大跨径连续刚构桥下挠与裂缝分析与研究

姚国豪

（郑州市公路管理局 河南，郑州市 450052）

1 引言

预应力混凝土连续刚构桥以其结构刚度大、行车平顺性好、外形简洁大方和养护简单等优点，是大跨径桥梁建设常用的桥型之一。国内设计修建的大跨度预应力混凝土连续刚构桥相继出现了主梁跨中下挠、箱梁梁体裂缝等病害，桥梁工程界一直在分析探讨主梁下挠、箱梁裂缝等病害的成因，而且也在不断探寻解决主梁下挠、箱梁裂缝等病害的方法[1]。从理论上讲，连续刚构桥在主梁设计时已经满足了规范的相关要求，为何桥梁运营阶段中不断出现主梁跨中下挠和各种裂缝等现象，甚至有些下挠和裂缝还危及桥梁结构的正常使用功能。因此分析连续刚构桥主梁跨中下挠、箱梁裂缝成因，并改进预应力的设计理念，从预应力设计的角度出发，寻求减少下挠和裂缝的方法变得尤为重要。

2 连续刚构设计常见病害及成因

2.1 刚构跨中下挠成因

大跨度预应力混凝土连续刚构桥的下挠原因比较复杂通过对国内外多座连续刚构桥主梁跨中下挠问题的分析[2]，可总结出连续刚构桥主梁跨中下挠的如下主要原因：

（1）大跨度刚构桥梁均采用高强混凝土，在设计的过程中对高强混凝土的收缩、徐变分析及长期作用下的估算不足，由此造成刚构主梁下挠。

（2）连续刚构桥的纵向预应力钢束随着跨度的增长其长度也在不断增加，这样便加大了纵向预应力钢束的损失，其中影响较为显著的便是摩阻损失。影响摩阻损失的主要因素分别是：孔道弯曲、孔道偏差。我国桥梁设计对孔道摩擦系数u和孔道偏差系数 K 的取值相对较低，并且桥梁在施工过程将导致孔道摩擦系数 u 和孔道偏差系数 K 的实际值变大，这就导致预应力损失估算不足，致使纵向预应力有效性大大降低。而主梁预应力有效性的降低导致主梁正弯矩区域的底板纵向应力钢束和主梁负弯矩区域的顶板纵向预应力钢束的有效应力降低，从而导致连续刚构桥主梁下挠。

（3）在桥梁施工过程中，施工单位为了提高施工的速度，便人为缩短施工周期：在混凝土还没有达到一定强度要求时，便张拉预应力钢束或者增加其荷载，从而增大了施工阶段中的弹性挠度，而且也造成了混凝土徐变挠度的增大。施工过程中若没有固定好预应力钢束的管道或者在灌浆中预应力钢束管道发生错位移动，便会造成设计计算值的误差增大，而且管道的弯曲也会增加预应力钢束的损失。如果施工过程中损坏了预应力钢束管道，在灌浆过程中将导致混凝土漏浆，使得预应力孔道内壁粗糙，致使预应力钢柬损失的增加。以上分析的因素也间接导致了目前大跨度连续刚构桥主梁长期下挠。

（4）连续刚构桥箱梁裂缝是一种比较常见的病害，具体分析可见下文所述。箱梁一旦发生了比较严重的开裂，便将导致主梁梁体的刚度降低，最终造成主梁梁体的挠度增大。随着梁体裂缝的不稳定运动、裂缝数目的增加、裂缝宽度和长度的变化，主梁的刚度将不断减小，从而将导致主梁的下挠不断增大。

2.2 刚构箱梁裂缝

连续刚构桥的箱梁裂缝除了有上述危害之外，还对桥梁结构有其他影响和破坏，而且箱梁裂缝的成因分析对改进预应力钢束的设计理念和配束方法有着重要的意义。连续刚构桥箱梁的裂缝从不同的角度有着不同的分类方法，目前大跨度连续刚构桥箱梁出现的主要裂缝及其成因分析如下所述。

