连续刚构桥梁耐久性研究

前言

随着我国社会经济的发展以及社会的进步，我国桥梁事业得到了突飞猛进的发展。连续刚构桥梁的耐久度可以衡量其结构保持耐久性的能力，可以通过耐久性指标确定连续刚构桥梁结的构耐久性是否满足设计要求。为了提高连续刚构桥梁的质量，延长桥梁的使用寿命，必须提高连续刚构桥梁的耐久性。同时，应确保连续刚构桥梁设计的合理性，以此提高桥梁的质量，满足我国社会经济发展的需要。

一、我国连续刚构桥梁耐久性存在的现状

我国修建了大量的连续钢构桥，收到了良好的经济效益。成绩是第一位的，但问题也在所难免。大跨度连续钢构桥经长期使用后，存在一起较为常见的病害，概括起来，有三大类。即：跨中下挠、梁体开裂、耐久性问题。

跨中下挠是十分普遍的现象，主要是由混凝土徐变引起的，尤其是大跨径连续钢构桥，跨中下挠往往伴随着跨中段出现横向裂缝或大量斜裂缝，其下挠可达到相当大的程度，造成严重病害。例如：黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已经达到33.5厘米，当然出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中段横向裂缝；虎门大桥辅航道桥跨中下挠，2002年达到22厘米，与此同时，跨中出现一些横向裂缝及主拉应变裂缝，此下挠值远远超过原设计预留量10厘米；湖北钟祥汉江大桥于1993年11月通车，2005年拆除重建。

二、跨中下挠的原因

由于连续钢构桥的恒载应力占总内力的80%、甚至90%以上。为减少恒载内力，上世纪90年代过分强调结构的轻型化，直接后果导致板件较薄，板件薄，混凝土的应力就高，而徐变变形与应力成正比，由徐变理论可知：板件越薄，理论厚度就越小，徐变系数就越大。其次，连续钢构桥在设计阶段，仅仅按照上缘混凝土不出现拉应力，控制负弯矩预应力筋的数量，没有充分考虑负弯矩预应力对控制徐变下挠的有力作用，导致内支点负弯矩预应力筋配置不足。另外，连续钢构桥在施工期，业主和施工单位往往缩短施工周期，设计图纸只对混凝土的强度达到80-90%时，施加预应力，很少对混凝土的加载龄期提出要求，因为早期混凝土的弹性模量的增长明显滞后于强度的增长，添加早强剂后，混凝土的强度很快达到设计强度，但是弹性模量往往是设计值的70%，甚至更低。由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的混凝土徐变系数终极值可见，3天加载和7天加载比较，徐变系数终极值增加15%-20%。由于徐变挠度计算只针对恒载，但在交通量日益繁重的路段上，桥上的车流不停止，从客观上讲，部分活载转变成了恒载，同样会产生挠度徐变，导致下挠增大。

连续钢构桥在施工时，由于对预应力管道定位、漏浆控制不严格，导致预应力管道摩擦，导致预应力损失，造成有效预应力不足。梁体在下挠的同时，导致梁体开裂，不论是斜裂缝还是横向裂缝，都将导致梁体的刚度降低，进一步使挠度加大。

三、跨中下挠的预防对策

跨中下挠往往和横向裂缝、斜裂缝同时发生，相互促进恶化，因此，在设计阶段，保证梁体有足够的正截面强度和斜截面强度，同时应充分考虑徐变的不利影响。在控制负弯矩区域截面的应力梯度方面，在梁的根部区域，可使悬臂节段的自重完全由预应力抵消，内支点的底板厚度应大于跨径的1/140，只有保证了梁体的正截面强度和斜截面强度，并且截面的应力梯度较小，连续钢构桥梁体的安全储备方可得到保证，这样只需要设置较小的预拱度，用来抵消预应力徐变损失以及合龙后二期恒载等引起的徐变挠度。在合龙施工阶段，合龙主跨前，在两悬臂端施加水平力对顶，然后合龙。不仅有利于减少跨中控制应力，也有利于减少跨中下挠。同时必须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，强度和弹模至少在90%以上；采用真空压浆，减少管道摩阻，防止漏浆，严格杜绝混凝土超方现象。

连续钢构桥大跨径梁桥跨中区域段应考虑轻型化，例如重庆石板坡长江大桥跨中段108米采用钢梁，国外的斯托尔马桥（301米）跨中段182米采用了C60轻质陶粒混凝土。

连续钢构桥在设计阶段，要适当考虑活载影响。例如：苏通长江大桥辅航道桥，在设计时，考虑了两个车道的活载来参与徐变计算。

四、梁体斜裂缝的主要原因

交通部公路科学研究所对全国公路系统主跨大于60米的180座主要预应力混凝土箱梁做了裂缝调查与统计，统计结果为：腹板裂缝86.4%、顶板裂缝90.9%、底板裂缝54.5%、横隔板裂缝86.4%、齿板裂缝36.4%，腹板斜裂缝是出现较多的裂缝，与梁轴线呈现25度-50度开裂，随着时间的推移，裂缝逐渐增多，裂缝向上、下、跨中方向发展。斜裂缝的另外一个特征就是箱内裂缝明显多于箱外裂缝。

