大跨度PC 连续箱梁桥备用束设置研究

武建中(广东省公路勘察规划设计院有限公司，广东 广州510507)

预应力混凝土连续箱梁桥以其跨越能力和结构刚度大、动力性能好、结构简单、工程造价低、便于配束等特点，加上悬臂施工法的广泛采用而得到了迅速发展。然而随着已建桥梁数量的增加及运营时间的增长，工程病害也随之而来。近20年来，部分大跨径PC 连续箱梁桥在运营阶段，受各种因素影响出现了一些病害，其中最典型的是主梁跨中下挠和梁体开裂。许多成桥实例显示梁体下挠与裂缝开展往往是伴随产生的，是互相影响、互相促进的关系，腹板裂缝越多，刚度越小，跨中下挠就越严重；反之，跨中下挠越大，开裂也越严重。

目前对此类病害桥梁，为保证结构和行车安全，提高结构耐久性，通常需对旧桥进行维修加固，常见措施有施加预应力、粘贴碳纤维布、粘贴钢板、裂缝及缺陷修补、桥面系减载、限制超载车辆等措施。

但针对桥梁结构病害采取的维修加固措施，需充分考虑其对交通运营影响和社会影响，考虑工程造价、老桥结构尺寸和受力性能等因素，往往最有效、最合理的加固方案不能完全实施，施工工序不能完全遵循结构受力的原则。基于上述原因，本文以广东省某高速公路(68+2x110+75+55)mPC 连续箱梁桥为例，在新建桥梁阶段，预估后期可能产生的病害，预先设置一定数量的预应力备用束，根据运营阶段定期监测结果，适时施加。此法由于事先做好预留，造价低，实施后与桥梁合理受力吻合较好，实施预留方案对老桥基本无损伤，设计和施工周期短，施工方便，对道路运营影响较小。

1 工程概况

本桥为(68+2x110+75+55)mPC 连续箱梁，梁高和底板厚度均按1.8 次抛物线设计，单箱单室断面，110m 跨梁高从跨中3.0m 变化到主墩根部的6.5m；底板宽9.0m，顶板宽16.25m；箱梁两侧悬臂为2x3.625m，悬臂板根部厚度为80cm；110m 跨箱梁底板厚度从28cm 变化到根部90cm； 腹 板 厚 度 采 用55cm、65cm、80cm三种厚度。箱梁典型断面见图1。

图1 主桥110 跨支点及跨中横断面

2 预估运营阶段可能产生的受力变化

由于影响PC 连续箱梁后期产生病害的因素很多，本文重点从预应力损失、混凝土收缩徐变两个方面进行探讨。

2.1 运营阶段预应力损失引起的应力、挠度变化

假设本桥在运营阶段受各种不利因素影响，结构预应力出现了损失，以下分别取预应力损失10%、20%、30%对结构进行了试算，分析其对结构变形和应力的影响情况，详见表1、表2。

表1 损失10%、20%、30%后各跨下挠增量值对比表

从表2、表3 中可看出，预应力损失对结构受力和变形影响较大，影响 最 大 位 置 为1#～2#，2#～3#，即 两个主跨2x110m 跨中，其次为主跨的3 个桥墩；对75m 次边跨和边跨，预应力损失30%后，其应力情况仍较好，暂不考虑设置预应力备用束。

表2 损失10%、20%、30%后各墩顶、跨中短期组合正应力对比表

2.2 运营阶段收缩徐变差异引起的结构应力、挠度变化

目前混凝土收缩徐变的计算理论和方法本身存在偏差，且影响混凝土收缩徐变的因素多，随机性大，往往实际的混凝土收缩徐变与设计值存在较大偏差。以下假设混凝土收缩徐变比规范取值增大20%进行试算，110m 跨跨中挠度增大19.4mm，支点上缘、跨中下缘压应力减小约0.3MPa。详见表3。

3 备用束的设置

3.1 体内束与体外束的选型

大跨径连续箱梁的备用束，可考虑体内束、体外束、或体内束和体外束相结合的方式，主要考虑以下两个因素：

表3 收缩徐变增大20%后各跨下挠增量值统计表

(1)大跨径连续箱梁箱形截面尺寸通常受钢束管道布置要求限制，且腹板、顶底板钢束管道布置密集，部分顶底板束布置偏离腹板较远，从受力合理及施工质量来考虑，不宜增加更多的体内束。

