王 寧, 王 科

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124；2.中國(guó)人民解放軍95338部隊(duì)，湖南衡陽(yáng)421001)

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋具有整體性能好、變形小、抗震性能好、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低的特點(diǎn)，并且連續(xù)梁體和梁墩的固結(jié)，使得連續(xù)剛構(gòu)橋沒(méi)有伸縮縫，車(chē)輛能夠平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)它也沒(méi)有支座，不需要轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并有很大的順橋向抗彎剛度和橫向抗扭剛度，這些優(yōu)勢(shì)使得它在近幾十年得到迅速發(fā)展，已成為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的一種類(lèi)型[1](表1)。大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁式橋主要包括三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型：T型剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋以及連續(xù)剛構(gòu)橋。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、試驗(yàn)研究、預(yù)應(yīng)力材料與工藝設(shè)備、施工工藝等方面可謂日新月異，橋梁的設(shè)計(jì)技術(shù)與施工技術(shù)已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，從結(jié)構(gòu)受力多經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮，連續(xù)剛構(gòu)的跨度適用范圍在300 m以?xún)?nèi)。

隨著橋梁在各種環(huán)境中的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、施工質(zhì)量等問(wèn)題，很多大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋都出現(xiàn)了一些病害，于是在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的病害進(jìn)行分析以及改正成了亟需解決的問(wèn)題。

1 典型病害及原因

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的病害主要是主梁的下?lián)弦约傲芽p的問(wèn)題，而根據(jù)裂縫產(chǎn)生的位置又主要分為梁體的頂板裂縫、底板裂縫、腹板裂縫、橫隔板裂縫、錨固裂縫等[2]。

1.1 連續(xù)剛構(gòu)橋的跨中撓度及成因

大跨徑橋梁梁體跨中撓度過(guò)大是橋梁工程中比較常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，雖然目前國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋有著豐富的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，但是跨中撓度過(guò)大仍然是困擾工程師的一個(gè)難題。針對(duì)跨中撓度持續(xù)下?lián)系膯?wèn)題設(shè)計(jì)人員已經(jīng)做了很多的研究，目前比較公認(rèn)的有以下原因。

1.1.1 混凝土的徐變和收縮

混凝土在荷載長(zhǎng)期的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，并且在混凝土凝結(jié)初期或在其硬化過(guò)程會(huì)出現(xiàn)體積減小，這也就是所說(shuō)的混凝土徐變以及收縮。徐變是種塑性變形，是混凝土長(zhǎng)期受力作用下所固有的變形性能。徐變變形的方向與加載方向一致，也就是受壓的混凝土結(jié)構(gòu)徐變所產(chǎn)生的變形與混凝土收縮的變形方向是相同的，均使混凝土結(jié)構(gòu)幾何尺寸非常微小地變小(表2、表3)。

表1 部分國(guó)內(nèi)外已建成的跨徑200m以上連續(xù)剛構(gòu)橋

在對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)施工時(shí)，所用的混凝土均為高強(qiáng)混凝土，而收縮與徐變?cè)诟邚?qiáng)混凝中的現(xiàn)象更加明顯。

表3 混凝土徐變系數(shù)終極值φ(tu，t0)×103

由表2、表3可知，混凝土的收縮應(yīng)變終極值與傳力錨固齡期呈負(fù)相關(guān)，與混凝土梁板的理論厚度呈負(fù)相關(guān)；混凝土的徐變系數(shù)終極值與加載齡期呈負(fù)相關(guān)，與混凝土板的理論厚度呈負(fù)相關(guān)。而我們?cè)谠O(shè)計(jì)施工時(shí)為了減輕大跨橋梁的自重，常采用薄壁箱型梁，并且為了提高施工進(jìn)度加載齡期與錨固齡期都比較短，從而使收縮應(yīng)變終極值和徐變系數(shù)終極值比較大，導(dǎo)致跨中下?lián)线^(guò)大。

1.1.2 混凝土開(kāi)裂

混凝土裂縫的寬度與撓度的關(guān)系近似線(xiàn)性關(guān)系[3]，跨中下?lián)蠒?huì)進(jìn)一步加劇箱梁底板開(kāi)裂，而箱梁裂縫增多使其結(jié)構(gòu)剛度降低，又進(jìn)一步加劇了跨中下?lián)?，這兩者相互影響形成了惡性循環(huán)。

