连续刚构桥跨中下挠成因分析与主动控制方法研究

李茂盛 夏小春

摘要：预应力混凝土连续刚构桥具有结构轻盈、承载能力强、行车平顺舒适等优点，在国内外工程建设中广泛应用，但大量实例证明，预应力混凝连续刚构桥普遍存在跨中持续下挠以及箱梁腹板开裂等病害。迄今为止，对于预应力混凝土连续刚构桥长期下挠的产生机理、影响因素及对长期挠度的预测仍然没有形成统一的理念。因此，本文深入剖析了预应力混凝土连续刚构桥下挠的成因，并提出了有效的下挠主动控制方法，对预应力混凝土连续刚构桥今后的应用与发展具有一定的指导意义。

关键词：连续刚构桥；下挠；成因分析；控制方法

一、引言

预应力混凝土连续刚构桥是在连续梁桥和T型刚构桥的基础上发展而成的大跨度桥梁最常用的桥型之一[1]。预应力混凝土连续刚构桥集中了上述两种桥型的优势：墩、梁固结，不设支座；可以选择梁与墩的相对刚度，调节梁跨中和桥墩弯矩以及梁的建筑高度；同一联内无缝，满足安全、高速、舒适行车的要求；对于温度、地震以及混凝土收缩徐变有着较好的抵抗能力。

预应力混凝土连续刚构桥的应用极为广泛，在大量的实践中，工程师们获取了许多的经验。但在预应力混凝土连续刚构桥的使用过程中，随着跨度增加，主梁的下挠问题日益突出，已具有广泛的普遍性，严重影响到这一桥型的继续发展。黄石大桥是一座五跨预应力混凝土连续刚构桥，纵桥向布置为162.5m+3×245m+162.5m，运营7年后，各跨跨中均有明显下挠，其中主梁跨中下挠累计已达30.5cm；虎门大桥是一座三跨预应力混凝土连续刚构桥，纵桥向布置为150m+270m+150m，运营七年后，主墩变为相对较小，但是主跨跨中挠度持续增加，而且尚未停止，主梁最大下挠已达22.2cm；金沙大桥是一座三跨预应力混凝土连续刚构桥，纵桥向布置为66m+120m+66m，运营6年后，主梁最大下挠已达22cm，同时跨中混凝土箱梁出现大量的裂缝，最大裂缝宽度1.1 mm，。三门峡黄河公路大桥是一座六跨预应力混凝土连续刚构桥，纵桥向布置为105m+4×140m+105m，运营11年后，主梁最大下挠已达22cm。

预应力混凝土连续刚构桥的跨中下挠，严重影响车辆的平稳通行，对大跨径预应力混凝土连续刚构桥的结构安全构成很大威胁[2]。因此，系统研究预应力混凝土连续刚构桥主梁下挠的成因，找出具有针对性的控制方法，是解决此类型桥梁持续下挠的关键手段。

二、跨中下挠成因分析

预应力混凝土连续刚构桥下挠的影响因素较多，成因也极为复杂。在成因分析过程中，不能将主梁下挠进行孤立的研究，而是需要将其他病害联系起来，作为一个系统，全面的进行剖析。由于混凝土收缩徐变和预应力持续损失是不可避免的，因此预应力混凝土连续刚构桥持续下挠的现象也无法避免。另外，由于预应力的逐渐损失以及梁体下挠之后引起的内力重分布，会使得箱体局部区域存在受拉开裂的情况。裂缝持续开展会导致主梁结构刚度降低，进一步导致变形的加快。

预应力混凝土连续刚构桥主梁下挠是一个困挠了工程师们几十年的难题，严重制约了这种桥型的发展，经过大量的计算与实验分析，总结出以下5大成因[3-4]：

（一）混凝土收缩徐变问题。

20世纪初，外国学者首次在实验室中发现了混凝土的徐变现象，20世纪30年代之后，人们才对混凝土的收缩徐变开始系统的研究，20世纪70年代才将研究成果逐步应用到混凝土结构上。针对混凝土的研究，普遍分为两类，一类是对收缩徐变规律特征的预测，用數学表达式进行模型建立，一类是研究收缩徐变对结构性能的影响。目前，国内外的工程师们提出了很多的预测模型，但是均存在假设条件，还没有达成一致的共识。目前预测的混凝土收缩徐变与实际数值普遍存在20%左右的偏差。

混凝土收缩徐变预测模型的准确性，对于分析结构的长期受力性能具有重要的价值。在预应力连续刚构桥设计过程中，选择不合适的收缩徐变预测模型，则会导致挠度预测误差过大，使得桥梁在运营阶段，无法满足实际需求，造成主梁下挠严重。一般来说，结构计算中针对混凝土收缩徐变选用预测模型的偏差会比结构简化计算所造成的偏差更为严重，尤其是对于徐变较为敏感的结构。然而，混凝土收缩徐变的准确预测由于其影响因素众多，同时这些因素自身变化也很不规律，既相互独立又相互影响，就是的准确预测变得十分困难。