2.2.1 剪切裂缝

剪切裂缝，即斜裂缝，最先出现在箱梁剪应力最大的部位[3]。一般墩顶截面和梁端附近出现剪切裂缝的几率很大，其沿中性轴呈 30°-45°发生。剪切裂缝主要是由主拉应力引起的，对箱梁结构的剪切破坏危害极大，不可忽视。

剪切裂缝必然发生在剪切破坏的部位，一般剪切破坏分三种形态，即斜拉破坏、剪压破坏、斜压破坏。斜拉破坏是脆性破坏，设计中需要特别注意；斜压破坏相比斜拉破坏要好些，但是破坏前也无明显征兆；剪压破坏相比前两者而言稍微好些，其破坏不是突然发生的，但也应该加以考虑。

相比于钢筋混凝土结构，预应力混凝土结构抵抗剪切破坏的能力较强，因其预应力可以抵消部分主拉应力，可以推迟斜裂缝的发生和发展。预应力混凝土受弯构件中，只要能合理配置预应力钢束，则可以控制主拉应力，使主拉应力低于混凝土的抗拉强度，从而遏制斜裂缝的发生。

2.2.2 腹板裂缝

预应力混凝土连续刚构桥箱梁腹板裂缝，一般有以下几种形式[4]：主拉应力引起的腹板斜裂缝、边跨梁端腹板斜裂缝、竖向正应力和主拉应力作用下的腹板水平和斜向组合裂缝等。

1) 主拉应力引起的腹板斜裂缝

预应力混凝土连续刚构桥主拉应力引起的腹板斜裂缝，主要分布在距梁端和墩中心线 L/4 附近的腹板上，与纵桥向中性轴呈 45 度左右的夹角，距墩中心线 L／4 附近的腹板上剪应力过大，使得此处的腹板抗剪能力不足，抗主拉应力的安全储备考虑不全，造成了此处发生主拉应力引起的腹板斜裂缝。梁端变低会导致竖向预应力钢束的长度变短，将会造成预应力损失，如果竖向预应力损失过大，那么将会造成腹板的主拉应力降低，导致箱梁腹板出现斜裂缝。

2) 边跨梁端腹板斜裂缝

预应力混凝土连续刚构桥边跨梁端的受力比较复杂，此处又是项、底板纵向预应力钢束的集中锚固区，很容易发生应力集中引起的局部蠕变，从而引起各种各样的裂缝。因边跨梁端的竖向预应力钢束比较短，预应力损失存在很多无法考虑周全的因素，一旦竖向预应力损失过大，将造成梁端腹板发生主拉应力裂缝。如果此处的弯起束和下弯束配置得不是很合理，也相当容易造成腹板斜裂缝。

3) 竖向正应力和主拉应力作用下的腹板水平和斜向组合裂缝

竖向正应力和主拉应力作用下的腹板水平和斜向组合裂缝，一般位于边跨梁端和中跨

L／4 至 3L／4 范围内，水平裂缝沿腹板上缘，斜向裂缝与纵桥向水平线呈大约 45°夹角。这类裂缝产生的原因是腹板竖向正应力和腹板主拉应力共同作用导致。

3 结论

综合考虑，预应力混凝土连续刚构桥的设计中，可以先采用平面分析法进行桥梁结构整体设计计算和分析，再采用空间分析法分析梁体重要局部、某些受力复杂的部位、实际工程中经常出现问题的部位等，比如 O 号块、锚固端、锯齿块局部、边跨梁端附近截面、L／4 跨附近截面等。采用这样的设计理念，既能考虑到连续刚构箱梁结构的整理受力和一般力学特性，而且也能详细分析到实际工程中出现问题的局部受力情况。在实际的设计工作中，这样的设计方法是可行的，而且也能够很好地解决目前连续刚构桥箱梁裂缝的问题，是比较合适的设计方法。同时为了从一定程度上防止主梁下挠和梁体裂缝的发生，可增加纵向预应力钢束的配置量，从而提高预应力储备，并且需设置一定量的备用束等。

[1]杨高中.连续刚构桥在我国的应用和发展[J].公路，第6期，1998.

[2]周军生.大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势[J].中国公路学报，2000.

[3]马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京：人民交通出版社.2001.

[4]范立础.桥梁工程(上册)[M].北京：人民交通出版社，1996年第二版