出现斜裂缝的原因为：上世纪90年代，在箱梁桥的设计中，大规模的取消了弯起束，仅仅靠纵向预应力和竖向预应力来克服主拉应力，同时腹板的厚度也减少。竖向预应力（静轧螺纹钢）有效预应力不易得到保障，结果斜裂缝大量出现。作为平面问题分析，计算主拉应力偏小，设计仅仅对纵向和竖向二维来分析主拉应力，没有充分考虑横向的影响。其次为：温度影响，日照温差导致箱梁内部全截面受拉，按照多国规范计算，日照作用下腹板内侧拉应力可达2MPA；同时后期索的影响，跨中张拉后期索导致腹板受弯拉、底板受弯；此外箱型截面，扭转、翘曲、畸变也会使腹板中剪应力加大，从而增大主拉应力。在施工中，由于腹板偏薄，混凝土浇筑质量不能保证，配置的普通钢筋偏少，不能有效限制裂缝宽度。设计中的竖向预应力施工操作不规范，误差大，有效预应力严重不足，特别是精轧螺纹钢，有的竖向预应力筋甚至松动，根本没有预应力。

五、梁体斜裂缝的预防对策

首先必须保证梁体有足够的斜截面强度，从根本上杜绝了斜裂缝的产生和发展。在设计阶段，采用三维分析箱梁的主拉应力，不漏项，尤其是横向荷载的计算，保证全面分析造成斜裂缝的不利因素。在设计和施工阶段，必须配置弯起束、高效竖向预应力束。采取以上方法，可以杜绝斜裂缝的产生，保证梁体的耐久性。

六、梁体纵向裂缝的原因及措施

超载，特别是超再车的轴荷载作用，对横向的影响比纵向更大，这是因为纵向弯矩自重占绝大部分，而横向弯矩主要由活载引起，轴重超出规范后，易出现顶部下缘的纵向裂缝。温度应力估计过小，89桥梁设计规范，翼缘与梁体5度的偏差，与实际不符合，温度应力接近甚至超越活载的应力，现在的《公路桥涵通用设计规范》规定了比过去大很多的温度梯度，有望解决。其次，钢构墩身建成后相当时间，才建墩上梁的0号块，由于墩身的横向收缩已经完成，而0号块的横向收缩受墩身的约束，导致底板中部出现裂缝，收缩差引起的裂缝，龄期差的混凝土结合面，都有因收缩差而出现纵向裂缝的风险，因此，节段浇筑时间间隔不要过长。

由于顶板较薄，又要布置纵、横向预应力束和普通钢筋，横向预应力筋位置较难控制精确，一旦偏差较大，很容易在顶板下缘出现纵向裂缝，同时顶板薄导致活载作用下混凝土应力变幅过大，容易出现疲劳裂缝。箱梁腹板的内外侧均存在横向拉应力，配筋不足时候，容易出现纵向裂缝，因此要保证配筋数量。变截面箱梁的底板由于施加后期预应力产生径向力，当底板横向配筋不足，会在底板横向跨中下缘，出现纵向裂缝，因此保证底板横向配筋，减少纵向裂缝。其次，跨中底板病害包括，底板混凝土崩裂，上下层钢筋网分层，跨中底板下缘的纵向裂缝。这些都是底板后期束引起的。混凝土局部崩裂和分层的原因为：钢筋间距过大或失效、混凝土质量达不到要求、预应力管道转角太小。水化热导致开裂，悬浇施工底板较厚的梁根部，尤其是天气很冷，拆模后发现底板下缘存在纵向裂缝，这些在施工中都应采取相应的调整措施。

另外，沥青高温摊铺的作用（规范无规定），摊铺温度高达150度左右，40分钟后顶板达到最大应力，4小时后趋于均匀，横向为4.2MPA，日照形成1.62MPA，这些都应在设计阶段以施工荷载给予考虑。

七、梁体横向裂缝的原因

连续钢构桥箱梁正截面强度不足，（有效预应力不足，过早加载，预应力徐变损失大，沿着管道预应力损失偏大，预应力筋因为管道压浆不饱满和浆体离析而锈蚀）、设计、施工阶段对剪力滞影响考虑不够，腹板区域上下缘纵向拉应力远大于平均压力，都将导致横向裂缝的产生。同时，应严格控制梁体超方、铺装过厚、桥面超载、摩擦桩的不均匀沉降等现象。

结束语

目前，我国连续钢构桥设计、施工处于一个相对规范、可控的状态，对纵、横、竖向预应力的认识和实施已经到一个新的高度，切实保障了我国桥梁建设的质量。

（作者单位：河南省济阳高速公路建设有限公司）

作者简介

许改平，女（1981-11-），河南洛阳伊川县，本科，研究方向：土木工程。