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连续刚构桥梁主要病害原因分析及控制措施 |
| 时间：2013-10-8 13:22:42 来源： 点击：1581 |
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摘 要：我国已建成的大跨径连续刚构桥梁中，常出现的主要病害为跨中挠度过大、箱梁梁体混凝土开裂。本文通过对连续刚构桥梁跨中下挠及箱梁开裂的研究，分析了病害产生的原因，从设计和施工方面提出了控制措施。
关键词：连续刚构；桥梁；病害；原因分析；控制措施
连续刚构桥是一种介于连续梁桥和T型刚构桥之间的桥型，这种桥型的桥梁又称为墩梁固结的连续梁桥。目前连续刚构桥大多用于大跨度的薄壁高墩上，即把高墩看作一种摆动支承体系，从而降低墩的内力。由于其具有跨越能力大、整体性能好、抗震性能优、施工相对简单的特点，近年来得到了广泛的应用。通过调查，我国已建成的大跨径连续刚构桥梁中，常出现的主要病害为跨中挠度过大、箱梁梁体混凝土开裂。本文通过对连续刚构桥梁跨中下挠及箱梁开裂的研究，分析了病害产生的原因，从设计和施工方面提出了控制措施。
1 跨中挠度过大的原因分析及控制措施
1.1 跨中挠度过大的原因分析
跨中挠度过大是连续刚构桥梁常见的也是最主要的病害，即影响行车安全，又影响结构安全，主要由预应力损失、预拱度设置偏小、施工线性控制不准所引起。
预应力损失的主要原因有预应力筋与管道壁间的摩擦引起的应力损失；锚具变形、预应力筋回缩、接缝压缩引起的应力损失；弹性压缩引起的应力损失；预应力筋松弛引起的应力损失；混凝土收缩徐变引起的应力损失；预应力灌浆不饱满导致预应力筋锈蚀引起的应力损失。
预拱度设置偏小主要原因是计算预拱度时对其影响因素考虑不全，或在施工时对预拱度设置不准所引起。计算预拱度应考虑以下因素：挂篮的变形、箱梁的自重、预应力的大小、施工荷载、结构体系转换、混凝土收缩与徐变、日照与温度变化。
施工时桥梁线性控制不准主要是由施工测量控制点的布设、承台沉降的观测、箱梁轴线控制、箱梁高程控制、合拢段施工时的配重设置等方面控制不准所引起的。
1.2 跨中挠度过大的控制措施
1.2.1 预应力损失的控制措施
（1）预应力张拉前，应对不同类型的孔道进行至少一个孔道的摩阻测试，通过测试所确定的μ值和k值对设计张拉控制应力进行修正。预应力张拉时应先张拉至设计张拉力的10%作为初始应力，以消除预应力筋与管道壁间的摩擦、锚具变形、接缝压缩引起的应力损失。
（2）预应力张拉必须待混凝土立方体强度达到混凝土设计强度等级的85%后，且混凝土龄期不小于7天，保证混凝土弹性模量不低于混凝土28天弹性模量的80%后，方可张拉，以减少混凝土梁的弹性压缩引起的应力损失。
（3）宜采用真空辅助压浆工艺，并采用专用压浆料或专用压浆剂配置的浆液进行压浆，以保证压浆的饱满，防止因预应力灌浆不饱满导致预应力筋锈蚀引起的应力损失。
（4）增加底板预应力束,并采用分批张拉,部分底板预应力束可滞后1 年左右的时间,待混凝土完成一定的收缩、徐变后再张拉，或在中跨底板适当设置体外备用钢束,待需要时进行补张，是消除预应力筋松弛影响可行的方法。
1.2.2 预拱度的控制措施
预拱度控制即在悬浇施工阶段，根据箱梁结构计算和挂篮试压结果提供梁体各截面的最终挠度变化值（即竖向变形），设置施工预拱度，据此调整每块模板安装时的前端标高，以抵消梁段施工所产生的一系列挠度，施工完毕到达设计的位置。悬浇施工时预拱度影响到合拢的精度，应对每个节段设置预拱度。箱梁悬浇各节段立模标高应按以下公式计算：
Hi=H0+fi-fy+fg+fz
Hi ——待浇箱梁节段底板前端点处挂篮底板模板标高（张拉后）。
H0 ——该点设计标高。
