大跨连续刚构桥预应力损失对后期下挠影响分析

孙剑川

(中铁十六局四川工程指挥部，四川 成都 610032)

随着我国基础设施建设的飞速发展，大跨径连续刚构桥以其受力性能好、伸缩缝少，行车舒适等一系列优点，得到了广泛的应用。目前，国内大跨径预应力混凝土梁桥存在的主要病害是主跨跨中下挠过大、箱梁梁体产生裂缝。跨中下挠会进一步加剧箱梁底板开裂，而箱梁梁体裂缝增多使结构刚度降低，进一步加剧了跨中下挠，这两者互相影响形成了恶性循环，表1是几座国内主梁跨中下挠病害的桥梁实例。主梁跨中下挠特点表现为:挠度长期增长，增长率随时间可能呈加速、降低或者保持匀速变化的趋势;结构的长期挠度远大于设计计算的预计值。

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引起连续刚构桥下挠过大往往是没有充分估算预应力损失，主梁的抗裂度和刚度降低，从而导致挠度过大。规范中关于钢筋预应力损失中虽然给出了六项预应力损失，但由于纵向预应力损失受材料性能、施工工艺、环境条件等多方面的影响以及部分损失之间的相互影响，要准确计算出其值是非常困难的。

本文从预应力损失的角度，分析纵向和竖向预应力对大跨连续刚构桥跨中下挠的影响，并提出相应的控制措施。

1 预应力混凝土梁桥跨中下挠过大的原因

1.1 混凝土徐变、收缩

混凝土的徐变收缩问题是一个十分复杂的非线性问题。徐变因素的随机性很大，根据目前的试验与理论研究水平，变异系数至少15% ～20%［1］。大跨径混凝土连续刚构桥一般采用高强混凝土。现有关混凝土徐变收缩理论均是针对普通混凝土具有很强的适应性。但是对高强混凝土的徐变收缩还认识不清，导致设计预测挠度值与实际下挠情况不符。连续刚构桥主梁跨中下挠对混凝土徐变收缩特别敏感。

1.2 裂缝病害与下挠病害相互耦合

湖北黄石长江大桥等已建连续刚构桥裂缝病害现象严重，裂缝的增长使桥梁的结构刚度降低，导致主梁的下挠，而下挠也加剧了裂缝的增长，两者强烈耦合。同时，裂缝的增长增加了徐变作用的不确定性，使下挠病害更是模糊不清。

1.3 预应力损失

对混凝土徐变收缩的认识不清将直接导致预应力作用分析的可靠性降低。而且，现有大量资料的分析表明，纵向预应力束的实测μ、k值均比规范的值要大［7］。预应力损失将减小结构刚度，因此，预应力参数值的误差对加剧主梁下挠病害有明显的影响。

1.4 桥梁自重超过设计值及超载

在很多已建连续刚构桥施工中，实际浇筑的混凝土量远大于设计值，直接增加了桥梁的荷载，对主梁的跨中下挠有直接的影响。车辆的超载因素对过度下挠也有不可忽视的影响，超载车塞车更是设计中没有考虑到的一种活载状态，使运营状态中的实际应力超出设计控制值［3］。

1.5 设计考虑不足

现有连续刚构桥设计计算软件不能很好地反映其受力特性。诸多连续刚构桥梁底线采用二次抛物线，其箱梁空间效应明显。有关对跨中底板纵向裂缝和底板混凝土外崩问题的分析，重要原因是对箱梁底板预应力钢束不利空间效应分析不足［9］。此外，板件局部变形、剪滞作用和各种温差的空间分布问题等，仅依靠平面杆系计算软件和空间梁格理论进行分析还不够，必要时应采用国际通用的有限元计算软件进行分析，以弥补规范不足。

1.6 施工原因

有关对高强混凝土徐变特性的试验研究表明，早龄期高强混凝土的徐变发展非常迅速，其速度随加载时龄期的推迟而急速减慢［8］。为了缩短工期，工程广泛采用早强剂，使徐变收缩特别是桥梁使用后期阶段的徐变收缩增大，这对结构非常不利，应保证结构安全的基础上克服强度与徐变收缩的这对矛盾。此外，竖向预应力的施工质量问题，预应力管道定位不准，灌浆不足甚至未灌浆等问题，将导致不良后果。

2 预应力损失影响分析

由于受到多种因素的影响，预应力筋的预加应力并不是常量，而是随时间增长而逐渐减小，预应力筋这种预加应力减少的现象称为预应力损失。引起预应力损失的原因有很多，预应力损失与施工工艺、材料性能及环境影响都有关系，影响因素复杂，一般应根据实验数据确定，如无可靠试验资料，则可按照相应的规范进行估算。

2.1 有限元模型的建立

本文以混凝土三跨(46 m+80 m+46 m)A类预应力混凝土连续刚构桥为背景，采用Midas/Civil软件建立梁单元分析模型，连续刚构桥主梁和桥墩都采用C55混凝土;预应力钢绞线类型采用公称直径15.24 mm;普通钢筋采用HRB335。有限元模型如图1所示。

图1 有限元计算模型

2.2 纵向预应力损失分析

纵向预应力的摩阻损失和竖向预应力损失均按规范(JTJ 023－85)或设计文件计算的，但实际施工现场，纵向预应力束，尤其是长束锚下张拉力和相应张拉伸长量差值超过规范要求的±6%，有的甚至达到15%以上，可以认为是由于预应力束的材料、管道材料，施工中对管道定位不准等原因造成的。

