【摘要】随着科学技术的不断进步，桥梁的跨径也在不断增大，大跨度预应力混凝土梁桥已在公路中广泛运用。本文首先对跨中下挠和梁体开裂现象进行了分析，然后通过具体的工程实例阐述了大跨径预应力混凝土梁桥病害的设计对策，希冀对同行或类似工程提供参考和借鉴。
【关键词】桥梁；病害；设计对策
1引言
随着现代材料的发展，高强度混凝土及高强度钢材在桥梁工程领域的广泛应用，使得大跨度预应力混凝土梁桥在公路上的应用成为可能。大跨径预应力梁桥普遍存在无支架施工的难题，但是随着悬臂浇筑施工技术的成熟，大跨径桥梁无支架施工的难题得到了解决，为我国大跨径预应力梁桥的建设奠定基础。我国桥梁建筑中大跨径预应力梁桥常见的桥型有连续刚构桥和预应力混凝土连续梁，数量众多且应用十分广泛。但是随着使用年限的增加，桥梁出现越来越多的问题，其中最普遍的现象就是梁体开裂和跨中下挠。
2 跨中下挠分析
跨中下挠与设计人员对结构刚度选择，预应力钢束布置、施工时对施工的控制、具体的施工方法、对工期的控制、运营阶段活载影响、对混凝土收缩徐变的认知、预拱度设置等综合因素有关。
2．1 混凝土徐变
混凝土的徐变是引起混凝土结构长期变形的主要因素，同时也是导致预应力损伤的原因之一。据相关研究显示，将不同地区的徐变预测模型的徐变数据进行比较，实测值与规范的接近程度不尽相同，表现出明显的区域性，工程中如果不根据桥梁所处的地区来采用相应的徐变模型，而根据规范来进行计算是有欠妥当的，容易低估徐变变形的影响，从而造成对混凝土徐变的长期性和严重性认识不足。
2．2 截面非均匀收缩
大跨薄壁箱梁结构由于腹板、底板、顶板厚度差异太大，各部位间不同步的收缩变形，箱梁截面具有不均匀收缩的现象，从而使结构不仅发生轴向收缩，还会发生挠度变形，从而发生跨中下挠现象。目前没有足够重视由于混凝土截面形式及尺寸效应所导致的结构不均匀收缩效应。
2．3 预应力布置
20世纪8O年代到90年代，将优化理论普遍应用到预应力混凝土连续箱梁的设计中，部分桥梁纵向顶板索取消了下弯索，将其设计为直线索，后来经过实践证明，该设计思想对主梁下挠的抑制作用效果较差。根据在西南地区某高速公路上，相隔10km的主跨布置相同 (122+210+122)m的两座连续刚构桥，进行对比分析。两座桥的横断面尺寸完全一致，唯一不同的是，前一座桥主梁没有配置下弯索，后一座桥主梁则配置了下弯索。没有配置下弯索的那座桥梁，在运营3年后，主跨跨中预留的32cm预拱度已经消失，出现了下挠趋势，而配置了下弯索的桥梁线型平稳。
2．4施工因素
施工单位为了缩短施工周期，一般会采取某些措施，经常在混凝土中添加早强剂等。早期混凝土强度的增长高于弹性模量的增长，加入早强剂后，混凝土的强度很快达到规定的要求，但是弹性模量仅仅达到了设计值的70%左右，甚至更少。混凝土的徐变由于早期加载而增大，过早加载不仅会加大预应力的损失，还会增大混凝土徐变的影响，如果施工措施不到位，预应力的损伤则会增大。
3 裂缝分析
按其发展方向可将大跨径混凝土梁桥箱体裂缝分为：纵向裂缝、斜向裂缝、横向裂缝3类。与桥轴线平行的裂缝称为纵向裂缝，一般在顶底板中出现较多；腹板主拉应力裂缝称为斜向裂缝；横向裂缝一般出现在箱梁底板下缘，多伴随跨中梁体下挠出现，严重时能够延伸至腹板。
3．1 腹板裂缝
高墩大跨连续刚构桥中较为常见的梁体裂缝是腹板主拉应力裂缝，一般在剪应力大、截面抗剪强度不足，距支座L／4的区域中较常发生，与梁轴线开裂角度呈25°～50°，并随着时间的推移逐渐发展至受压区。裂缝趋向跨中方向发展，导致裂缝数增加，裂缝宽度变大。腹板主拉应力裂缝形成的主要原因有以下几点：
(1)不设置下弯钢束：克服主拉应力仅使用竖向预应力和纵向预应力，这样虽然施工方便，能够使薄腹板的厚度减少，但是竖向预应力筋的长度较短，有较大的预应力损失，不能有效保证预应力，导致斜向开裂。
