大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)铣梢驕\析

曾輝

特別進入20世紀90年代以來，預應力砼連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)在我國發(fā)展迅速，形勢喜人。但是隨著橋跨的增大，連續(xù)剛構(gòu)橋在使用過程中的問題也凸顯出來，其中之一就是隨著使用年限的增加，連續(xù)剛構(gòu)的跨中不斷下?lián)希@會使橋梁運營期內(nèi)出現(xiàn)不良線形而引起乘客的不舒適感，甚至危及行車安全。所以跨中下?lián)蠁栴}也成了連續(xù)剛構(gòu)這種橋型建設(shè)和發(fā)展過程中厄待解決的問題。

國外，如帕勞共和國的科羅爾.巴島（Koror-Babeldaob）橋是一座跨中帶鉸的三跨預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨度組合為72+241+72m，是當時世界上同類橋梁中跨度最大者。1978年建成通車，通車后不久就產(chǎn)生了較大的撓度，到1990年，其撓度達到了1.2m。后來采用體外索施加預應力，使主跨中央撓度減小。1996年7月加固結(jié)束，加固結(jié)束處理后不到三個月就發(fā)生了倒塌事故。美國1979年竣工的鸚鵡渡口橋（Parrotts Ferry Bridge）,跨徑不止為99+195+99，上部結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)混凝土建造。該橋在使用12后，主跨跨中下?lián)狭?3.5cm。

國內(nèi)，拿過魯班獎的９７年成橋的虎門大橋連續(xù)剛構(gòu)也已經(jīng)出現(xiàn)了２６ｃｍ的下?lián)?。而且還沒有停止。

大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)系脑?，大致可分為設(shè)計方面的原因，施工方面的原因，運營期間的原因，現(xiàn)分述如下：

一、設(shè)計方面的原因

設(shè)計是基于成橋狀態(tài)，而施工能滿足這一條件的只有滿堂支架的小跨徑連續(xù)梁了！跨徑變大，施工必然采用懸臂澆筑或者拼裝，施工至最大懸臂狀態(tài)時，出現(xiàn)了最大的不平衡彎矩（懸臂梁與設(shè)計的預應力效應之間的差值）。而這個不平衡力在合龍后并沒有消除，利用虛功原理，這種不平衡力必然引起后期的下?lián)?，不平衡力越大撓度越大！而僅僅通過線形控制達到設(shè)計線形是不能消除這個影響的！

因此，設(shè)計必須與施工過程相聯(lián)系。

1.1計算模式存在問題，有待進一步改進

通常連續(xù)箱梁和連續(xù)剛構(gòu)橋梁的計算模式是：橋梁收縮徐變完成后的恒載＋活載＋溫度等組合產(chǎn)生的應力來控制設(shè)計，實際上某些截面的應力值不是由收縮徐變完成時的各項應力值之和控制，結(jié)構(gòu)計算未能采用應力包絡(luò)方式進行驗算，不能保證橋梁節(jié)段施工、合龍后、加載二期恒載、活載、收縮徐變、溫度等各個階段及其組合計算出的最大應力值均控制在合理的范圍內(nèi)。另一方面，設(shè)計通常忽略了恒載作用下箱梁上、下截面的應力水平差問題，沒有采取有效措施減少截面上下緣應力差。由于梁截面頂部和根部應力水平相差較大，應力作用下的徐變效應也有所不同，在支座附近截面，箱梁底部的應力水平要明顯高于頂部，相應的產(chǎn)生的徐變效應亦大于頂部，從而帶到箱梁產(chǎn)生下?lián)稀?/p>