为了研究纵向预应力损失对连续刚构桥挠度的影响，在正常使用阶段，可以不考虑温度的影响，只考虑在自重、预应力、收缩徐变、二期恒载及0.7倍的活载的短期效应组合下，下列5种情况做比较分析:(1)预应力无损失;(2)预应力损失10%;(3)预应力损失20%;(4)预应力损失30%;(5)预应力损失50%。挠度和挠度增加值分析结果如图2和图3所示。

由图2可以看出，随着预应力损失的增加，各关键点的挠度也随之增加。在无预应力损失情况下，边跨最大挠度为－8.0 mm，中跨最大挠度为－24.7 mm;预应力损失10%时，中跨最大挠度为－28.2 mm，增加了14.2%;预应力损失20%时，中跨最大位移－31.6 mm，增加了27.9%;预应力损失30%时，最大位移为－35.2 mm，增加了42.5%;预应力损失50%时，中跨最大位移－42.4 mm，增加了71.6%。最后一种工况时，应力已经超限，桥梁边跨和中跨的位移也很大。

从图3可以看出，主梁挠度增加的百分比和预应力损失的百分比大概成正比关系。因此，随着预应力损失的增加，主梁的挠度值也随之增加，最终会导致连续刚构桥的挠度过大，出现裂缝等，不满足使用和安全性的要求。

图2 主梁挠度值(纵向预应力损失)

图3 主梁挠度增加值(纵向预应力损失)

2.3 顶板束与底板束预应力损失影响比较分析

预应力钢束分为顶板束和底板束，顶板束和底板束预应力损失对挠度的影响不一定一样。下面分两种情况作分析比较:

(1)顶板束预应力损失50%，底板束预应力不变;

(2)底板束预应力损失50%，顶板束预应力不变。

在上面两种情况下，分别提取主梁的弯矩、上缘和下缘的应力及挠度值，比较预应力损失对挠度影响的大小。分析结果如图4所示。

图4 主梁挠度增加值(顶板朿或底板朿预应力损失)

通过图4分析可知，主梁墩顶负弯矩区的顶板束预应力效应减小会增大主梁的挠度。在预应力同时损失50%的情况下，顶板预应力束损失对挠度的影响比底板束损失要大。对于中跨的最大挠度，顶板束损失造成的挠度值增大量比底板束多了12.6 mm，占无预应力损失跨中最大挠度值的32.5%。所以得知，顶板束在中跨减小挠度方面发挥着更大的作用。在边跨里，顶板束损失造成的挠度值增大量比底板束多了5.2 mm，占无预应力损失边跨最大挠度值的65%。因此，顶板束在减小挠度方面发挥的作用更大。

2.4 竖向预应力损失分析

竖向预应力损失如果过大，会引起箱梁腹板斜向裂缝的出现和扩展，而裂缝的增多将会影响横截面的刚度和结构的整体刚度，从而影响结构内部应力的大小和分布，梁的挠度也就会增加。由于竖向预应力损失导致结构挠度增加，故在做分析时可以减小相应部位的刚度来模拟，如折减边跨1/4处、跨中处、3/4处、中跨1/4处、跨中处附近的单元。为了比较刚度折减大小对挠度的影响，分为下列3种情况:(1)单元刚度保持不变;(2)刚度折减25%;(3)刚度折减50%。图5为刚度折减后主梁挠度值。

图5 刚度折减主梁挠度值

从图5可以看出，部分梁段刚度的减小对挠度的影响不是很大，如9号节点处，刚度不折减的挠度为－4.5 mm，刚度折减25%后挠度为－4.6 mm，刚度折减50%后挠度也仅为－4.9 mm。刚度折减影响较大的梁段集中在边跨跨中、中跨1/4处和跨中附近，这和折减单元位置吻合。由上面的分析可以知道，竖向预应力损失是引起连续刚构桥挠度增大的原因之一，但不是主要因素。

3 结论

以上分析了预应力损失对连续刚构桥挠度的影响，包括纵向预应力损失和竖向预应力损失对挠度的影响，可以作以下的几点总结:

(1)纵向预应力钢筋对提升截面刚度，保证桥梁良好的受力状态发挥着重要的作用。在现在的设计规范要求下，预应力钢筋完全发挥作用时，预应力刚构桥处于较好的承载力状态。但是，由于各方面的原因，造成预应力钢筋发生损失，改变了桥梁的受力状态，使桥梁的挠度增大。且在不考虑其他因素的综合影响作用下，在一定范围内，桥梁的挠度增大值随着预应力筋的应力损失值成正比增大。

(2)悬臂施工的连续刚构桥，主梁的顶板束对结构挠度的影响比底板束大，在中跨尤为明显，在边跨也有反映。

(3)竖向预应力主要限制裂缝的发展，提高结构的刚度，对结构的挠度有一定影响，但不是主要因素。

大跨径连续刚构桥主梁跨中过度下挠问题原因复杂，从根本上克服其过度下挠问题要从诸多方面考虑。现今急需规范有关设计施工方法，制定相关规范、技术指南，指导连续刚构桥建设。桥梁工程师们应该具有主动防范意识，不应该仅仅通过设置预抛高、后期加固等被动手段克服过度下挠，而应该在设计时主动对其进行把握，保证结构安全。

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