大跨徑梁式橋的主要病害
2012-01-30 來源：交通部公路科學研究所
目前在我國大跨梁式橋，存在一些較常出現(xiàn)的病害。概括起來，有兩大類，即：一、跨中下?lián)?；二、梁體開裂。
總的來說，跨徑80~100m以下的梁橋，病害較少些；跨徑100~160m的梁橋，病害就多些；跨徑160m以上的梁橋，病害就較重些。
一、大跨徑梁式橋的跨中下?lián)?br />
是一個較普遍的現(xiàn)象。尤其是一些大跨徑梁式橋，跨中下?lián)吓c梁體跨中段垂直裂縫或大量斜裂縫伴隨出現(xiàn)，其下?lián)峡蛇_到相當大的數(shù)值，病害較嚴重。
黃石長江公路大橋跨中下?lián)?，最大已達到33.5cm，折合跨徑的1/729，當然同時出現(xiàn)大量的主拉應力斜裂縫與跨中區(qū)段垂直裂縫。
根據(jù)已發(fā)表的資料，虎門大橋輔航道橋跨中下?lián)?，最大已達到22cm，折合跨徑的1/1227，與此同時跨中存在一些垂直裂縫，及主拉應力斜裂縫。此下?lián)现狄堰h遠超過原設計預留值10cm。最近由于垂直裂縫的發(fā)展，下?lián)现涤衷龃蟮?6cm，折合跨徑的1/1038。
跨中下?lián)系脑蚍治鋈缦拢?br />
（一）對混凝土徐變的嚴重性和長期性，認識不足。
混凝土徐變，是梁橋下?lián)现匾蛑?。大跨徑梁橋的恒載內(nèi)力，占總內(nèi)力的80%、甚至90%以上。為減小恒載內(nèi)力，必然要走輕型化的道路。由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》可知，混凝土構(gòu)件的理論厚度越小，徐變系數(shù)越大。梁的箱形板件越薄，理論厚度就小，就有較大的徐變系數(shù)。
一些大跨徑梁橋，例如虎門大橋輔航道橋，歷時5年以后，下?lián)先栽诶^續(xù)。
（二）設計上缺乏主動控制梁橋恒載下?lián)现档囊庾R
設計上非常重視施工各階段的強度和應力驗算，這是正確的，但對于施工各階段控制撓度的重要性認識不充分，認為可以通過施工控制，調(diào)整模板標高與設預拱度即可得到解決，而沒有有意識地去主動控制施工階段下?lián)现怠：爿d下?lián)暇涂梢赃_到一個相當大的數(shù)值。
徐變下?lián)吓c恒載彈性下?lián)洗篌w成正比。恒載彈性下?lián)显酱螅熳兿聯(lián)弦簿驮酱?。設預拱度是被動的，它可以抵消一部分下?lián)?，但卻絲毫不能減小徐變下?lián)峡偭俊?br />
（三）片面強調(diào)縮短施工周期
施工單位往往希望縮短施工周期，再加上過去一些設計圖紙上往往僅標明，混凝土強度達到設計要求強度的多大百分比后，即可張拉預應力，而沒有對混凝土的加載齡期提出要求。
過早加載，可能引起兩個后果：
1、早期混凝土彈性模量的增長滯后于強度的增長，混凝土雖達到規(guī)定強度要求，但混凝土彈性模量往往僅達到設計值的70%甚至還小些。因此在預應力彎矩不能完全抵消自重彎矩時，會使施工階段彈性下?lián)现翟龃蟆?br />
2、早期加載，使混凝土徐變增大。由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中的混凝土徐變系數(shù)終極值可見，3天加載與7天加載比較，徐變系數(shù)終極值增加15%，甚至20%。過早加載會不僅使預應力的徐變損失加大，而且使徐變撓度增大。
由于預應力的徐變損失是隨時間而逐步完成的，因此梁橋在建成后，總還有因預應力徐變損失而導致的恒載撓度的存在。
（四）部分活載也會產(chǎn)生徐變撓度
過去，徐變撓度只對恒載而言?，F(xiàn)在情況不同了，在繁忙交通的路段上，橋上車流日夜不斷，部分活載也實際成了“恒載”，也會產(chǎn)生徐變撓度，導致下?lián)显龃蟆?br />
（五）施工質(zhì)量上也還存在一些缺陷