(2)设计时主拉应力估计不足：主拉应力如果仅在平面问题上分析，则主拉应力偏小；箱梁内部由于日照温差导致全截面受拉；腹板在合拢段张拉后期钢束的作用下受拉，底板在合拢段张拉后期钢束的作用下受弯。
(3)腹板厚度较薄，所配置的普通钢筋数量不足。
(4)竖向预应力的施工操作误差大，不规范，导致有效预应力严重不足，特别是精扎螺纹钢的使用。有的竖向预应力筋，由于松动而导致张拉力不足，主拉应力超过限度。
3．2 顶、底板纵向裂缝
由于箱梁横向弯曲和畸变而导致箱梁顶、底板裂缝的产生。箱梁顶、底板处有相对较小的剪应力，所以顶、底板的横向方向与主应力的方向相同，桥轴线方向与产生裂缝的方向平行。顶、底板齿板受力，预应力筋锚头处局部受力，温差或收缩引起的局部应力，施工接缝处和截面分层处的局部应力都可能导致顶、底板开裂。受超载影响，横向弯矩在活载的作用下加大，从而导致开裂进一步发展。
3．3 横向裂缝
大跨径连续刚构桥或大跨径连续梁按全预应力构件进行设计，过早加载会导致沿管道预应力的损失偏大；混凝土徐变加大导致预应力损失大；预应力筋由于浆体离析而锈蚀、管道压浆不饱满等导致有效预应力不足，从而导致横向裂缝的产生。横向裂缝产生还与齿板设计不当、截面强度不足、局部应力过大等因素有关。
4 加固对策分析
4.1 桥梁概况
该桥于2006年建成，主桥为(122+210+122)m预应力混凝土连续刚桥，，全长438米，桥梁全宽21.5米，，桥面横坡为双向2％。设计荷载：挂一120，汽一超20级；三向预应力结构为主桥箱梁，截面采用单箱单室，底板宽1lm，顶板宽21．5m，箱梁顶面翼缘板的双向横坡设置为2．0％。主墩采用群桩基础，双薄壁墩。
4.2 主要病害
(1)桥梁通车运营不足3年，经测量主跨跨中预留的预拱度的最大值不足2.7cm，排除测量时由于温度变化而引起的挠度变化，则原中跨跨中设置的预拱度基本用尽。
（2）纵向裂缝存在于箱梁中心线附近顶板、边跨及中跨部分区域的箱梁底板底面；斜向裂缝存在于中跨20号块、中跨合龙段的腹板、箱梁边跨28号块边跨合龙段，从跨中至支点是斜裂缝的走向，与箱梁底板的夹角为35度到45度，裂缝间距为25到45cm，0.3mm为最大裂缝宽度。
4．3 加固措施
将主桥进行体外预应力的增设，新增的体外预应力钢束为8束19Φ15．2mm，每个腹板对应4束钢束。并且预留的预应力孔道为4束，
每个腹板对应2束修补腹板表面裂缝后，增加边跨21号～28号梁段的箱梁腹板厚度，加固中跨19号一36号、边跨29号～37号梁段箱梁腹板粘贴钢板。采用压浆对边、中跨底板上的纵向裂缝进行修补后，再采用粘贴碳纤维布进行加强。采用灌浆封闭措施对顶板纵向裂缝进行处理后，采用粘贴碳纤维进行加强。如图1所示：
图1 主跨210m连续刚构体外预应力钢束布置立面图
4．4 加固效果的理论分析与比较
计算结果如表1所示，结构的受力在加固后得到明显改善，跨中截面下缘以及边跨合龙段下缘的预应力分别提高了2.7MPa、1.8MPa；
主梁的最大主拉应力大约降低为0．43MPa；理论上加固后，主梁跨中将向上位移约1．73cm。
表1主桥加固前、后验算结果表
5结束语
经过大量的理论与技术的研究，混凝土主梁下挠和腹板开裂的技术难点已经被攻克，大跨径梁桥的发展将被更多的技术措施以及科技创新所引导。由此可以看出，预应力混凝土梁桥的跨径将进一步增大，上部结构也将不断高强化、轻型化。我国未来桥梁建设的主力军之一将会是大跨径预应力混凝土梁桥。
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论文作者:刘国兴
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2015/12/11
标签：预应力论文; 裂缝论文; 腹板论文; 混凝土论文; 底板论文; 应力论文; 桥梁论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;