(2)对大跨径连续箱梁，备用束为运营阶段的预留措施，之前维持结构受力的钢束一般均为体内束。这种情况既使日后结构发生开裂和跨中下挠，对结构的极限承载能力影响不大，不会发生纯体外束结构因延性不足而发生没有预警的破坏失效。

因此，预应力备用束从布置空间、受力合理、实施方便等因素考虑，应以体外预应力束为主。

3.2 备用束的布置方案

本桥备用束采用fpk＝1860MPa 的高强度低松弛钢绞线，计算按假设主梁预应力损失20%后进行。根据具体尺寸及受力性能，采用以下几种备用束方案。

方案1：在110m 跨布置底板体内束，共3 对，每对均为2 束15.2-19 的钢绞线，钢束长度分别为44m、58.4m、65.6m，两端张拉，张拉控制应力为0.75fpk ＝1395MPa。

方案2：在110m 跨布置底板体外束，共3 对，每对钢束长度分别为44m、58.4m、65.6m，两端张拉，张拉控制应力为0.7fpk ＝1302MPa。

方案3：在2x110m 3 个主墩墩顶布置墩顶体外束，每个墩顶均布置3 对6 束15.2-19 钢绞线，钢束长度分别为：跨中、墩顶体外束布置，为方案二与方案三的组合。

方案5：跨中、墩顶折线体外束布置，在主跨外侧进行锚固张拉，其布置如图2：

图2 跨中、墩顶折线体外布束立面示意(方案五)

3.3 5 种备用束方案综合比较

通过上述5 种布束方案的计算分析，其对改善结构的受力状态均有明显作用。以下以1#墩、1#～2# 跨 中、2# 墩、2#～3# 跨 中、3# 墩 共5 个典型位置进行综合比较，分析其改善结构受力性能的效果及各自的优缺点。

表4 5 种布束方案对墩顶、跨中产生的压应力增量对比表

表5 5 种布束方案改善跨中下挠变形增量对比表

表6 5 种布束方案改善墩顶、跨中的抗弯承载力储备对比表

综上得到以下5 点：

1)上述5 种配束方案对结构产生的效应，均与自重产生的效应反号；

2)对大跨径预应力混凝土构件，由于一般为全预应力构件，采用相同布束的体外、体内预应力备用束，其对改善结构的应力、变形及承载能力的效果差异不是很大，一般体外束小5%～20%左右。

3)跨中底板备用束方案，对改善跨中下缘应力较为有利，对改善墩顶上缘应力效果不明显，一般在0.5MPa 以内。但墩顶顶板备用束在改善墩顶应力的同时，对改善跨中下缘的应力效果也较为明显，约0.9MPa。

4)采用跨中、墩顶组合配束和跨中、墩顶折线配束受力模式较为接近。跨中、墩顶组合配束其材料用量稍大，但分段布设，转向块、锚固块易于布设，预应力损失小，对改善结构受力性能最好；跨中、墩顶折线配束由于束太长，预应力损失大，对改善结构受力性能要相差20%左右，但其可增强结构的抗剪能力。

5)上述5 种配束方案，跨中、墩顶组合体外束最好，跨中、墩顶折线体外束次之，墩顶顶板束再次之，跨中底板束效果最差。但对改善跨中下挠效果均不明显，其可能与钢束的有效应力、理论计算与实际的偏差等因素相关。

4 备用束施加时机分析

预应力备用束的施加时机，对改善结构受力和变形是至关重要的。桥梁施工阶段应在结构关键位置如跨中下缘、墩顶上缘位置，预埋相应的监测设备组成一个微型的监测系统。在运营阶段，需定期监测混凝土应力情况，当发现应力、位移已开始偏离设计期望，在混凝土准备出现拉应力之前或刚刚出现拉应力，此时混凝土结构并未开裂，应及时施加备用束。否则一旦开裂，截面刚度下降，内力发生重分配，加剧跨中下挠和开裂速率，严重降低全桥的承载能力。如在此种状态下再施加预应力备用束，则比开裂前施加的效果差很多，所需要的预应力束也要多很多，而跨中的过大下挠也很难通过预应力束的施加来完全恢复。

5 结语

综上所述，桥梁备用束应结合各桥的跨径组合、施工方法和实际的受力状态，综合考虑收缩徐变、预应力损失等可能产生病害的因素，根据上述结论选择适合本桥的备用束布置型式，并应根据运营阶段定期监测结果，在混凝土开裂前施加。

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