刘 勇,刘建雄,汪云锋

(1.湖南路桥建设集团公司,湖南长沙 410004; 2.湖南交通国际经济工程合作公司,湖南长沙 410011)

预应力在混凝土桥梁结构中的使用,提高了桥梁构件的抗裂度和刚度,有效改善了构件的使用性能,增加结构的耐久性;节省混凝土用量,对大跨径桥梁,有显著优越性;减少了混凝土梁的竖向剪力和主拉应力,有利于减小梁的腹板厚度,使梁自重进一步减小。特别近年来,预应力技术发展迅速,在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面的日新月异,大大促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展,目前世界桥梁中有70%以上都采用了预应力混凝土结构[1]。但国内外对在役桥梁的检测报告都表明,随着桥梁建设数量与使用年限的增加,缺陷桥梁出现的数量也越来越多,预应力混凝土桥梁在施工与运营期陆续出现一些具有共性的病害,引起了广泛的重视和研究。

1 常见病害与案例分析

目前出现病害的桥梁数量及桥梁高昂的维护费用在直线上升,据统计,美国上世纪80年代末,桥梁维修费用估计为＄1 550亿元;上世纪90年代,70万座混凝土桥梁中60%加固费用需＄3 500亿元;本世纪初计划:桥梁全面维修费用＄12 000亿元;英国运输部曾抽样调查过200座混凝土公路桥梁,表明约有30%的桥梁运营条件不良,预计对这60座桥梁的10 a维护、修复费用就达6 200万英镑;我国交通运输部调查表明,中国约有50%的公路桥梁年龄在20～40 a以上,这些桥梁大多数存在结构上不同程度的损坏。近30 a来新建成桥梁中,为数不少的桥梁在使用5～10 a即出现严重的病害甚至发生垮塌事故。因此有必要对桥梁常见病害做一定的分析,特别是对现在发展最快的预应力混凝土桥梁,找出原因,在根源上减少病害的产生。

1.1 预应力混凝土桥梁的常见病害

1.1.1 梁体下挠

预应力为桥体提供的消压弯矩能有效保证构件的预应力度。根据分析,150m的全预应力连续箱梁,预应力对挠度的效应是7 cm。如果预应力施工不当,梁体内不能建立有效的预应力,在混凝土徐变的共同作用下,梁体必将发生严重的下挠。挠度过大不但会使跨中主梁下凹,破坏桥面的铺装层,影响桥梁的使用寿命和行车舒适性,甚至危及高速行车时的安全。对桥梁梁体结构下挠的成因,国内外均有大量学者做过研究,其研究或是针对某特定桥梁展开,或是对桥梁梁体下挠的成因和处理方法,总的来说可以归纳为以下几种原因:纵向预应力的损失、竖向预应力的损失、混凝土收缩徐变的影响、结构刚度变化、温度变化、剪力滞效应、混凝土强度和施工质量、使用荷载超限等,而最主要的因素是预应力的损失[2～5]。

1.1.2 梁体开裂

在预应力桥梁使用中发现,有相当数量的混凝土箱梁在顶板、腹板、底板、横隔板以及齿块等部位出现了各种不同形式的裂缝,其中箱梁腹板裂缝最为普遍和严重。腹板裂缝一般集中在1/8跨至3/4跨之间,其中距支座L/4附近腹板斜裂缝数量较多,裂缝开展宽度一般在0.15～0.5mm之间;通常腹板内侧的裂缝数量较多,夏季缝宽较冬季有所增大,较宽的裂缝贯透腹板,在结构上呈一定的对称性。文献[6]对我国19座己建成、有代表性的预应力混凝土桥梁的裂缝情况进行了调查分析。将裂缝的成因分两大类:一是混凝土在形成强度过程中形成的裂缝;一是在后续施工(如预应力张拉或拆架)和使用阶段形成的裂缝。目前普遍认为该类桥梁裂缝产生的主要原因是由设计计算方法、混凝土收缩徐变、温度、施工因素等引起的应力损失。