1、有的工地上，對進行預應力損失試驗重視不夠，沒認真去做?，F(xiàn)在確實有些試驗表明，預應力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預應力損失，比設計采用值大很多，甚至差幾倍。如果忽視這點，就無法在施工中進行調(diào)整，這樣就會導致有效預應力不足，下?lián)显龃蟆?br />
2、預應力管道的壓漿，存在不飽滿有空隙，或者漿體離析的現(xiàn)象。漿體離析，往往使上凸的底板預應力束的跨中部分泡在水中，易銹蝕而減小有效面積，導致有效預應力不足。一些舊橋加固的實踐也表明，管道中流出的是帶鐵銹的黃水。
這兩點以及上面分析的預應力鋼筋預應力徐變損失的加大，都不但會增大梁跨中的下?lián)希铱赡軐е铝赫孛鎻姸鹊牟蛔愣霈F(xiàn)垂直裂縫。
（六）梁體開裂，撓度加大
梁體在下?lián)系耐瑫r開裂，不論是斜裂縫或垂直裂縫，都會導致梁的剛度降低，會使撓度加大，尤其在較嚴重的斜裂縫和垂直裂縫時。
跨中下?lián)系念A防對策：
（一）梁有足夠的正截面和斜截面強度
鑒于跨中下?lián)贤c垂直裂縫與斜裂縫一起發(fā)生，相互促進惡化，因此保證梁有足夠的正截面強度和斜截面強度是首要的。恒載內(nèi)力一定要按結(jié)合實際施工步驟進行，以防止負彎矩計算值偏小。計算中要充分考慮徐變的不利影響。
（二）設計中要控制梁的恒載撓度在一個較小值。
在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》的正常使用極限狀態(tài)中，規(guī)定了活載作用下的梁橋撓度不得大于L/600，而對恒載撓度未作規(guī)定，認為用預拱度即可解決。從目前大跨徑梁橋出現(xiàn)下?lián)系那闆r看，這是不夠的，極有必要在正常使用極限狀態(tài)中，補充規(guī)定恒載撓度值，在設計中予以執(zhí)行。此規(guī)定值可以從調(diào)查現(xiàn)有大跨徑梁橋的撓度著手，并從理論上分析下?lián)吓c開裂的關系而確定。在此恒載撓度下，梁僅有下?lián)隙婚_裂。從目前的認識，可暫按L/1400考慮。徐變終極值要按橋的具體情況計算，不要按一般概念都取用2，而導致低估徐變撓度。
正像有些鋼筋混凝土彎匝道橋，往往是由正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度控制設計，而不是由強度極限狀態(tài)控制設計一樣；在大跨徑梁橋中，也有可能由正常使用極限狀態(tài)的恒載撓度控制設計，而不是由強度極限狀態(tài)控制設計，其強度有富裕。為了控制撓度，可適當增加預應力鋼筋。在梁根部區(qū)段，可使懸臂節(jié)段的自重完全由預應力抵消。在跨中區(qū)段，必要時也可采取其他措施，來減小梁的彈性撓度[3]。
由于梁的正截面和斜截面強度得到保證，而且恒載撓度控制在一個較小值，不會同時出現(xiàn)下?lián)吓c開裂。在這樣的前提下，可以設一些預拱度，以消除預應力徐變損失以及由混凝土徐變引起的徐變撓度對線形進行調(diào)整。
（三）最終合攏主跨前，在兩懸臂端施加水平力對頂，然后合攏。不僅有利于減小跨中控制內(nèi)力，也有利于減小跨中下?lián)稀?br />
（四）要適當增加底板合攏束，并預留體外備用鋼束。
（五）加強施工質(zhì)量管理
混凝土加載齡期至少應在7天以上，采用真空壓漿，漿體必須滿足泌水性的要求，重視并及早進行工地的預應力損失試驗等。
二、梁體開裂
包括梁上出現(xiàn)垂直裂縫、斜裂縫、縱向裂縫、混凝土劈裂、橫隔板裂縫以及齒板裂縫等。下面只討論前三種裂縫。
（一）主拉應力斜裂縫
是出現(xiàn)最多的梁體裂縫。往往首先發(fā)生在剪應力最大的支座附近，與梁軸線呈25°~50°開裂，并隨時間的推移，不斷向受壓區(qū)發(fā)展。裂縫數(shù)也會增加，裂縫區(qū)向跨中方向發(fā)展。
斜裂縫的另一個特征是箱內(nèi)腹板斜裂縫要比箱外腹板斜裂縫嚴重。這已為一些大跨徑梁橋的檢查結(jié)果所證實。
斜裂縫的寬度如在0.2mm以下，而且其長度、寬度和數(shù)量已趨穩(wěn)定，不再發(fā)展，那么這類裂縫基本屬于無害裂縫，不需加固，但要注意觀察，要封閉。而實際上大跨徑梁橋上往往存在寬度較大、且不斷發(fā)展的嚴重斜裂縫，已反映出梁的斜截面強度不足。