（二）预应力损失问题。

通过现有文献调研，存在多种多样的原因使得预应力持续损失。这其中就包括了施工过程中管道压浆不充实，造成预应力不能有效的传递，降低了预应力的使用效率；假如波纹管存在空隙，则极有可能导致水和空气的进去，对管内的预应力筋进行腐蚀，极大地削减预应力筋截面，造成应力集中，导致严重的桥梁安全事故的发生。预应力的持续损失会造成预应力连续刚构桥的刚度降低，是导致主梁下挠的重要原因。

预应力混凝土连续刚构桥的纵向预应力筋普遍数量多且长度大，因此其预应力损失大多数是由于管道内摩擦而造成的。摩擦阻力造成的预应力损失原因极为复杂，与施工质量具有很强的关系，管道内受力情况复杂也导致了其计算结果与实际数值存在较大的差距。因此建议当存在大跨度的预应力混凝土连续刚构桥的预应力张拉时，应提前进行现场测试，即使掌握实际工程中的预应力损失。实际情况中，为了工程进度、节约成本以及技术质量等等原因，往往不能达到预计的情况。

（三）箱体开裂问题。

预应力混凝土连续刚构桥跨中下挠与箱梁开裂相伴随，典型的如湖北黄石长江大桥，下挠的同时伴随有大量的裂缝。当主梁跨中产生了腹板斜裂缝和弯曲横向裂缝，随着裂缝发展的走势，假如没有采取有效的手段对裂缝进行有效的处理，该位置则会逐渐成为一个塑性铰，进而改变整个结构的受力特征，危及全桥的安全。主梁一旦出现严重的开裂现象，原有的计算模式与假设理论则不再适用，现有的有限元软件同样无法准确的模拟开裂后的结构状态，就会无法估计桥梁剩余承载力，不能进行高效的管养决策。主梁开裂与下挠相互影响，相互促进，因此需要将两者联系起来研究，才能更好的保证桥梁的正常使用状态。

（四）活载效应问题。

一般情况下，预应力混凝土连续刚构桥的下挠只与结构恒载存在关联，与活载的关系不大。然而随着我国经济的快速发展，汽车越来越多，超载现象越来越普遍，也就造成了现有桥梁一直在超荷工作，由此肯定会形成一定的永久性变形。长时间的超荷工作，也相当于给桥梁造成持续的荷载，也会产生相应的徐变现象。目前我国规范对于桥梁收缩徐变的计算是针对恒载而得出来的，想要考虑活载对徐变的影响值，则需要采取其他的手段进行研究。根据调研分析，活载产生的徐变值占的比重不容小觑，但是实际计算中却常常忽略这一部分内容。因此在徐变预测之中，不可忽视车流量增加以及车辆超重的影响。

（五）施工质量问题。

混凝土的基本特征之一是早期的弹性模量增长滞后于强度的增长。然而大量的预应力连续刚构桥的施工工期过短，节段混凝土浇注后通常只在3～5天的养护后即施加预应力，这种做法导致混凝土的弹性模量还没有达到要求，刚度降低，增加了后期的下挠。

根据现有文献可知，水灰比越大的混凝土由于其水分多，结构较松散，导致后期收缩徐变增大，现实过程中为了施工的便捷高效，往往采用高水灰比的的混凝土；外加剂对混凝土凝胶体的密实度易造成不利的影响，很多桥梁存在外加剂使用不当的问题。浇筑过程中充分的振捣会使得混凝土水化程度得到有效地提高，混凝土会更加密实。但是由于施工条件以及施工进度的原因，施工单位常常很好地做到这一点。

三、跨中下挠主动控制方法[5-7]

（一）设计优良结构体系。

恒载是预应力连续刚构桥跨中下挠的重要原因。因此选择钢-混凝土组合结构，可显著的减轻自重、增加预应力效应，成为突破并优化混凝土连续刚构体系最有效的技术方案，建议主跨大于200米的连续刚构桥均考虑采用组合结构。

组合结构有多种结构形式可以选择。混凝土梁除了与钢箱梁组合外，还可以采用桁架梁或桁架腹板梁、钢混叠合梁及波形钢腹板梁等适宜的形式。选用时，应结合加工、运输、安装及养护等方面优化比较。

组合结构的长度，须根据结构受力最佳、技术难度较小及节省投资等方面综合比较。梁体间的连接，既可采用成桥为简支挂孔的方式也可与混凝土结构永久性连接。采用永久性连接时，接头位置以选取受弯曲效应较小的位置为佳。