1.1.3 梁体断裂

由于预应力筋的有效预应力失效或梁体裂缝,特别是纵向预应力损失过大引起下挠和底板横向裂缝的进一步发展。当发展到一定程度,由量变转为质变,使梁体发生结构性破坏。

1.2 典型案例分析

1.2.1 国内预应力混凝土桥梁病害案例

1)黄石长江大桥。该桥为一座5跨预应力混凝土连续刚构桥,跨径布置为162.5+3×245m+162.5m,于1995年建成。该桥运营7 a后,大桥中跨3#墩和4#墩之间主梁跨中下挠达21.2 cm,南岸次边跨4#墩和5#墩之间主梁跨中下挠累计达22.6 cm,特别是北岸次边跨2#墩和3#墩之间主梁跨中下挠累计甚至已达30.5 cm,伴随下挠病害的同时,该桥共发现6 638条裂缝[7]。从检测资料上表明主梁正弯矩区底板和负弯矩区顶板纵向预应力有效性的降低都会使主梁跨中产生下挠,是跨中持续下挠的主要原因之一,而主梁刚度的变化和荷载增加对主梁跨中下挠影响很小。因此,主梁下挠很可能是主梁正弯矩区底板和负弯矩区顶板纵向预应力有效性降低而引起的。

2)三门峡黄河公路大桥。该桥主桥为一座6跨预应力混凝土连续刚构桥,跨径布置为105 m+4×160m+105 m,于1993年建成通车。2002年6月对该桥的检查发现,跨中区域下挠最大达到22 cm,另外箱梁腹板出现大量斜裂缝,且裂缝长度数量不断增加,结构承载力有下降趋势[8]。经监测,该病害是由于不正确的压浆工艺和潮湿空气的侵蚀等原因,使箱梁内预应力钢绞线发生严重锈蚀,从而导致桥梁承载降低。

3)鹤洞大桥。该桥主桥西岸边跨1997年4月下旬完成,6月2日测得跨中下沉68mm,至6月8日完成临时墩加固后,测得南主纵梁挠度最大值126mm,北纵梁挠度119 mm,梁体下部多处开裂,最大裂缝宽度0.78 mm。分析表明造成西岸边跨临时墩局部变形及主纵梁下挠的原因可归纳为:一是主纵梁预应力在施工期间有损失;二是钢绞线在主纵梁内基本为平行水平布设,钢绞线张拉后没产生较大的垂直分力来抵受自重,增加了临时墩的载荷负担;三是缺少加劲肋加强和减小腹板厚度导致临时墩工字钢失稳。

1.2.2 国外预应力混凝土桥梁病害案例

在国外,预应力混凝土桥梁病害也很普遍,如科罗◦巴岛桥是一座跨中带铰的3跨连续预应力混凝土刚架桥,其跨径组合为72m+241m+72m,是当时世界上同类桥梁中跨径最大者。1978年建成通车,通车后不久就产生了较大的挠度,到1990年,其挠度达到1.2m,且桥身产生大量裂缝,1996年加固结束,加固不到3个月又发生倒塌事故[9]。英国的Kingston桥是一座跨径布置为62.5 m+143.3m+62.5 m的预应力混凝土箱梁桥,主跨中央带铰。1970年建成后跨中挠度缓慢加大,至1998年己经超过30 cm[10]。美国1979年竣工的鹦鹉渡口桥,跨径布置为99 m+195m+99m,上部结构采用轻质混凝土。该桥在使用12 a后,195m的主跨跨中下挠了63.5 cm。此外表1列出了其他国外典型大跨度预应力混凝土桥梁的下挠情况。

表1 典型大跨径预应力混凝土桥梁的下挠情况

由上可知:预应力混凝土桥梁的常见病害是梁体下挠和开裂。而这些常见病害在桥梁检测和试验中无法体现,特别是梁体的下挠,在成桥荷载试验时,桥梁的承载力能够达到要求,但服役阶段,在荷载特别是活载作用下,跨中将持续下挠。这主要是因为目前预应力施工工艺不成熟导致有效预应力不均匀度过大,进而造成预应力损失过大,即相当于有效预应力大的钢筋承受了本应该由所有预应力筋承受的力,这样有效预应力大的钢筋在使用阶段逐渐屈服,梁体也随之下挠。而随着梁体下挠和开裂的不断发展,桥梁承载力将严重下降,甚至有断裂的危险。

2 预应力施工工艺现状

2.1 锚具的质量存在问题

根据国家标准《预应力筋锚具、夹具和连接器》(GB/T 14370)的要求,预应力筋锚具、夹具和连接器应具有可靠的锚固性能、足够的承载能力和良好的适用性,用于有抗震要求结构中的锚具、预应力筋锚具组装件还应满足循环次数为50次的周期荷载试验。但在进行周期荷载性能试验时能确保充分发挥预应力筋的强度,安全地实现预应力张拉作业,同时还应进行静载锚固性能试验,现行的人工加载试验设备存在以下缺点:

