浅谈大跨度连续刚构控制跨中下挠的设计方法

刘朝晖

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

在运营一段时间后，大跨度连续刚构桥梁普遍出现“跨中下挠”和“腹板开裂”两个典型问题，下挠和开裂还会随着时间推移持续发展，结构安全性、正常使用性能以及后期耐久性难以得到有效保证。国内对于这些病害的系统调查，以及对于材料的时变特性、抗裂设计理论和箱梁变形计算等方面的理论研究都相对缺乏和不够成熟，给大跨度混凝土连续刚构桥梁的设计、施工和运营带来了一定的技术困难[1～2]，成为困扰着桥梁工程界的问题。

针对大跨径混凝土梁桥跨中持续下挠问题，即“跨中下挠”问题，本文首先分析下挠产生的原因，提出设计中应引起重视的关键技术问题和相关设计参数；接着根据文献及实践经验，进行了相关研究；最后总结和阐述下挠控制设计方法，探讨防止病害发生的对策措施以期为该类桥梁的设计提供参考，保障桥梁结构的长期使用性能。

1 跨中下挠成因简述

大跨度连续刚构桥后期下挠变形过大，桥面纵坡与设计值相差大，不但影响其外观，导致行车舒适性差，引起使用安全的危机感，而且对其受力也将产生一定影响。

产生下挠的原因可归结为：（1）主梁混凝土收缩及徐变。（2）纵向有效预应力降低引起上拱变形减少。（3）梁体开裂导致梁体刚度降低造成后期的挠度增加。（4）由混凝土开裂超限造成的截面刚度削弱增加了结构几何变位。（5）由施工超方偏差引起的恒载增加引起自重下挠增大。（6）运营阶段桥梁的长期超载导致主梁的实际工作状态超出原设计正常使用的合理状态[2～3]。

1.1 混凝土收缩及徐变

混凝土收缩和徐变是与时间有关的两种变形作用，混凝土收缩和徐变将直接影响混凝土桥梁的变形、内力重分布以及截面应力重分布。影响混凝土收缩和徐变的主要因素有：混凝土构件理论厚度、环境相对湿度、混凝土加载龄期和混凝土强度[4]。

相对湿度、构件理论厚度大小、加载龄期早晚和混凝土强度高低与收缩徐变产生变形成反比。

1.2 有效预应力降低

预应力钢束，这里主要指的是纵向预应力钢束，对于其实际有效预应力和规范计算得到的有效预应力有多大的差别，一直缺乏相应的系统试验研究。但大量运营阶段桥梁后期挠度已远远超出原设计计算挠度的事实表明，设计阶段对预应力损失估计不足。通过分析，主要有以下三方面原因：锚下控制应力不足；预应力的沿程损失过大；关键截面纵向预应力有效性的降低是跨中持续下挠最主要的原因[3]。

1.3 主梁刚度的变化

造成大跨度连续刚构跨中挠度过大的重要因素之一就是刚度问题，预应力混凝土主梁的刚度受多种因素影响，且随时间增长而逐渐降低。尤其是中跨跨中混凝土疲劳导致的梁体刚度降低，直接增加了各种荷载作用下主梁跨中的弹性挠度。

1.4 梁体开裂的影响

箱梁开裂和下挠常常是“并发症”，是互为因果相互耦合的。梁体开裂后，下挠机理会变得比较复杂，加剧主梁的持续下挠[1]。

1.5 施工超方偏差的影响

施工超方偏差主要指悬浇节段混凝土体积超量及桥面铺装调平层超量。文献[5]研究分析了施工超量对于主梁跨中下挠的影响，分析结果表明，结构超量会加大恒载挠度和长期徐变挠度，且徐变挠度增长量要大于恒载挠度增长幅度。

1.6 运营期车辆超载

运营期间桥梁的长期超载使梁体的实际工作状态超出了原设计的理想使用状态，导致桥梁关键部位下挠值加大，甚至出现无法恢复的变形裂缝。

2 控制跨中下挠的设计方法

针对下挠产生的原因，通过参阅文献和设计实践，控制跨中下挠的设计方法如下所述。

2.1 总体设计

选取合理的边中跨比例。连续刚构桥梁边中跨比一般在0.52～0.62之间。根据计算分析结果，边中跨比在合理范围内偏大一点有利于控制跨中下挠。同时，在路线纵断面设计时，跨中位置采用双坡并设置合适的凸型竖曲线。

2.2 合理成桥状态确定

通过设计计算确定合理成桥状态，是从设计上解决大跨度连续刚构跨中持续下挠最有效最根本的方法之一。

由于受弯构件的徐变变形与初始挠曲的状态有关，那么可以通过调整桥梁成桥阶段的内力和变形状态，来实现预定的理想初始曲率状态，达到控制长期徐变下挠的目的。这种以控制长期时效变形为目标的成桥状态，称为合理成桥状态。合理成桥状态定义如下：在成桥阶段，主梁预应力在抵消自重和二期恒载产生的弯曲效应之后，使得梁体处于恰当的轴压和弯曲状态，使之能够平衡一定比例的活载、温度作用效应，以抑制桥梁的长期时效变形[6]。因此，在满足规范要求的情况下，控制好主梁关键截面的应力状态对控制跨中下挠至关重要。

