祁 长 林
(中铁三局集团第六工程有限公司，山西 晋中 030600)
预应力混凝土桥梁典型病害机理分析
祁 长 林
(中铁三局集团第六工程有限公司，山西 晋中 030600)
简述了大跨径预应力混凝土桥梁的典型病害类型，从预应力布置形式、温度、混凝土收缩徐变等方面，分析了桥梁裂缝以及下挠的主要原因，为控制桥梁病害的发生提供了依据。
混凝土桥梁，预应力，裂缝，挠度
预应力混凝土桥梁因具有较好的抗弯抗扭性、结构质量轻、刚度大等特点，在交通行业中得到广泛应用。但由于预应力混凝土桥梁的结构内部受力比较繁杂，长期使用过程中易出现开裂和挠曲变形[1]。因此，针对预应力混凝土桥梁病害的研究，已经成为现今国内外专家学者比较关注的重点研究领域之一。
1 大跨径预应力混凝土桥梁的典型病害
1.1 大跨径预应力混凝土桥梁结构裂缝现状
通过对预应力混凝土桥梁受力特性的分析，以及对桥梁结构裂缝出现位置和形式的调查显示，预应力混凝土桥梁的裂缝呈现出一定的规律性[2,3]：主要在箱梁顶、底板出现纵向裂缝和靠近边跨两端两侧腹板中部出现45°斜向裂缝，如图1，图2所示。
1.2 大跨径预应力混凝土桥梁长期下挠现状
预应力混凝土梁桥在使用过程中，结构的长期挠度大于设计计算时的预算值，并且随着使用时间的增长挠度逐渐增大，导致预应力混凝土梁桥的另一显著病害的发生，即跨中持续下挠[4]，跨径与下挠年平均速率关系如表1所示。
表1 跨径与下挠年平均速率的关系
跨径L/m下挠的年平均速率f/mm·年-1L=100～160f=5～10L=160～220f=10～20L=220～270f=20～30
2 诱发大跨径预应力混凝土桥梁裂缝的分析
预应力混凝土梁桥的裂缝形成因素较为复杂。在影响裂缝形成因素中，某一单一因素不一定是引起裂缝的主要因素。但是由于各种因素结合起来，就会导致箱梁裂缝，这就加大了分析大跨径预应力混凝土梁桥裂缝形成原因的难度。笔者总结了易引发裂缝产生的因素，有如下几点。
2.1 预应力的损失及布置形式
预应力混凝土梁桥中的应力主要由纵向预应力、竖向预应力以及由预应力引起的应力组成。当仅有纵向预应力钢束时，由于方向为水平的预应力引起的应力和荷载引起的法向应力共同作用，保证正截面混凝土拉应力不超限，可以避免出现弯曲裂缝；当存在竖向预应力和弯曲预应力钢束时，由于方向为倾斜的预应力引起的应力、荷载引起的法向应力和剪应力三者共同作用，可以避免产生斜裂缝。竖向预应力由于其构造原因，预应力损失较大；混凝土收缩徐变特性、钢束自身的松弛特性和施工不当使纵向预应力损失过大。实际钢束的预应力损失较设计计算偏大，结构中的由预应力引起的应力偏小，使(主)拉应力超限而产生裂缝。
在配筋计算中，为了减少摩阻损失，且对建立纵向有效预应力有利，剪应力需要配置密排竖向预应力束克服。针对于这一问题，往往采用在竖向配直线束的布设形式进行处理。但由于竖向直线束较短，很难建立起有效地预应力，且建立值和设计值相差较大。因此，预应力在组合时会出现应力空白区，这是导致裂缝产生的原因之一。
2.2 温度及箱梁空间效应考虑不足
大跨径预应力混凝土箱梁中的横向温差是引起顶底板产生横向拉力的主要原因。因此，在设计中应该充分考虑温度荷载效应。
此外，箱梁的空间效应对力学性能的影响较大，由于剪力滞效应，箱梁腹板上下缘的平均应力远大于纵向拉应力，会产生横向裂缝。在变截面箱梁中，由于底板横向配筋不足，也会导致纵向裂缝的产生，裂缝位置常出现在底板横向跨中下缘。
2.3 其他原因
除上述诱发裂缝产生的原因以外，建筑材料的质量、施工过程中的质量控制和使用过程中的超载问题等因素也是引起裂缝产生的原因。
3 诱发大跨径预应力混凝土桥梁下挠的分析
3.1 预应力
对预应力混凝土梁桥挠度影响较大的因素主要有预应力的布置形式、有效预应力的大小和时间效应。在设计过程中，应注重预应力布束对桥梁下挠的影响。但是，目前只从施工和正常状态下结构应力考虑是否合理进行布束，而没有综合可变荷载进行分析。在对悬臂状态挠度的控制时，主要是采用在箱梁顶板设悬浇束的布束方式进行处理，以减少混凝土收缩徐变对结构长期挠度的影响。此外，影响大跨径混凝土梁桥下挠的另一个主要因素就是梁桥的使用时间，即随着使用时间的增长与有效预应力成反比。
