大跨径桥梁的主要病害及防治措施

一、大跨径梁式桥的跨中下挠
是一个较普遍的现象。尤其是一些大跨径梁式桥，跨中下挠与梁体跨中区段垂直 裂缝或大量斜裂缝伴随出现，其下挠可达到相当大的数值，病害较严重。 表 1 列出了国内外一些刚构桥的跨中下挠值，可见国内外都存在这类病害，其中 带铰刚构下挠更大，甚至可超过 1m。带铰刚构桥已趋向不用。 至于连续刚构，也存在跨中下挠现象： 黄石长江公路大桥跨中下挠，最大已达到 33.5cm，拉应力斜裂缝与跨中区段垂直裂缝。 江津长江大桥跨中下挠 31.7cm，折合跨径的 1/757。同时出现多条主拉应力斜裂缝 和跨中合拢段沿桥宽方向的裂缝。 根据已发表的资料，虎门大桥辅航道桥跨中下挠，最大已达到 22cm，折合跨径的 1/1227，与此同时跨中存在一些垂直裂缝及少量的主拉应力斜裂缝。此下挠值已远远超 过原设计预留值 10cm。最近主要由于恒载超重引起垂直裂缝的发展，下挠值又增大到 26cm，折合跨径的 1/1038。
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与设计上对主拉应力计算偏低有关。 2、取消弯起束 从上世纪 90 年代开始的一段时期内，在箱梁桥的设计中，较普遍地取消弯起束， 而用纵向预应力和竖向预应力来克服主拉应力。这样做法方便施工，可以减薄腹板的厚 度。但竖向预应力筋长度短，预应力损失大，有效预应力不易得到保证，经过几年的实 践，带来的是斜裂缝大量出现的教训。首先在某桥上取消了梁端的弯起束，引起梁端部 大量严重的斜裂缝出现，使人们认识到梁端必须设弯起束。后来在很多梁桥的主墩附近 梁体上也大量出现斜裂缝，从而认识到取消弯起束是不妥当的，于是重新回到设弯起束 的正确轨道上来。但为此已付出了一定的代价。 3、腹板特别是根部区段腹板偏薄，配置普通钢筋偏少。 4、竖向预应力施工操作不规范，有效预应力严重不足，有的竖向预应力筋甚至松 动，没有压浆，根本没有张拉力。 5、个别桥梁施工质量差，悬臂施工盲目抢时间，在混凝土初凝时间小于节段浇筑 时间的情况下，既不对挂篮压重，又自内向外浇筑混凝土，导致挂篮下挠，节段界面上 缘开裂， 其宽度以 mm 计。 造成新桥即需压浆修补裂缝， 在通车后不久出现严重斜裂缝。 按现有裂缝验算，剪应力增大 5～8 倍，导致主拉应力的成倍增长，因而出现斜裂缝。 这种缺乏基本常识的低级错误，决不应该再犯了。 预防对策是： 1、保证有足够的斜截面强度。 2、采用三维分析箱梁的主拉应力，不要漏项。 3、必须配置弯起束，同时也应配置竖向预应力束。必须充分考虑预应力损失。对 竖向预应力束，应采用二次张拉，确保其有效预应力。 4、适当增加腹板特别是根部区段腹板的厚度及其普通钢筋含量，加密箍筋，加粗 加密梁高范围纵向水平钢筋。
梁桥的跨中下挠 结构类型 连续刚构 连续刚构 连续刚构 连续刚构 连续刚构 连续刚构 带铰刚构 连续梁 连续刚构 带铰刚构 带铰刚构 带铰刚构 带铰刚构 跨中下（cm） 折合跨径 33.5 26 31.7 22 22 23 63 29 20 120 30 63.5 30 1/731 1/1038 1/757 1/727 1/545 1/700 1/238 1/393 1/1100 1/201 1/478 1/307 1/605 加固后 即倒塌 备 注
二、梁体开裂