在設計中，對于梁的主拉應力都進行驗算，并通過。但在實踐中，這類裂縫還是大量出現(xiàn)，已成為一種主要病害。
出現(xiàn)斜裂縫的原因分析如下：
1、取消彎起束
從上世紀90年代開始的一段時期內(nèi)，在箱梁橋的設計中，較普遍地取消彎起束，而用縱向預應力和豎向預應力來克服主拉應力的設計方案。這樣做法方便施工，可以減薄腹板的厚度。但豎向預應力筋長度短，預應力損失大，有效預應力不易得到保證，經(jīng)過幾年的實踐，帶來的是斜裂縫大量出現(xiàn)的教訓。首先在某橋上取消了梁端的彎起束，引起梁端部大量嚴重的斜裂縫出現(xiàn)，使人們認識到梁端必須設彎起束。后來在很多梁橋的主墩附近梁體上也大量出現(xiàn)斜裂縫，從而認識到取消彎起束是不妥當?shù)?，于是重新回到設彎起束的正確軌道上來。但為此已付出了一定的代價。
2、作為平面問題分析，主拉應力偏小
現(xiàn)在設計中通常僅從縱向和豎向二維來分析主拉應力，
即 ，但還不夠，沒有考慮橫向的影響。
箱梁中橫向應力是不小的。由于箱底板的自重以及上翼緣的懸臂，腹板內(nèi)側(cè)受到橫向拉應力，這就是箱內(nèi)腹板斜裂縫比箱外腹板嚴重的原因。除此以外，活載、溫度梯度都會使箱承受橫向應力。張拉底板束引起的徑向力會在某些范圍內(nèi)產(chǎn)生腹板豎向拉應力。不考慮橫向應力的影響，必然使計算的主拉應力值偏小。正如《蘇通大橋副橋連續(xù)剛構(gòu)設計》一文所說，“經(jīng)計算分析，箱梁的橫向荷載對腹板產(chǎn)生的效應很大。……考慮此項效應的主拉應力將遠超出規(guī)范允許值。”[4]
此外，由于采用箱形截面，扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變也會使腹板中的剪應力加大，從而增大主拉應力。
因此，應該按三維進行分析。過去大跨徑梁橋出現(xiàn)較多斜裂縫，重要原因之一可能與設計上對主拉應力估計不足有關。
3、腹板特別是根部區(qū)段腹板偏薄，配置普通鋼筋偏少。
4、豎向預應力施工操作不規(guī)范，有效預應力嚴重不足，有的豎向預應力筋甚至松動，根本沒有張拉力。
5、個別橋梁施工質(zhì)量差，懸臂施工盲目搶時間，在混凝土初凝時間小于節(jié)段澆筑時間的情況下，既不對掛籃壓重，又自內(nèi)向外澆筑混凝土，導致掛籃下?lián)?，?jié)段界面上緣開裂，其寬度以mm計。造成新橋即需壓漿修補裂縫，在通車后不久出現(xiàn)嚴重斜裂縫。按現(xiàn)有裂縫驗算，剪應力增大5~8倍，導致主拉應力的成倍增長，因而出現(xiàn)斜裂縫。這種缺乏基本常識的低級錯誤，決不應該再犯了。
預防對策是：
1、保證有足夠的斜截面強度。
2、采用三維分析箱梁的主拉應力，不要漏項。
3、必須配置彎起束，同時也應配置豎向預應力束。必須充分考慮預應力損失。對豎向預應力束，應采用二次或多次張拉，確保其有效預應力。
4、適當增加腹板特別是根部區(qū)段腹板的厚度及其普通鋼筋含量，加密箍筋，加粗加密梁高范圍縱向水平鋼筋。
（二）、縱向裂縫
縱向裂縫是與橋軸方向平行的裂縫，較多地出現(xiàn)在頂?shù)装澹彩浅霈F(xiàn)很多的一種裂縫。除因未設橫向預應力而在頂板下緣出現(xiàn)規(guī)范允許寬度的縱向裂縫外，還存在下列原因：
1、超載
在大跨徑橋梁中，超載特別是超重車軸荷載的作用，對橫向的影響比縱向更大，這是因為縱向彎矩中，自重占絕大部分；而橫向彎矩，主要受活載的影響，軸重超過規(guī)范時，很易出現(xiàn)頂板下緣的縱向裂縫。
2、施加過大的縱向預應力
全預應力結(jié)構(gòu)設計中，留有一定的壓應力儲備，以克服簡化圖式與實際的不一致，以及局部應力等的影響，是必要的。一般可留2~3MPa。但有的設計人員誤認為壓力儲備留得越大就越安全。某橋跨徑154m，所施加的預應力在克服恒載以后，壓應力竟達15MPa。這樣既過多浪費了鋼束，又會導致縱向裂縫的產(chǎn)生。
