浅析连续刚构桥的典型病害及成因

(贵州高速公路集团有限公司)

0 前言

连续刚构桥是墩梁固接的连续梁桥。分主跨为连续梁的多跨刚构桥和多跨连续-刚构桥，均采用预应力混凝土结构，有两个以上主墩采用墩梁固结，具有T形刚构桥的优点。连续刚构桥一般均采用变高度梁，高墩的柔度可以适应结构由预加力、混凝上收缩徐变和温度变化所引起的纵向位移。这种桥具有结构整体性好、抗震性能优越、抗扭潜力大、结构受力合理、桥型简洁明快等优点。然而连续刚构桥结构为多次超静定结构，混凝上收缩、徐变、温度变化，预应力作用、墩台不均匀沉降等引起的附加内力对结构的影响较大。通过统计，随着运营期的增加，大跨径预应力混凝土连续刚构桥出现的病害主要集中在两个方面：其一是跨中下挠；其二是箱梁混凝土开裂。

1 病害特征

1）跨中下挠

跨中下挠的特点：

①桥梁实际挠度一般远远大于按照规范计算的预测值；

②挠度过大与腹板斜向裂缝具有共生性，部分桥梁也出现底板横向裂缝与纵向裂缝；

③挠度过大与腹板斜向裂缝一般在桥梁运营4～5年后显现，腹板斜向裂缝一般先在L/4附近出现，逐渐向跨中发展，个别桥梁继而跨中底板出现横向裂缝；

⑤个别桥梁下挠现象在运营几年甚至十几年后基本呈线性持续发展，没有稳定的趋势。

2）箱梁裂缝

箱梁混凝土开裂分为结构性裂缝和非结构性裂缝。主要裂缝形态如下：

①腹板斜裂缝；

②底板纵向、横向裂缝；

③底板锚固齿板后端的横向裂缝与斜向裂缝；

④顶板纵向裂缝。

腹板斜裂缝特点

①主拉应力引起的开裂，是典型的结构性裂缝。

②大多数桥梁L/8到3L/4之间腹板斜向裂缝呈现上宽下窄特征，位置靠近腹板的上托板，裂缝与水平夹角一般为15～35度，靠近跨中部位腹板裂缝则基本呈水平形状。少数桥梁的腹板斜向裂缝从锚固齿板后底板处产生，并逐渐向上发展，一直到达翼板，裂缝呈现下宽上窄的特征。

箱外底板纵向裂缝及箱内顶板纵向裂缝

①箱外底板纵向裂缝和箱内顶板纵向裂缝经常出现在合龙段及附近节段，且数量众多，分布集中。

底板锚固齿板后端的横向裂缝与斜向裂缝

对于节段施工的桥梁，在桥梁运营一个时段后，底板上锚固跨中连续索的齿块后端会出现横向与斜向裂缝，部分与腹板斜裂缝相接。

2 病害成因分析

1）跨中下挠

设计因素

①对混凝土徐变的影响程度及长期性估计不足。

②预应力度设计不够，预应力只够使混凝土不出现拉应力而没有富余。预应力度与混凝土徐变具有相辅相成性。预应力度较小，则徐变变形可能增大，导致主梁下挠变形加大。反之，混凝土徐变变形加大，预应力束的应力损失也相应加大，进一步减小了预应力度，从而导致主梁下挠变形值加大。

③合理设置预拱度值。当预应力导致的长期变形小于结构自重以及部分活荷载导致的长期变形时，需要事先设置一定的预拱度来抵消这种变形，从而保证桥梁长期运营后的线形平顺。

④普通钢筋配置不合理，尤其是受力复杂部位。

施工因素

①预应力施加控制不严，灌浆质量不合格等。

②纵向预应力管道不平顺、管道内漏浆。

③竖向预应力锚具不垂直，与垫板间有杂物。

④横向预应力定位钢筋不够，施工时管道上浮造成偏位，产生顶板横向裂缝。

2）腹板斜裂缝

①由于腹板处弯起钢束张拉时，腹板混凝土沿钢束方向受压，垂直钢束方向混凝土受到泊松比作用会产生拉应力，从而引起垂直于预应力方向的斜裂缝。

②挠度过大与腹板斜向裂缝具有共生性，即在出现挠度过大的桥梁无一例外地出现腹板开裂现象，部分桥梁也出现底板横向裂缝与纵向裂缝。

③长期受力作用下，砼产生徐变，并逐渐增加。当砼徐变较大时结构会产生附加被动应力，造成弯矩重分布，箱梁腹板剪应力加大，从而产生腹板裂缝。

④温度对砼产生裂缝的作用机理极其复杂。一方面，砼由于内外温差产生温度应力和应变；另一方面，结构外约束和砼内部不同部分的自约束阻止温度应变，一旦温度应力超过砼能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。