1.2 箱梁溫度應力考慮不足，導致局部出現(xiàn)開裂

箱梁非線性溫差對箱梁應力影響很大，很多橋梁由于非線性溫差取值偏小而引起應力儲備不足，導致箱梁開裂。以前的設(shè)計在考慮非線性溫度時，由于橋規(guī)中未作具體規(guī)定，因而很多采用T梁的計算模式取為5度，但實踐表明，采用T梁計算模式的溫度取值遠較實際的非線性溫差小。以西攀高速公路金江金沙江大橋主跨275米方案為例，以跨中下緣拉應力為控制指標，通過對美國、英國BS5400、新西蘭、新鐵規(guī)的比較，發(fā)現(xiàn)不同國家規(guī)范對跨中梁高的要求是不同的，我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-85)是采用矩形溫差模型，而2004版規(guī)范改進了溫差模型，采用三角形分布，經(jīng)虎門輔航道連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土箱梁的溫度監(jiān)測表明，溫度分布或溫度梯度分布曲線呈現(xiàn)非線性的特點, 由頂板的較大值開始迅速衰減，到腹板的中下部，溫度數(shù)值最低，溫差接近為0；由底板上緣附近開始，溫度逐漸升高, 溫差逐漸增大。經(jīng)空間有限元計算比較表明，箱梁的變形和應力對溫度梯度模式較為敏感。溫度荷載在主梁下緣引起拉應力，它與混凝土張拉預應力筋引起的二次應力相組合，將產(chǎn)生較大的拉應力，以138.17 m + 268m + 138.17 m的三跨預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋為例，表明主梁引起的彎矩值均接近甚至超過了活載作用時的最大彎矩值，有的部位甚至數(shù)倍于活載作用的最大彎矩值。從而降低主梁截面的抗裂性 [2]。另外我國鐵道部從20世紀70年代未至80年代中期對多座鐵路橋梁的溫度應力進行了實測，表明溫差分布是與新西蘭規(guī)范類似的多次拋物線模式，我國現(xiàn)行橋規(guī)仍偏于簡單化，計算結(jié)果偏于不安全。

與此同時，箱梁頂板和底板溫度與環(huán)境溫度存在一定滯后。在下午雖然箱梁溫度達到最高，但由于滯后的原因撓度相對增加較小，而晚間的撓度反而增加；由于連續(xù)箱梁撓度與梁體剛度密切相關(guān)，支座附近梁體較高，剛度較大，跨中剛度較小，相對較柔，梁頂溫度升高導致跨中產(chǎn)生向下的撓度，類似于跨中存在一個鉸。梁頂溫度升高后，撓度曲線表明跨中截面承受正彎矩，梁底板受拉。頂、底板溫差越大，梁體冗余彎矩越大。估計在溫度變化下如果產(chǎn)生的拉應力超過了預壓應力，在梁底就會產(chǎn)生拉應力狀態(tài)，經(jīng)過多次循環(huán)，從而降低了混凝土壽命期內(nèi)抗拉能力。

1.3剪切變形及剪力滯效應考慮不足

我國現(xiàn)行橋規(guī)與國外設(shè)計規(guī)范相比是偏于不安全的，難以充分考慮斜截面的抗剪能力。而且連續(xù)箱梁和剛構(gòu)設(shè)計分析時一般采用梁單元，無法考慮剪力效應。但由于箱梁腹板相對較簿，所以箱梁腹板剪應變很敏感。軸向力首先產(chǎn)生在腹板，然后隨著剪力滯效應，底板產(chǎn)生剪應變（變形）。對于較寬的橫斷面，剪力滯效應顯著而不能忽略。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，運用有效寬度概念，考慮剪力滯效應。對于預應力結(jié)構(gòu)，荷載和預應力產(chǎn)生的剪力滯有所區(qū)別。直線型預應力筋等不產(chǎn)生剪力，因此不產(chǎn)生剪力滯效應，所以有效寬度的方法使用時需要注意到預應力梁真正的力學行為。通過以下三種情況的計算分析：1、僅考慮彎矩作用，不考論剪應變及剪力滯；2、考慮彎矩作用及腹板的剪應變，不考慮剪力滯；3、彎矩作用、剪應變及剪力滯均考慮。結(jié)果表明，建設(shè)期考慮剪力效應，自由端建成405天（建設(shè)期）到合攏前第685天間撓度大于不考慮剪應力效應約24%；考慮剪應力效應情況下，25年期跨中撓度增加量比不考慮時多56%。

1.4縱向預應力損失考慮不足，導致預應力水平降低

由于理論計算模式和計算結(jié)果往往與工程實際情況存在差異，加上一些在設(shè)計時難以計入的因素，因此在設(shè)計過程中，有必要考慮結(jié)構(gòu)各個截面的應力要有一定的安全儲備，即對使用荷載作用下截面的正應力和混凝土主拉應力，提供一定的應力儲備，以便在設(shè)計上帶來可靠保證。

通過對黃石長江大橋箱梁裂縫和主跨下?lián)铣梢蚍治霭l(fā)現(xiàn)，主梁正彎矩和負玩矩區(qū)頂板總向預應力有效性的降低都會使主梁跨中產(chǎn)生下?lián)希數(shù)装蹇v向預應力有效性降低30%時，主梁跨中將增加53mm的下?lián)?，頂板懸臂施工束失?0%時，次邊跨跨中下?lián)狭吭黾?33mm，中跨跨中下?lián)狭吭黾?37mm。