包括梁上出现垂直裂缝、斜裂缝、纵向裂缝、混凝土劈裂、横隔板裂缝以及齿板裂 缝等。下面只讨论出现最多的主拉应力斜裂缝。 斜裂缝往往首先发生在剪应力最大的支座附近，与梁轴线呈 25°～50°开裂，并随时 间的推移，不断向受压区发展。裂缝数也会增加，裂缝区向跨中方向发展。 斜裂缝的一个显著特征是箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重。 这已为一些大 跨径梁桥的检查结果所证实。 斜裂缝的宽度如在 0.2mm 以下，而且其长度、宽度和数量已趋稳定，不再发展， 那么这类裂缝基本属于无害裂缝，不需加固，但要注意观察，要封闭。而实际上大跨径 梁桥上往往存在宽度较大、且不断发展的严重斜裂缝，已反映出梁的斜截面强度不足。 在设计中，对梁的主拉应力都进行验算，并能通过。但在实践中，这类裂缝还是大 量出现，已成为一种主要病害。 出现斜裂缝的原因分析如下： 1、按平面问题分析，主拉应力偏小 现在设计中通常仅从纵向和竖向二维来分析主拉应力， 即 zl
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2 ，但还不够，没有考虑横向的影响。
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箱梁中横向应力是不小的。由于箱底板的自重以及上翼缘的悬臂，腹板内侧受到横 向拉应力，这就是箱内腹板斜裂缝比箱外腹板严重的原因。除此以外，活载、温度梯度 都会使箱承受横向应力。 张拉底板束引起的径向力也会在某些范围内产生腹板竖向拉应 力。不考虑横向应力的影响，必然使计算的主拉应力值偏小。正如《苏通大桥副桥连续 刚构设计》一文所说，“经计算分析，箱梁的横向荷载对腹板产生的效应很大。……考 虑此项效应的主拉应力将远超出规范允许值。”[4] 此外，由于采用箱形截面，扭转、翘曲、畸变也会使腹板中的剪应力加大，从而增 大主拉应力。 因此，应该按三维进行分析。过去大跨径梁桥出现较多斜裂缝，重要原因之一可能
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日夜不断，部分活载也实际成了“恒载”，也会产生徐变挠度，导致下挠增大。 （七）梁体开裂，挠度加大 梁体在下挠的同时开裂，不论是斜裂缝或垂直裂缝，都会导致梁的刚度降低，会使 挠度加大，尤其在较严重的斜裂缝和垂直裂缝时。 跨中下挠的预防对策： （一）梁具有足够的正截面和斜截面强度 鉴于跨中下挠往往与垂直裂缝与斜裂缝一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足 够的正截面强度和斜截面强度是首要的。恒载内力一定要按结合实际施工步骤进行，以 防止负弯矩计算值偏小。计算中要充分考虑徐变的不利影响。 （二）设计中要控制梁的恒载挠度在一个较小值 在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的正常使用极限状态中，已规 定了活载作用下的梁桥挠度不得大于 L/600，但对恒载挠度未作规定，可能认为用预拱 度即可解决。从目前大跨径梁桥出现下挠的情况看，这是不够的，极有必要在正常使用 极限状态中，补充规定恒载挠度值，在设计中予以执行。此规定值可以从调查现有大跨 径梁桥的挠度着手，并从理论上分析下挠与开裂的关系而确定。在此恒载挠度下，梁仅 有少量下挠而不开裂。从目前的认识，施工过程梁的最大弹性下挠绝不应超过 L/3000， 而梁合拢以后的最大下挠（包括恒载的徐变下挠，部分活载的徐变下挠，以及二期恒载 的弹性下挠）绝不应超过 L/1400，而且在设计中应尽可能采用更小的值。名义徐变值要 按桥的具体情况计算，不要按一般概念都取用 2，而导致低估徐变挠度。 控制恒载挠度的方法，采用“零弯矩法”，使悬臂施工过程中施加预应力引起的弯矩 与梁段的自重弯矩相抵消，这样梁段就没有弹性挠度，梁的上下翼缘应力相等，所以也 不存在徐变下挠，仅有徐变的轴向变形。尽管随着时间的历程，还有因预应力徐变损失 而引起的弯矩和下挠，但其值很小。