構(gòu)件在承受軸向力時，軸向長度因彈性壓縮而縮短，而與其垂直方向?qū)⒁虿牧系牟此杀榷a(chǎn)生拉應變。如果正應力儲備過大，會在其垂直方向發(fā)生較大的拉應變，在最薄弱的截面，往往在沿預應力管道的面上出現(xiàn)縱向裂縫。這種裂縫沿順橋向的預應力管道發(fā)展，流下的水沿管流動，造成銹蝕的危害比垂直裂縫還大。
3、溫差應力估計過小
我國過去的橋梁設計規(guī)范中，對溫差應力，僅規(guī)定了翼緣與梁體的其他部位有5℃的溫差。這樣的溫差偏小，不安全。根據(jù)國內(nèi)外的研究，對于箱梁，溫差應力可以接近甚至達到活載的應力。英國、新西蘭規(guī)范規(guī)定的溫度梯度，比我國大很多。這也是出現(xiàn)縱向裂縫的原因之一。
現(xiàn)行《公路橋涵通用設計規(guī)范》中已規(guī)定了比過去大得多的溫度梯度。這個問題可望得到解決。
4、收縮引起的裂縫
雙壁墩身建成后相當長時間，才建墩上梁的0號塊。由于墩身橫向收縮已大部分完成，而0號塊橫向收縮受到墩身約束，導致底板中部出現(xiàn)裂縫。
在0號塊建成后相當長時間，再建1號塊，也會因收縮差而出現(xiàn)縱向裂縫。
因此，節(jié)段澆筑時間間隔不要過長，截面配筋要考慮收縮影響。
5、支座布置的影響
大跨徑連續(xù)梁，支座中心與腹板中心有一定的橫向間距。支座反力由腹板傳至墩頂。某橋為150m連續(xù)梁，支座中心距箱梁外緣1.25m，每支座最大反力34000kN，支座與腹板中線間距90cm。采用空間分析，頂板中部上緣A點會出現(xiàn)4.9MPa拉應力。于是采取了措施，在墩上0號塊箱梁上端施加橫向預應力，此力比一般的橫向預應力要大，并根據(jù)各施工階段反力的大小，分級施加。如不采取此措施，頂板上緣肯定出現(xiàn)裂縫。
6、支座形式
墩上正確的橫向支座布置，應該是一個固定，一個滑動，才可避免因溫度、收縮或活載作用時出現(xiàn)縱向裂縫?，F(xiàn)在有的設計，很注意縱向支座的固定或滑動類型，這是正確的；但有時不注意橫向，往往把橫向兩個支座都布置成固定的，在荷載、溫度、收縮的作用下很容易導致開裂。
7、由于頂板較薄，要布置橫向預應力束和普通鋼筋，預應力筋的位置較難精確控制，一旦偏差較大，易在頂板下緣出現(xiàn)縱向裂縫。
8、在箱梁自重下腹板內(nèi)側(cè)有橫向拉應力，與其他作用等組合，當配筋不足時會在腹板發(fā)生縱向裂縫。
9、變截面箱梁的底板由于施加預應力而產(chǎn)生徑向力，當?shù)装鍣M向配筋不足，會在底板橫向跨中下緣及橫向兩側(cè)底板加腋開始的上緣，出現(xiàn)縱向裂縫。
10、水化熱導致開裂
這種現(xiàn)象往往出現(xiàn)在懸澆施工底板較厚的梁根部，尤其在天氣較冷時，拆模后即發(fā)現(xiàn)底板下緣存在縱向裂縫。
這種裂縫是在結(jié)構(gòu)上沒有任何荷載的情況下產(chǎn)生的。其原因是由于溫差引起的應力（自平衡應力）高于緩慢提高的混凝土抗拉強度而產(chǎn)生。由于底板較厚，混凝土硬化期間產(chǎn)生水化熱，在板厚中部溫度最高，而兩側(cè)接觸空氣的部分稍低，尤以接觸外界空氣的板底溫度最低。由于平面變形，就產(chǎn)生了自平衡應力，板外緣受拉，中部受壓，當拉應力大于該時混凝土的抗拉強度時，就可能引起開裂，出現(xiàn)底板下緣的縱縫。但這種裂縫，往往限于混凝土表面，有害影響相對較小，可不處理或加以壓漿封閉即可。
（三）垂直裂縫
在大跨徑梁橋的設計中，通常采用全預應力設計。無論是全預應力或部分預應力A類構(gòu)件，都不應該出現(xiàn)垂直裂縫。出現(xiàn)垂直裂縫，反映了正截面強度的不足。
出現(xiàn)垂直裂縫的原因及預防對策，已在分析梁體下?lián)现杏懻撨^，這里簡述如下：
1、有效預應力不足
過早加載，預應力徐變損失大。
沿管道預應力損失偏大。
底板預應力筋因管道壓漿不飽滿和漿體離析而銹蝕。
2、對剪力滯影響考慮不夠
3、梁體下?lián)线^大以及斜裂縫過寬過多的影響，促使垂直裂縫出現(xiàn)。