Fi ——本施工段及以后浇筑的各段对该点挠度影响值。
fy ——本施工段顶板纵向预应力束张拉后对该点影响值。
fg ——挂篮变形对该施工段的影响值，挂篮设计和加载试压后得到。
fz ——由徐变、收缩、温度、结构体系转换、二期荷载、活载等影响产生的挠度计算值。
按计算出的模板标高立模后，分别测出混凝土灌注前后及张拉后的实际标高，与设置的预拱度进行比较，若有不符，可适当调整下一梁段立模标高，直至符合要求为止。
1.2.3 施工线性控制措施
桥梁悬浇施工中线形控制非常重要，只有控制好桥梁线性才能保证一个跨径内将要合拢的悬臂两端在同一水平线上，也才能使桥梁上部结构在经历施工、运营状态反复发生向上或向下形式挠度后,保证结构运营一段时间后达到设计所期望的标高线形。
（1）布设控制点
为了保证悬浇节段施工中线、高程的准确，确保全桥线形的平顺，应在 0﹟块施工时，在0﹟块顶面中心预埋钢板作为水平、中线控制点，并与两岸既有中线、高程点进行联测闭合。控制点要求稳定可靠并全桥皆由此控制点控制以保证控制的一贯性，减少测量误差。
（2）承台沉降观测
承台浇筑时应在承台四角埋设4个钢筋作观测点，悬浇施工中定期对四个点进行观测，比较前后差值，防止因承台沉降而影响箱梁预拱度的设置。
（3）箱梁轴线控制
利用0﹟块中心控制点和边墩上控制点对各悬浇节段的中线进行控制，每个悬浇节段完成后复核前面几个节段中心点的位移，复核无误后再放出待浇节段的中线，严密监测各节段中线变化情况。
（4）箱梁高程控制
利用0﹟块中心处水准点控制悬浇节段混凝土、模板高程，混凝土浇筑前在每节段端部中线和翼板边缘设置高程控制钢筋桩，钢筋下部支撑于底模上，顶部露出混凝土面10cm，作为混凝土浇筑时对箱梁顶面高程的控制，并在混凝土浇筑后、张拉后对高程进行复核以验证设计预拱度的设置。
（5）合拢段配重设置
为使合拢段混凝土浇筑过程中结构体系处于稳定状态，待刚性支撑支承锁定后预先在悬臂端施加配重，使合拢两端高差控制在规范允许范围内，每端配重相当于合拢段混凝土的重量的一半。浇筑混凝土时，每级卸下相应配重的重量移至0﹟段后再卸至桥下。
2 箱梁开裂的原因分析及控制措施
2.1 箱梁开裂的原因分析
箱梁裂缝主要表现为纵向裂缝、弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝和主拉应力裂缝，如箱梁竖向开裂、箱梁底板纵向开裂、箱梁腹板出现斜裂缝等。
（1）腹板斜裂缝的产生主要是由于箱梁桥支座附近剪应力过大，腹板抗剪能力不足，以及主拉应力方向抗裂安全储备考虑不充分等因素造成。对于箱梁桥腹板而言，抗剪能力主要是混凝土本身的抗剪能力、纵向弯起束预应力产生的正应力和竖向非预应力钢筋网三部分组成，前两者防止腹板开裂，后者控制腹板裂缝扩展且补偿纵向弯起束预应力空白区（即主拉应力控制的空白区）。竖向预应力由于预应力筋短，锚具预应力损失大，施工上具有一定的难度，因此，在主拉应力较大区，一旦竖向预应力损失过大，斜截面抗剪承载力将严重不足，从而导致腹板出现严重斜裂缝。
（2）底板的纵向裂缝产生主要原因：1）施工时底板预应力钢束保护层厚度设置偏小，采用的混凝土水泥用量偏多、水泥浆含量偏大，混凝土配合比使用早强剂，导致较大的收缩变形。2）在箱梁结构的内约束（包括底板截面的不均匀收缩和波纹管对混凝土收缩的约束）作用下，导致较大的混凝土收缩应力，超过了当时混凝土的抗拉强度，从而导致出现沿波纹管纵向的收缩裂缝。
（3）腹板水平裂缝主要产生原因：1）箱梁悬臂施工前后现浇节段混凝土收缩速度不一致，在现浇截面两侧，新浇筑混凝土收缩受已浇筑混凝土段的约束作用，导致较大的混凝土收缩应力，超过了当时混凝土的抗拉强度，从而导致出现垂直于浇接缝的水平收缩裂缝。2）竖向正应力产生的腹板水平裂缝，在荷载作用下箱梁桥的变形并不完全符合经典梁理论周边刚性假定，会出现截面畸变变形，产生竖向正应力而产生的裂缝。