1.1.3 對(duì)預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期損失估計(jì)偏低

由上表我們可知，混凝土的收縮應(yīng)變終極值是與傳力錨固齡期成負(fù)相關(guān)的，也就是說(shuō)隨著時(shí)間的增加，預(yù)應(yīng)力有效值會(huì)逐漸變小，那么混凝土的收縮變形就會(huì)越大，橋梁整體剛度就會(huì)減小，從而跨中撓度增大。

1.1.4 施工方法

懸臂施工法由于在跨間不需搭設(shè)支架、施工期間不影響橋下通航或行車(chē)、工作面多、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的主要施工方法。在對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工中采用懸臂施工，分段澆筑[4]的方法。這樣的施工合攏方式導(dǎo)致成橋后存在初始撓度，處于不利的應(yīng)力狀態(tài)，更導(dǎo)致了橋梁成橋以后在長(zhǎng)期通車(chē)使用的狀態(tài)下?lián)隙炔粩嘣黾印?/p>

1.2 頂板裂縫及成因

箱梁頂板裂縫主要是縱向頂板裂縫，有的縱向裂縫連續(xù)貫通較長(zhǎng)，有的則不連續(xù)且較短，混凝土箱梁在設(shè)計(jì)時(shí)為了減輕橋梁自重往往采用薄壁箱梁。

(1)當(dāng)頂板的橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間損失到一定程度時(shí)，或者頂板沒(méi)有設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)均會(huì)產(chǎn)生裂縫。

(2)懸臂施工、分段澆筑的施工方式，會(huì)導(dǎo)致各段箱梁頂部的橫向預(yù)應(yīng)力各不相同，是箱梁頂板處在受力不均的狀態(tài)下，從而產(chǎn)生裂縫。

(3)在箱梁頂板上會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)彎矩區(qū)域，在這些負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)容易產(chǎn)生頂板裂縫。

(4)影響混凝土箱梁撓度的原因也會(huì)使箱梁頂板產(chǎn)生裂縫。

1.3 底板裂縫及成因

底板裂縫比較常見(jiàn)的位置是箱梁底板跨中的位置。

(1)在荷載作用下，箱梁跨中底部為受彎區(qū)，當(dāng)受彎區(qū)的橫向鋼筋不足以抵抗底板所產(chǎn)生的的附加彎矩時(shí)，就會(huì)使混凝土開(kāi)裂。

(2)在箱梁底部上布置了較多的預(yù)應(yīng)力鋼索孔，預(yù)應(yīng)力鋼索與這些孔相互作用，預(yù)應(yīng)力鋼索孔受到較大的壓力，底部混凝土所受的壓力超過(guò)其極限承載力時(shí)，底板就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

(3)混凝土箱梁撓度過(guò)大也會(huì)使箱梁底板產(chǎn)生裂縫(圖1)。

圖1 頂板、底板縱向裂縫

1.4 腹板裂縫及成因

斜裂縫也稱(chēng)主拉應(yīng)力裂縫，一般發(fā)生在箱梁腹板上，是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中出現(xiàn)最多的一種裂縫，往往首先發(fā)生在剪應(yīng)力最大的支座附近，腹板斜裂縫主要以15°～45°的角度出現(xiàn)在跨度的1/4～1/8處[5](圖2)。

圖2 腹板斜裂縫

(1)由于所采用的箱梁厚度較薄，同時(shí)在支座處會(huì)產(chǎn)生的剪力相對(duì)比較大，當(dāng)腹板的抗剪能力不足以抵抗所產(chǎn)生的的剪力時(shí)，腹板就會(huì)形成裂縫。

(2)由于橋梁在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行情況下，荷載較大，同時(shí)預(yù)應(yīng)力的有效值會(huì)降低，腹板上所受的拉力相對(duì)增大，產(chǎn)生裂縫。

(3)在溫度荷載作用下，混凝土箱梁會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象，導(dǎo)致腹板的不同斷面受力不同，從而產(chǎn)生裂縫。

