王 宁, 王 科

(1.北京工业大学，北京100124；2.中国人民解放军95338部队，湖南衡阳421001)

大跨径连续刚构桥具有整体性能好、变形小、抗震性能好、后期运营维护成本低的特点，并且连续梁体和梁墩的固结，使得连续刚构桥没有伸缩缝，车辆能够平稳运行，同时它也没有支座，不需要转换系统，并有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，这些优势使得它在近几十年得到迅速发展，已成为大跨度预应力混凝土桥梁的一种类型[1](表1)。大跨度预应力混凝土连续梁式桥主要包括三种结构类型：T型刚构桥、连续梁桥以及连续刚构桥。随着计算机技术的发展，我国在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料与工艺设备、施工工艺等方面可谓日新月异，桥梁的设计技术与施工技术已达到了相当高的水平，从结构受力多经济指标综合考虑，连续刚构的跨度适用范围在300 m以内。

随着桥梁在各种环境中的长时间运营以及设计经验、施工质量等问题，很多大跨径连续刚构桥都出现了一些病害，于是在现有的技术基础上对大跨度连续刚构桥的病害进行分析以及改正成了亟需解决的问题。

1 典型病害及原因

大跨连续刚构桥的病害主要是主梁的下挠以及裂缝的问题，而根据裂缝产生的位置又主要分为梁体的顶板裂缝、底板裂缝、腹板裂缝、横隔板裂缝、锚固裂缝等[2]。

1.1 连续刚构桥的跨中挠度及成因

大跨径桥梁梁体跨中挠度过大是桥梁工程中比较常见的一种现象，虽然目前国内外的研究人员对大跨径连续刚构桥有着丰富的设计施工经验，但是跨中挠度过大仍然是困扰工程师的一个难题。针对跨中挠度持续下挠的问题设计人员已经做了很多的研究，目前比较公认的有以下原因。

1.1.1 混凝土的徐变和收缩

混凝土在荷载长期的作用下会产生变形，并且在混凝土凝结初期或在其硬化过程会出现体积减小，这也就是所说的混凝土徐变以及收缩。徐变是种塑性变形，是混凝土长期受力作用下所固有的变形性能。徐变变形的方向与加载方向一致，也就是受压的混凝土结构徐变所产生的变形与混凝土收缩的变形方向是相同的，均使混凝土结构几何尺寸非常微小地变小(表2、表3)。

表1 部分国内外已建成的跨径200m以上连续刚构桥

在对大跨连续刚构桥设计施工时，所用的混凝土均为高强混凝土，而收缩与徐变在高强混凝中的现象更加明显。

表3 混凝土徐变系数终极值φ(tu，t0)×103

由表2、表3可知，混凝土的收缩应变终极值与传力锚固龄期呈负相关，与混凝土梁板的理论厚度呈负相关；混凝土的徐变系数终极值与加载龄期呈负相关，与混凝土板的理论厚度呈负相关。而我们在设计施工时为了减轻大跨桥梁的自重，常采用薄壁箱型梁，并且为了提高施工进度加载龄期与锚固龄期都比较短，从而使收缩应变终极值和徐变系数终极值比较大，导致跨中下挠过大。

1.1.2 混凝土开裂

混凝土裂缝的宽度与挠度的关系近似线性关系[3]，跨中下挠会进一步加剧箱梁底板开裂，而箱梁裂缝增多使其结构刚度降低，又进一步加剧了跨中下挠，这两者相互影响形成了恶性循环。

1.1.3 对预应力长期损失估计偏低

由上表我们可知，混凝土的收缩应变终极值是与传力锚固龄期成负相关的，也就是说随着时间的增加，预应力有效值会逐渐变小，那么混凝土的收缩变形就会越大，桥梁整体刚度就会减小，从而跨中挠度增大。

1.1.4 施工方法

悬臂施工法由于在跨间不需搭设支架、施工期间不影响桥下通航或行车、工作面多、跨越能力强等特点，是目前预应力混凝土连续梁桥的主要施工方法。在对大跨连续刚构桥的施工中采用悬臂施工，分段浇筑[4]的方法。这样的施工合拢方式导致成桥后存在初始挠度，处于不利的应力状态，更导致了桥梁成桥以后在长期通车使用的状态下挠度不断增加。

