变系数和管道摩阻系数，用于校正设计。

（3）为克服大跨径PC连续刚构桥一旦建成就无法再进行二次调整的问题，每座桥梁施工的每一个工序都应进行相应的参数测定，并将测定参数及时提供给设计方用于修正设计。

（4）施工控制是大跨径PC连续刚构桥施工中的重要一环，线形控制又是施工控制的主要部分，应加强施工过程的监控，保证桥梁建成后线形与设计线形尽量一致。大跨径PC连续刚构桥的线形控制主要采用预抛高方法，为了克服过度下挠，预抛高值宁大勿小，一般预抛高值达到L/2 000～L/1 000。

（5）竖向预应力采用两次张拉锚固系统，尽量减小短束预应力损失。

（6）施工中加强养护和保温、保湿措施，防止施工过程中出现早期裂纹。

（7）张拉预应力束时适当超张拉，保证锚下应力。合拢段预应力应补充张拉。

2.3 运营管理方面

大桥建成后，应严格按照设计荷载标准禁止超载车辆通行，避免桥梁长期超负荷运营加剧桥梁跨中下挠。设立通航警示标志，防止船舶撞击，保护好桥梁基础周围环境，避免被人为破坏，引起基础沉降变形，损害桥梁结构，杜绝引起桥梁开裂及跨中下挠的外部因素。经常进行安全可靠性和承载能力的评估，及时发现问题，加强维护和保养，采取有效措施控制桥梁跨中下挠幅度。

3 结语

大跨径PC连续刚构桥跨中下挠问题原因复杂，要加以预防需从多方面予以考虑，主要要从设计、施工和营运管理三方面予以预防。现今急需总结国内外已建同类型桥梁的相关经验和规范设计施工方法，制定大跨径PC连续刚构桥设计、施工及管理等相关规范，指导此类桥梁的建设，以促进大跨径PC连续刚构桥的发展。

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