2.3 合理确定主梁结构尺寸刚度

结构尺寸拟定是否合适，是结构受力是否合理的关键。对于跨中下挠控制来讲，合适可行的根部、跨中梁高拟定是重中之重。合适的梁高正是合理主梁刚度的一种体现。

合理的变截面箱梁的跨中梁高与主跨之比一般为1/40～1/60，根部一般为1/15～1/20[7]。实践表明，在此基础上根据计算，对于特大跨度桥梁（主跨跨径150 m以上）建议适当增大跨中梁高有利于提高整体刚度，减少跨中混凝土应力幅并提高其疲劳耐久性能。连续刚构箱梁的跨中和墩顶截面应力相对容易控制，而距墩顶L/6～L/4附近截面的正应力及主应力较难控制，可通过调整箱梁高度的变化曲线来改善，目前箱梁底缘曲线一般采用半立方次至二次抛物线。

2.4 优化预应力钢束布置

重视腹板下弯钢束设计。从前期工程案例可知，取消腹板下弯束是导致腹板斜裂缝出现的原因之一。计算分析表明，下弯束抵抗主拉应力、防止斜裂缝的出现是最为有效的方法之一[1]。纵向预应力钢束下弯到箱梁截面形心附近以提供较大的剪力，对于腹板的主拉应力的控制非常有效。

重视跨中底板合龙钢束设计。合适的跨中底板压应力安全储备是控制抗裂和下挠的要点之一。

重视竖向预应力钢束设计。计算分析表明，竖向预应力损失对腹板斜裂缝的出现影响显著，竖向预应力损失过大，引起腹板主拉应力相应增加，导致腹板斜裂缝出现。因此在主梁设计与施工中，需要充分考虑竖向预应力各项损失的存在和影响，并严格加强施工质量的管理[1]。目前来看，采用具有二次张拉功能的锚具可以较好解决这一问题。

其他钢束设计。为了适应移动荷载等反向弯矩的影响，增强桥梁承受疲劳荷载能力，跨中宜设置顶板钢束。特大跨径桥为有效控制下挠，边跨及跨中梁段建议设置腹板上弯束。

保证纵向预应力的有效性。在控制最大压应力水平的前提下，适当增加纵向预应力钢束的用量，提高结构安全储备，增大结构预应力度，并在计算时选择合适的管道参数，对于设计张拉控制应力均要求为锚下控制应力。从而在设计方面确保纵向预应力的有效性。

2.5 设置合适的预拱度

设置合适的成桥预拱度是一种有效控制跨中下挠的预防措施。一般都是设计计算的基础上加上一定的经验值。

大跨径连续刚构跨中持续下挠成因复杂，影响因素多。在设计施工阶段就要充分考虑到运营阶段桥梁混凝土的收缩、徐变等时变因素以及车辆超载对跨中下挠的影响，因此建议设计预拱度取值“宁大勿小”[8]。

2.6 重视合龙前的体系转换措施

中跨合龙前采用反向顶推。双薄壁墩连续刚构主墩的受力特点主要表现在两个方面：一是墩顶、底弯矩大，二是边墩内外两片墩身的轴力差大。为了成桥时全桥受力合理以及线形良好，减小中跨跨中长期下挠量，改善桥墩的受力状况，在中跨合龙前，可以通过设定合理的反顶力和反顶位移在中跨悬臂端进行顶推。

合龙前的配载预压。通过体系转换前的配载预压可有效调剂主梁应力状态，使成桥状态的主梁应力水平更加合理。

2.7 其他措施

严格控制预应力钢束张拉龄期。建议设计要求主梁混凝土必须达到设计强度等级值的90%以上、弹性模量达到设计值的95%以上且混凝土养护龄期不少于7 d以后才允许进行预应力钢束的张拉。

设置后期备用钢束。设计阶段可以考虑设置体内或体外两种预应力预备钢束，预留预应力管道或备用体外束张拉的锚块和转向块，在必要时可以通过张拉备用钢束补充后期所需的预应力。

另外，加强施工及运营管理也是重要的措施之一，严格控制施工超方和车辆超载。

3 结语

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）已于2018年11月1日正式实施，该规范从设计精细化分析模型、正常使用极限状态下抗裂验算要求、预应力损失、构造要求等多方面对大跨度连续刚构的设计提出了更高更严更系统的要求。这为控制并减少类似病害提供了规范层面的基础。设计者在设计该类桥型时，应予以足够的重视。正确认识长期下挠的机理，选择合适的参数，采用合理的控制方法和设计方案，从设计源头上控制好下挠，才是解决问题的关键。