（二）混凝土质量控制。

预应力连续刚构桥同一联的主梁所采用的混凝土应保证性能与施工方式基本相同。用于桥梁建设的混凝土材料不仅需要满足强度方面的要求，还需满足耐久性以及收缩徐变的要求。施工单位应根据混凝土材料来源以及现场施工环境，进行混凝土性能测试试验，掌握实际性能。主梁各个截面的尺寸误差应该得到有效的控制，各节段重量误差应控制在3%的范围内。主梁零号块与其余节段的施工间隔不应该过长。如遇特殊情况竖向可分次浇注，第一次浇注的腹板高度应控制在腹板高度的0.3到0.6倍范围内，应尽量避免在截面形心轴附近设施工缝。第二次浇注的间隔时间，应尽可能不大于6天，以避免新旧混凝土的收缩差导致腹板出现裂缝。应根据施工环境与特殊情况，做好混凝土的养护措施，防止混凝土出现早期收缩开裂现象。水灰比应该设置上限，并进行系统的管理，同时在浇筑过程中进行充分的振捣。

（三）预应力张拉控制。

混凝土强度达到设计要求的强度且混凝土龄期不少于7天后，方能张拉钢束。张拉钢束应采用张拉力和伸长量双控。应进行现场张拉工艺试验，确定预应力钢束张拉初应力、超张拉值、各次张拉吨位及持荷时间等指标。预应力钢束和精轧螺纹钢筋张拉完毕，严禁碰撞锚头和钢束（筋），钢绞线和精轧螺纹钢筋多余的长度应用砂轮切割机切除，严禁烧焊切除。锚具要成套定货（包括锚下螺旋钢筋），不得用承包商自制的任何构件取代成套锚具的任一部分，锚具的所有构件必须经过严格的质量检验。预应力孔道灌浆一般应采用真空辅助压浆技术，严格控制饱满度，确保压浆飽满；真空辅助压浆的工艺应进行现场试验，制定工艺操作流程；预应力钢束封锚前应认真清理锚头槽孔，涂抹阻锈剂，用环氧砂浆涂抹锚头，并采用低收缩混凝土浇注密实。鼓励推广应用预应力数控张拉技术和可重复补张拉的预应力筋体系等新技术和新工艺。

（四）重视后期运营维护。

应对预应力连续刚构桥进行日常巡查、定期检查、专项检查，建立桥梁档案，每次检测进行结果比对，并预测桥梁性能的发展情况。应充分考虑到预应力连续刚构桥营运阶段的实际受力以及环境，在恒载、活载以及环境的共同作用下，其强度和刚度会随着时间的增加而降低，这不仅会影响安全行车，更会使桥梁的使用寿命缩短。因此应该建立和发展一个健康监测系统，利用现代化的诊断量测手段，通过对大桥关键部位的空间位置、力学性能及其变化的长期和定期监测、分析，长期积累数据，用来监测和评估大桥在运营期间其结构的承载能力、运营状态和耐久能力。

四、结语

随着预应力混凝土连续刚构桥运营时间的增长，梁体跨中出现下挠并伴有裂缝产生成为一种普遍现象，对桥梁使用性能和结构安全产生不利影响，已成为此类桥梁发展的严重障碍。本文分析了不同因素对大跨度预应力混凝土桥梁下挠的影响，同时提出了相应的控制手段，对于预应力混凝土连续刚构桥桥梁设计、施工、长期挠度预测以及安全评价具有一定的指导意义。

预应力混凝土连续刚构桥下挠机理复杂，限于目前对混凝土徐变收缩规律认识的不足，应对大跨度预应力混凝土梁桥的挠度变化作长期观测，积累实际数据，以逐步修正实际情况与试验的差别。同时，目前对下挠与开裂间相互作用的关系以及桥梁使用阶段实际预应力损失特性的认识还不够明确，有待进一步深入研究。

参考文献：

[1]吕志涛，刘钊，孟少平.浅论我国预应力混凝土梁桥的技术与发展[J].桥梁建设，2001（1）：52-56.

[2]詹建辉，陈卉.特大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析[J].中外公路，2005（2）：56-55.

[3]伍波，杨家玉，石永燕，张峰.大跨径连续刚构桥的常见病害与设计对策[J].公路交通技术，2005.7：109-111.

[4]王法武，石雪飞.大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究[J].公路，2006（8）：72-76.

[5]马振栋，刘安双.控制大跨连续刚构桥梁过度下挠的技术措施.桥梁建设，2015（2）.

[6]杨志平，朱桂新，李卫.预应力混凝土连续刚构桥挠度长期观测[J].公路，2004.8：285-289.

[7]李俊.大跨度预应力混凝土连续刚构桥裂缝研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2007.

作者简介：李茂盛（1984-），男，重庆人，主要从事桥梁检测与评估工作。