1.5 高估混凝土的力學性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全儲備不足

在我國橋規(guī)設(shè)計規(guī)范中，混凝土拉應力和壓應力作為設(shè)計控制指標，但事實上，我國預應力混凝土結(jié)構(gòu)同普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，在受彎構(gòu)件正截面強度有足夠保證的情況下，仍有可能沿斜截面破壞。在斜截面破壞前，總會先出現(xiàn)由彎短和剪力引起的主拉應力斜裂縫。由于預應力的存在，特別在縱向和豎向預應力的共同作用下，箱梁內(nèi)的主拉應力大大降低，從而使得斜截面的抗裂性比普通鋼筋混凝土好。在合理進行縱向預應力鋼來布置和豎向預應力鋼筋設(shè)計的情況下，可以把使用荷載作用下的主拉應力控制在小于規(guī)范規(guī)定的混凝土抗拉強度（主拉應力）范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斜裂縫，其承載能力將會降低，甚至會突然破壞。通過主拉應力的敏感性分析得知，若不設(shè)置豎向預應力鋼束或者豎向預應力失效，則必須加大腹板厚度尺寸，重新設(shè)計。若豎向預應力只考慮50％的效果時，計算所得的主拉應力仍會出現(xiàn)大于規(guī)范規(guī)定值的情況。

如果橋梁成橋后各截面存在正（負）彎矩Mg，在若干年后混凝土所發(fā)生的徐變也必然沿著已留有的轉(zhuǎn)角方向發(fā)生應變，即產(chǎn)生徐變撓度。有意識的設(shè)計預應力索所產(chǎn)生的彎矩MT與恒載Mg相反，使連續(xù)梁各個截面轉(zhuǎn)角也為零θ≈0。這樣就使若干年所產(chǎn)生的砼徐變僅發(fā)生軸向縮短而不發(fā)生下?lián)?。一般設(shè)計都將梁體的自重撓度fg反方向預抬高，即通過調(diào)整模板，能在外形上做到了合攏時跨中梁截面標高與設(shè)計相符。這種做法沒有解決力的平衡問題，在連續(xù)梁內(nèi)部仍然存在彎矩，這些彎矩產(chǎn)生的梁體轉(zhuǎn)角也沒有消除，所以隨著時間增長砼發(fā)生徐變后，梁體將沿著原來存在的轉(zhuǎn)角也沒有消除，所以隨著時間增長砼發(fā)生徐變后，梁體將沿著原來存在的轉(zhuǎn)角方向發(fā)生下?lián)稀Ｒ虼苏f撓度抬高方法實質(zhì)上沒有解決梁體砼徐變發(fā)生轉(zhuǎn)角下?lián)系膯栴}。

當然徐變并不是造成下?lián)系娜吭?，但徐變是至關(guān)重要的因素，好多問題多是圍繞徐變產(chǎn)生的：比如，加載齡期過早；頂板預應力損失；公路橋梁規(guī)范的計算徐變結(jié)果偏小等等。

二、施工方面的原因

彈性模量未達到設(shè)計要求，最終造成預應力損失必然會導致后期跨中撓度的下沉量較大！

其次，從施工的角度分析，縱向預應力筋雖然采用低松弛鋼絞線，但畢竟是有松弛的，時間長了以后除了混凝土徐變外，預應力束發(fā)生松弛現(xiàn)象也會導致預應力損失。另外在進行豎向預應力筋通常使用精軋螺紋粗鋼筋，而精軋螺紋粗鋼筋張拉過程中由于拉伸值較小，作為我們施工來說是采用百分表來檢測其伸長值，但是在錨固時不可避免會產(chǎn)生一部分應力損失。因此，豎向預應力筋也同樣具有松弛導致預應力損失的情況發(fā)生?？v向和豎向預應力損失的出現(xiàn)必然會導致后期跨中撓度不斷增加。

三、運營期間的原因

隨著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，公路交通量明顯加大，超載、超速現(xiàn)象也越來越嚴重。由于長期處于繁忙的超負荷營運狀態(tài)，加劇了下?lián)虾土芽p的發(fā)展。

綜上所述，對于大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)系膯栴}，要更新設(shè)計理念，精細施工，加強運營期間的管理，多方面著手，才能杜絕或減緩大跨連續(xù)剛構(gòu)跨中下?lián)稀?/p>