1.2 顶板裂缝及成因

箱梁顶板裂缝主要是纵向顶板裂缝，有的纵向裂缝连续贯通较长，有的则不连续且较短，混凝土箱梁在设计时为了减轻桥梁自重往往采用薄壁箱梁。

(1)当顶板的横向预应力钢筋的预应力随时间损失到一定程度时，或者顶板没有设置横向预应力钢筋时均会产生裂缝。

(2)悬臂施工、分段浇筑的施工方式，会导致各段箱梁顶部的横向预应力各不相同，是箱梁顶板处在受力不均的状态下，从而产生裂缝。

(3)在箱梁顶板上会产生一些负弯矩区域，在这些负弯矩区内容易产生顶板裂缝。

(4)影响混凝土箱梁挠度的原因也会使箱梁顶板产生裂缝。

1.3 底板裂缝及成因

底板裂缝比较常见的位置是箱梁底板跨中的位置。

(1)在荷载作用下，箱梁跨中底部为受弯区，当受弯区的横向钢筋不足以抵抗底板所产生的的附加弯矩时，就会使混凝土开裂。

(2)在箱梁底部上布置了较多的预应力钢索孔，预应力钢索与这些孔相互作用，预应力钢索孔受到较大的压力，底部混凝土所受的压力超过其极限承载力时，底板就会产生裂缝。

(3)混凝土箱梁挠度过大也会使箱梁底板产生裂缝(图1)。

图1 顶板、底板纵向裂缝

1.4 腹板裂缝及成因

斜裂缝也称主拉应力裂缝，一般发生在箱梁腹板上，是预应力混凝土梁桥中出现最多的一种裂缝，往往首先发生在剪应力最大的支座附近，腹板斜裂缝主要以15°～45°的角度出现在跨度的1/4～1/8处[5](图2)。

图2 腹板斜裂缝

(1)由于所采用的箱梁厚度较薄，同时在支座处会产生的剪力相对比较大，当腹板的抗剪能力不足以抵抗所产生的的剪力时，腹板就会形成裂缝。

(2)由于桥梁在长时间的运行情况下，荷载较大，同时预应力的有效值会降低，腹板上所受的拉力相对增大，产生裂缝。

(3)在温度荷载作用下，混凝土箱梁会出现热胀冷缩的现象，导致腹板的不同断面受力不同，从而产生裂缝。

1.5 锚固区裂缝及成因

在预应力张拉之后锚固端的应力是非常复杂的[6]，当锚固区内箱梁的横向和纵向钢筋没有加强时，一旦混凝土的抗拉强度小于预应力张拉所产生的拉应力时，就会出现裂缝。锚固区钢筋相对较密，也会由于施工质量的原因，导致锚固区混凝土浇筑不密实而出现裂缝(图3)。

图3 锚固区裂缝

2 典型病害的防治

影响大跨连续刚构桥的下挠过大及产生裂缝的因素比较复杂，有着一定的不确定性和随机性，并且随着时间的推迟这些问题会逐渐的严重，从而影响桥梁的正常使用，本文主要从以下方面对这些问题进行防治：

2.1 控制混凝土的收缩和徐变

提高混凝土的强度，可以选择级配良好的骨料，控制水灰比和水泥的品种及用量，同时添加合适的外加剂，这样在保证混凝土强度的同时既控制了混凝土的收缩徐变，也消除了一定的温度影响[7]。

2.2 改进设计

适当增大梁截面高度，增大高跨比，同时增配钢筋从而提高箱梁的抗弯承载力、抗剪承载力以及整体刚度。

2.3 控制施工质量，在施工时考虑足够的预拱度

混凝土的收缩徐变会随着时间的增加而增大，而下挠的具体数值目前还不能完全准确地计算出来，往往会因为预设的预拱度不足，不足以抵消箱梁在后期所产生的下挠，导致下挠过大从而产生裂缝，所以在施工时要充分考虑足够的预拱度，并且推荐采用二次张拉工艺弥补预应力损失。

2.4 在箱梁底板粘贴FRP加固

纤维增强复合材料(FRP)轻质高强，具有较好的抗拉强度并且具有良好的耐腐蚀性以及良好的实用性，在箱梁底板粘贴FRP板带，可以提高底部的受弯承载力，可以有效抑制裂缝的出现。

2.5 合理设置横隔板

在偏心荷载作用下箱梁会产生周边变形也就是截面畸变，而箱梁的畸变变形是桥梁工程不可忽视的问题。在箱梁中合理的设置横隔板，在集中畸变荷载作用的位置上设置相应的和隔板可以有效的控制截面的变形，减小畸变对结构的影响，提高整体结构的刚度和承载能力。

3 结论

本文总结了大跨径连续刚构桥常见的一些病害并且提出了相关的防治措施。主要的研究结论如下：

(1)大跨连续刚构桥跨中的病害主要有跨中挠度持续下降导致挠度过大以及裂缝的产生。

(2)混凝土的收缩徐变、混凝土开裂、对预应力长期损失估计偏低、施工方法都会增加箱梁跨中的挠度。提出了提高混凝土强度，控制水灰比，合理增添外加剂，设计施工时考虑足够的预拱度这些相应的措施来抑制上述问题的产生。

(3)箱梁的裂缝根据其出现的位置只要分为了顶板裂缝、底板裂缝、腹板裂缝、横隔板裂缝、锚固区裂缝。提高相应的箱梁截面尺寸，增加预应力，合理布置隔板都能减少这些裂缝的出现。

(4)在板底粘贴轻质高强FRP板的加固方式，是桥梁预防裂缝产生及出现裂缝后加固维修的措施。