3.2 混凝土收缩徐变
预应力混凝土桥梁在使用过程中，受混凝土组成材料和性质的收缩变异性较大等内因的影响，使得混凝土的收缩量难以确定，导致预应力混凝土桥梁的长期挠度难以预测。混凝土的外加剂、施工方法和张拉龄期等外因同样影响着混凝土的收缩徐变，难预测其完成时间，从而又加大了分析预应力混凝土梁桥下挠的难度。
3.3 桥梁设计计算方面的不足
目前在桥梁设计计算中，杆系程序与实际有较多的差异。尤其是大跨径预应力混凝土桥梁中混凝土的收缩徐变与结构的长期性能的计算存在较多的问题。混凝土箱梁在计算过程中应考虑腹板竖向应力的配筋问题，设计过程中应与其他类型桥梁设计理念相结合。
此外，在设计计算过程中，对温度条件、有效预应力的时变性、各板件之间的收缩差等因素欠考虑。因此寻求到较为合理准确的设计计算方法的重要性尤为显著。
3.4 施工方法
大跨径预应力混凝土梁桥常采用悬臂现浇法进行施工。该方法对梁桥下挠的影响是竖向接缝的质量问题和混凝土超方的问题。而在梁桥设计过程中，只是按照无接缝的理念计算的，没有考虑竖向接缝对于梁桥结构的影响，使得竖向接缝出现很多的质量问题，造成理论与实际的偏差。当采用整体浇筑时，混凝土由剪切徐变引起的挠度变化可以不计。但当采用分段浇筑时，在不良竖向接缝处剪切变形较大，在后续使用过程中产生的剪切徐变较大，这种不良接缝引起的挠度增量不可忽略。
4 结语
通过对预应力混凝土桥梁典型病害的理论和技术研究，找出主梁出现开裂和长期下挠的原因，即：在设计计算过程中，设计方法不完善，认识不够全面；在施工过程中，施工工艺和质量有缺陷；在使用过程中，没有综合分析引起病害产生的原因，直接使用某一施工方法，从而导致病害的加剧。为选择适宜的大跨径预应力混凝土梁桥的加固方法做出了前期理论研究。
[1] 王国亮，谢 峻，傅守方.在用大跨度预应力混凝土箱梁桥裂缝调查研究[J].公路交通科技,2008，25(8)：52-56.
[2] 徐 栋.桥梁体外预应力设计技术[M].北京：人民交通出版社,2008.
[3] 钟新谷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝防治与研究[J].铁道学报与工程学报,2006(3):7-14.
[4] 柳 磊.大跨径预应力混凝土箱梁桥开裂与下挠成因分析[D].上海：同济大学硕士论文,2009.
Typical disease mechanism of prestressed concrete bridge
Qi Changlin
(The Six Co., Ltd of the Copyright by China Railway No.3 Group, Jinzhong 030600, China)
The paper briefly describes typical diseases types of large-span prestressed concrete bridge, and analyzes major bridge cracking and deflection causes from aspects of prestress layout forms, temperature and concrete shrinkage, which has provided some guidance for controlling bridge diseases.
concrete bridge, prestress, crack, deflection
1009-6825(2016)12-0140-02
2016-02-19
祁长林(1982- )，男，工程师
U445.7
A