1.5 錨固區(qū)裂縫及成因

在預(yù)應(yīng)力張拉之后錨固端的應(yīng)力是非常復(fù)雜的[6]，當(dāng)錨固區(qū)內(nèi)箱梁的橫向和縱向鋼筋沒(méi)有加強(qiáng)時(shí)，一旦混凝土的抗拉強(qiáng)度小于預(yù)應(yīng)力張拉所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。錨固區(qū)鋼筋相對(duì)較密，也會(huì)由于施工質(zhì)量的原因，導(dǎo)致錨固區(qū)混凝土澆筑不密實(shí)而出現(xiàn)裂縫(圖3)。

圖3 錨固區(qū)裂縫

2 典型病害的防治

影響大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)线^(guò)大及產(chǎn)生裂縫的因素比較復(fù)雜，有著一定的不確定性和隨機(jī)性，并且隨著時(shí)間的推遲這些問(wèn)題會(huì)逐漸的嚴(yán)重，從而影響橋梁的正常使用，本文主要從以下方面對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行防治：

2.1 控制混凝土的收縮和徐變

提高混凝土的強(qiáng)度，可以選擇級(jí)配良好的骨料，控制水灰比和水泥的品種及用量，同時(shí)添加合適的外加劑，這樣在保證混凝土強(qiáng)度的同時(shí)既控制了混凝土的收縮徐變，也消除了一定的溫度影響[7]。

2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

適當(dāng)增大梁截面高度，增大高跨比，同時(shí)增配鋼筋從而提高箱梁的抗彎承載力、抗剪承載力以及整體剛度。

2.3 控制施工質(zhì)量，在施工時(shí)考慮足夠的預(yù)拱度

混凝土的收縮徐變會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，而下?lián)系木唧w數(shù)值目前還不能完全準(zhǔn)確地計(jì)算出來(lái)，往往會(huì)因?yàn)轭A(yù)設(shè)的預(yù)拱度不足，不足以抵消箱梁在后期所產(chǎn)生的下?lián)?，?dǎo)致下?lián)线^(guò)大從而產(chǎn)生裂縫，所以在施工時(shí)要充分考慮足夠的預(yù)拱度，并且推薦采用二次張拉工藝彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力損失。

2.4 在箱梁底板粘貼FRP加固

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)輕質(zhì)高強(qiáng)，具有較好的抗拉強(qiáng)度并且具有良好的耐腐蝕性以及良好的實(shí)用性，在箱梁底板粘貼FRP板帶，可以提高底部的受彎承載力，可以有效抑制裂縫的出現(xiàn)。

2.5 合理設(shè)置橫隔板

在偏心荷載作用下箱梁會(huì)產(chǎn)生周邊變形也就是截面畸變，而箱梁的畸變變形是橋梁工程不可忽視的問(wèn)題。在箱梁中合理的設(shè)置橫隔板，在集中畸變荷載作用的位置上設(shè)置相應(yīng)的和隔板可以有效的控制截面的變形，減小畸變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，提高整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。

3 結(jié)論

本文總結(jié)了大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋常見(jiàn)的一些病害并且提出了相關(guān)的防治措施。主要的研究結(jié)論如下：

(1)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨中的病害主要有跨中撓度持續(xù)下降導(dǎo)致?lián)隙冗^(guò)大以及裂縫的產(chǎn)生。

(2)混凝土的收縮徐變、混凝土開(kāi)裂、對(duì)預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期損失估計(jì)偏低、施工方法都會(huì)增加箱梁跨中的撓度。提出了提高混凝土強(qiáng)度，控制水灰比，合理增添外加劑，設(shè)計(jì)施工時(shí)考慮足夠的預(yù)拱度這些相應(yīng)的措施來(lái)抑制上述問(wèn)題的產(chǎn)生。

(3)箱梁的裂縫根據(jù)其出現(xiàn)的位置只要分為了頂板裂縫、底板裂縫、腹板裂縫、橫隔板裂縫、錨固區(qū)裂縫。提高相應(yīng)的箱梁截面尺寸，增加預(yù)應(yīng)力，合理布置隔板都能減少這些裂縫的出現(xiàn)。

(4)在板底粘貼輕質(zhì)高強(qiáng)FRP板的加固方式，是橋梁預(yù)防裂縫產(chǎn)生及出現(xiàn)裂縫后加固維修的措施。