2.2 箱梁开裂的控制措施
（1）合理选择箱梁下缘曲线
大跨径预应力混凝土连续刚构桥底板下缘线常采用半立方抛物线和二次抛物线。采用二次抛物线可使箱梁L/4～L/8段梁高减小，可以减小箱梁自重，但对克服该区域的主拉应力不利；采用半立方抛物线可使箱梁L/4～L/8段梁高增加，降低了该区域的主拉应力，但增加了箱梁自重。因此，大跨径连续刚构桥底板下缘曲线应综合采用半立方抛物线和二次抛物线。
（2）考虑剪力滞和箱梁畸变的影响
工程中常用的箱梁指薄壁箱型截面梁，而初等梁理论已不再适用于薄壁箱型梁。大跨径预应力混凝土连续刚构桥在对称纵向荷载作用下，截面将产生纵向翘曲变形，并且上下翼缘板横向不同位置产生纵向位移差，因此在设置预应力钢筋时应考虑翼缘板上下应力的不均匀性，否则会导致混凝土的开裂。所以在设计时应考虑剪力滞和箱梁畸变的影响，在中跨跨中及悬臂中部设置横隔板,提高箱梁畸变刚度,从而提高箱梁受力的整体性。
（3）适当增加箱梁底板厚度,并设置足够的防崩钢筋
由于受力和锚固的需要，底板预应力钢绞线在现浇段向顶板方向弯曲，且该处钢束曲线半径较小，钢束弯曲所产生的附加径向力使预应力管道下缘承受径向载荷的作用，底板因受过大的径向力而产生纵向开裂。因此应适当增加箱梁底板厚度,并设置足够的防崩钢筋以防止裂缝的产生。
（4）增加墩身柔性设计
应尽可能使混凝土连续刚构固结墩具有较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度。国内外连续刚构墩身形式多为双墙式薄壁柔性墩。双墙间保持一定距离, 既能削减梁体力矩的峰值, 又能构成较大的整体抗弯刚度。防止因墩柱的约束过大, 导致主梁开裂。
（5）控制合拢段混凝土配比和施工温度
合拢段应使用水灰比小的混凝土，为减少混凝土的收缩变形应掺加混凝土膨胀剂，在保证混凝土设计强度的前提下，要求早强。施工时加强施工管理，加强振捣，混凝土浇筑完应及时加强养护，防止发生收缩裂纹。
合拢段应在灌注混凝土前一周，对桥梁高程、轴线、桥长进行联测并观测这一周时间的气温数据，找出气温变化规律，确定一天中最低温度时间，恒温时间，升温时间，以便在低温及温度变化幅度小的时间内灌注混凝土。防止因温度变化产生过大的应力而开裂。
（6）控制裂缝发展的措施
为了约束箱梁裂缝的进一步发展, 加强对腹板混凝土的约束, 增强腹板抗剪承载能力和刚度, 可采取腹板内侧粘贴钢板的措施。采用环氧树脂或建筑结构胶将钢板、钢筋或玻璃钢等抗拉强度高的材料粘贴在钢筋混凝土受弯和受剪构件表面,并用对穿螺拴或种植钢筋固定, 使之与结构形成整体, 从而提高构件的抗剪能力, 约束裂缝的扩展。
3 结语
大跨径连续刚构桥梁的病害还有如墩顶0﹟梁段的开裂、桥墩墩身的开裂等，但主要的病害是桥梁的下挠和箱梁的开裂。往往箱梁的开裂与跨中的下挠有很大的联系，在以后的处治要增加很大的投入。
本文通过对大跨径连续刚构桥梁下挠和箱梁开裂的原因分析，从设计和施工两个方面提出的控制措施，能很大程度上减少连续刚构桥梁下挠和箱梁开裂的产生。
参考文献：
[1] 中华人民共和国交通部.JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.人民交通出版社，2005.
[2] 中华人民共和国交通部.JTG/T F50-2011 公路桥涵施工技术规范.人民交通出版社网址：http://www.cnkikbs.com，2011.
[3] 上官兴.大跨连续刚构的收缩、徐变问题及施工控制.云南，2004年全国公路桥梁学术会议论文. |
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