如果尽可能多的梁段都能实现“零弯矩法”配束，控 制梁的恒载挠度小于上述的推荐值，是完全可能的。 正像有些钢筋混凝土弯匝道桥，往往是由正常使用极限状态的裂缝宽度控制设计， 而不是由强度极限状态控制设计一样；在大跨径梁桥中，也有可能由正常使用极限状态 的恒载挠度控制设计，而不是由强度极限状态控制设计，其强度有富裕。预应力束是多 用了一些，但消除了隐患。 由于梁的正截面和斜截面强度得到保证，而且恒载挠度控制在一个较小值，不会同 时出现下挠与开裂。在这样的前提下，可以设一些预拱度，以消除预应力徐变损失以及 由混凝土徐变引起的徐变挠度，对线形进行调整。 （三）最终合拢主跨前，在两悬臂端施加水平力对顶，然后合拢。不仅有利于减小 跨中控制内力，也有利于减小跨中下挠。
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大跨径梁式桥的主要病害及其预防
楼庄鸿 王国亮 （交通部公路科学研究院）
内容提要：本文论述了预应力混凝土大跨径梁式桥的两大类主要病害，一是跨中下 挠，二是梁体开裂。文中对产生跨中下挠和斜裂缝的原因，进行了分析，并叙述了预防 对策。 关键词：梁式桥，跨中下挠，徐变，斜裂缝，垂直裂缝，预应力，主拉应力，弯 起束。 目前在我国大跨梁式桥，存在一些较常出现的病害。概括起来，有两大类，即： 一、跨中下挠；二、梁体开裂。 总的来说，跨径 80～100m 以下的梁桥，病害较少些；跨径 100～160m 的梁桥， 病害就多些；跨径 160m 以上的梁桥，病害就较重些。
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（四）要适当增加底板合拢束，并预留体外备用钢束，以便补救。 （五）严格施工控制，加强施工质量管理 严格控制线形，控制梁的自重，控制预应力张拉。 混凝土加载龄期， 主跨 200m 以上者应不少于 7d， 其它应不少于 5d； 采用真空压浆， 浆体必须满足泌水性的要求；重视并及早进行工地的预应力损失试验等。
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表1 桥 名 跨径（m） 62.5+3×245+62.5 黄石长江公路大桥 航道桥 江津长江大桥 三门峡黄河公路 大桥 广 东 南 海 金 沙 大 66+120+66 桥 广 东 丫 髻 沙 大 桥 86+160+86 副桥 台湾圆山大桥 风凌渡黄河大桥 挪 Stφvset 桥 帕劳 Koror -Bobelthuap 桥 英 Kingston 桥 美 Parrotts Ferry 桥 加 Grand-mere 181.4 62+143.3+62.5 99+195+99 75+150+2×142.5 +118+43 87+7×114+87 100+220+100 72+241+72 140+240+140 105+4×160+105
广 东 虎 门 大 桥 辅 150+270+150
跨径稍小的丫髻沙大桥副桥及三门峡黄河大桥也分别存在 23cm 及 22cm 的下挠， 折合跨径的 1/700 及 1/636。 跨中下挠的原因分析如下： （一）设计上缺乏主动控制梁桥恒载下挠值的意识 设计上非常重视施工各阶段的强度和应力验算，这是正确的，但对于施工各阶段控 制挠度的必要性认识不充分，认为可以通过施工控制，调整模板标高与设预拱度即可得 到解决，而没有有意识地去主动控制施工阶段下挠值。恒载下挠就可以达到一个相当大 的数值。 徐变下挠与恒载弹性下挠大体成正比。恒载弹性下挠越大，徐变下挠也就越大。设 预拱度是被动的，它可以抵消一部分下挠，但却丝毫不能减小徐变下挠总量。