3）箱外底板纵向裂缝及箱内顶板纵向裂缝

1、顶、底板纵向裂缝共同原因

1）合龙段附近节段与其他节段相比，型钢布置较多，另外相邻节段横向约束，导致混凝土横向压应力储备往往会偏小，活载作用导致纵向裂缝产生。

2）合龙段附近节段施工准备工期较其他节段长，相邻节段混凝土龄期差别大，新旧节段混凝土收缩不同步，导致纵向裂缝产生。

3）运营期，长期重车轮压导致顶、底板横向弯矩过大，箱梁内外温差过大产生温度应力，不同梁段间收缩效应不同。

4）顶、底板横向弯矩过大，无横向预应力、箱梁横向弯曲空间效应、板厚偏小，横向配筋不足，箱梁内外温差过大产生温度应力等。

2、顶、底板纵向裂缝的单独成因

（1）底板

1）为了减轻结构自重，箱梁底板在跨中一般比较薄。预应力钢束横向布置间距较小，在此截面的挖空率非常大，截面削弱较大，加之如横向普通钢筋配置不强，此部分混凝土浇筑质量又有问题，则在强大的底板纵向预应力束全部张拉锚固时，底板混凝土因承受不了底板束的压力而导致开裂。

2）合龙段底板纵向裂缝：一种是在合龙段底板沿顺桥向出现肉眼可见的纵向裂缝；第二种就是从底板厚度方向来看，在预应力管道中间或上下位置，也就是水平面积最小的位置形成大面积水平裂缝，上下分层，严重的甚至导致混凝土剥离。预应力筋的空间效应以及材料泊松比效应应该是导致第一种与第二种形式破坏产生的主要原因。同时，底板纵向预应力钢筋在竖直面内布置为抛物线形的曲线，加上底板预应力索定位偏差导致的局部曲率，从而纵向预应力会对底板产生向下的径向分力，由于现在箱梁底板一般较宽，在横向底板可以看成弹性支撑在腹板上的受弯梁，此径向力与自重等共同作用下其下表面必然会产生拉应力，从而形成纵向裂缝，同时在纵向径向力作用下预应力管道之间混凝土会产生垂直于底板的拉应力，一旦拉应力超过混凝土抗拉强度，底板将沿管道截面积削弱的部位向下崩裂，形成上下分层。

（2）顶板

1）主梁顶板在较长悬臂箱梁翼板的根部，恒载、活载产生的负弯矩均较大，顶板跨中的活载正弯矩较大，横向预应力钢绞线布设不可能在悬臂根部布置在顶板上缘而在跨中却布置于顶板下缘。

2）在浇筑完节段混凝土后即张拉完该节段桥面横向预应力钢束，由于应力分布和叠加，桥面板中横向预应力分布极不均匀，这也是造成桥面板出现局部纵向开裂的原因之一。

4）底板锚固齿板后端的横向裂缝与斜向裂缝

1）齿板锚固集中力与外荷载整体弯矩在齿板后端产生了耦合，但是许多桥梁设计计算中忽略了集中力导致齿板后端的拉应力，因而计算拉应力远远小于实际拉应力，从而导致了裂缝的出现。

2）预应力损失导致构件压应力储备不足，在外力荷载下产生开裂。

3）开裂桥跨为大跨度预应力混凝土结构，裂缝与锚头所处截面位置非常接近，可能由于锚下混凝土的局部效应导致开裂。

4）底板横向裂缝位于施工拼接缝处，该处出现横向裂缝的原因多由于施工接头处理不好，成为薄弱截面，在纵向弯矩、混凝土收缩或较大温差应力等作用下开裂。

5）横向裂缝并未在施工拼接缝处，可能是弯曲裂缝，在分段式箱梁中，一般出现在接缝内或接缝附近。弯曲裂缝一般很小，结构不受损伤，但在外荷载反复作用下 ( 汽车动力荷载及温度梯度 ) 裂缝有可能会扩大。

3 结语

1、除施工缺陷外，混凝土开裂和主跨跨中区段下挠幅度过大是预应力混凝土连续刚构桥最常见的两种病害形式，产生病害的原因往往不是单一的。

2、针对混凝土开裂和跨中区段下挠幅度过大，应从设计、施工、运营阶段综合考虑，完善设计理念、加强施工质量控制、重视营运管理，提高桥梁的耐久性和安全性。