1)加载速度不容易控制:GB/T 14370标准中要求的加载速度为100MPa/min,手动控制试验设备不易实现。

2)无法实施周期荷载试验:周期荷载试验要求在预应力钢材抗拉强度标准值的40%到80%之间循环荷载50次,手动进行这样的控制几乎不可能。

3)静载试验的加载重复精度低:由于是人工手动控制,同组试验结果可能会有较大差异。

2.2 预应力张拉控制存在问题

目前预应力张拉控制一般采用“双控法”——压力表读数和伸长值,预应力的大小主要由普通压力表控制,影响预应力结构物张拉“双控”合格的因素有很多,一般来说主要有两类,即原材料和施工人员的技术素质。若严格按照规范的施工工艺进行预应力施工,“双控法”是可以满足锚下有效预应力控制精度要求的。但“双控法”存在人工读数的影响、压力表标定条件与现场施工条件之间的差异等将导致误差。普通压力表精度较低,对于大吨位预应力束难于准确控制张拉应力;其次,所用机具的标定混乱:千斤顶、压力表和油泵应当是一个完整的张拉施力系统,必须结合施工现场整体标定,实际上却是分割标定,只标定千斤顶与压力表,有的还是动态标定,其误差大又违背使用条件,往往导致张拉停顿持荷中张拉力偏大。

2.3 有效预应力大小和不均匀度不满足要求

叶志华在大跨度连续刚构桥预应力束沿程应力试验研究中表明:同一预应力束中不同钢绞线之间受力不均匀,且差别较大;预应力束的沿程应力分布从张拉端向钢束中部(两端张拉)或向被动端(一端张拉)逐渐减小[11]。造成的主要原因为施工张拉前单根穿束造成绞线相互缠绕,钢绞线在管道内的分布状态、松紧程度不一致,特别是曲线段,钢束的内圈与外圈长度相差较大,不能达到受力均匀;施工时在两端安装时夹片不平齐也会造成各根钢绞线之间受力不均;张拉完毕后锚固前持荷时间过短,不能保证预应力的充分传递,尤其是对于较长的预应力筋。目前由这3个原因引起应力不均非常普遍。另外,采用悬臂法浇筑的连续刚构桥,预应力管道跨越几个节段,其实预应力钢束与管道的实际摩擦系数每段都存在差异,也是原因之一。以上问题导致张拉控制应力与设计值偏差过大,预应力过大,可能导致预应力筋的破断,造成结构过大变形或出现裂纹;过小,则预应力度不足,造成结构开裂、下挠等。

2.4 缺乏检测验收的评估手段

现行规范对预应力工程施工中有效预应力控制与检测,都有十分明确的要求,但仅仅采用双控法根本无法达到规范的要求。由于缺乏完整的检测手段,使用传感器进行检测的方法只能被动检测,不能主动控制,同时精度不高,加之价格因素,无法完全实现。造成混凝土结构中建立的预应力状况与设计相差较大,使得梁体存在问题而导致其下挠和出现裂缝,甚至断裂等后果。

3 展望

随着大跨度、大悬挑混凝土构件的不断出现,混凝土预应力构件也越来越多。这样预应力混凝土工程施工工艺将更为复杂,对其质量要求也较高,因此我们需充分了解和不断完善传统的预应力施工工艺的诸多缺陷,严格实行预应力精细化施工,积极开展桥梁预应力施工跟踪检测和过程验收是保证桥梁结构的设计预应力度,防止预应力桥梁开裂和超限下挠,以及保证桥梁的行车舒适度、保证桥梁结构的安全和耐久性的根本途径。同时需加快研究成果向设计规范转化步伐,指导设计与施工。

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[4]吕志涛.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).

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[6]戴 竞,彭宝华,李扬海.公路预应力混凝土梁桥裂缝成因分析及处理[A].中国土木工程学会第九届年会论文集[C].

[7]詹健辉,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).

[8]马 健.三门峡黄河公路大桥的主桥加固[J].公路,2004(6).[9]谢 峻,等.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状[J].公路交通科技,2007(1).

[10]孙海林,叶列平,杨孚衡.城市轨道交通预应力混凝土连续梁桥的收缩和徐变分析[J],公路交通科技,2005(1).

[11]叶志华,张高朝,路 为.大跨度连续刚构桥预应力束沿程应力试验研究[J].桥梁建设,2009(5).