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?偟膩碚f,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)鲜且粋(gè)較普遍的現(xiàn)象。尤其是一些大跨徑梁式橋,跨中下?lián)吓c梁體跨中區(qū)段垂直裂縫或大量斜裂縫伴隨出現(xiàn),其下?lián)峡蛇_(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值,病害較嚴(yán)重。

  表1 列出了國內(nèi)外一些剛構(gòu)橋的跨中下?lián)现,可見國?nèi)外都存在這類病害,其中帶鉸剛構(gòu)下?lián)细,甚至可超過1m。帶鉸剛構(gòu)橋已趨向不用。

  至于連續(xù)剛構(gòu),也存在跨中下?lián)犀F(xiàn)象:

  黃石長江公路大橋跨中下?lián),最大已達(dá)到33.5cm,折合跨徑的1/729,當(dāng)然同時(shí)出現(xiàn)大量的主拉應(yīng)力斜裂縫與跨中區(qū)段垂直裂縫。

  江津長江大橋跨中下?lián)?1.7cm,折合跨徑的1/757。同時(shí)出現(xiàn)多條主拉應(yīng)力斜裂縫和跨中合攏段沿橋?qū)挿较虻牧芽p。

  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(dá)到22cm,折合跨徑的1/1227,與此同時(shí)跨中存在一些垂直裂縫及少量的主拉應(yīng)力斜裂縫。此下?lián)现狄堰h(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)預(yù)留值10cm。最近主要由于恒載超重引起垂直裂縫的發(fā)展,下?lián)现涤衷龃蟮?6cm,折合跨徑的1/1038。

  表1 梁橋的跨中下?lián)?/p>

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    跨徑稍小的丫髻沙大橋副橋及三門峽黃河大橋也分別存在23cm 及22cm 的下?lián)希酆峡鐝降?/700 及1/636。

  跨中下?lián)系脑蚍治鋈缦拢?/p>

  (一)設(shè)計(jì)上缺乏主動(dòng)控制梁橋恒載下?lián)现档囊庾R(shí)

  設(shè)計(jì)上非常重視施工各階段的強(qiáng)度和應(yīng)力驗(yàn)算,這是正確的,但對(duì)于施工各階段控制撓度的必要性認(rèn)識(shí)不充分,認(rèn)為可以通過施工控制,調(diào)整模板標(biāo)高與設(shè)預(yù)拱度即可得到解決,而沒有有意識(shí)地去主動(dòng)控制施工階段下?lián)现。恒載下?lián)暇涂梢赃_(dá)到一個(gè)相當(dāng)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,徐變下(lián)弦簿驮酱蟆TO(shè)預(yù)拱度是被動(dòng)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?/p>

  (二)對(duì)混凝土徐變的嚴(yán)重性和長期性,認(rèn)識(shí)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(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)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)。在具有較大彈性下?lián)系那闆r下,徐變撓度很大。

  一些大跨徑梁橋,往往歷時(shí)5 年以后,下?lián)先栽诶^續(xù)。

  (三)片面強(qiáng)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(shè)計(jì)圖紙上往往僅標(biāo)明混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度的多大百分比后,即可張拉預(yù)應(yīng)力,而沒有對(duì)混凝土的加載齡期提出要求。

  過早加載,可能引起兩個(gè)后果:

  1、早期混凝土彈性模量的增長滯后于強(qiáng)度的增長,混凝土雖達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度要求,但混凝土彈性模量往往僅達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%甚至還小些。因此在預(yù)應(yīng)力彎矩不能完全抵消自重彎矩時(shí),會(huì)使施工階段彈性下?lián)现翟龃蟆?/p>

  2、早期加載,使混凝土徐變增大。由《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的混凝土名義徐變系數(shù)值可見,3 天加載與7 天加載比較,名義徐變系數(shù)值增加15%,甚至20%。過早加載會(huì)不僅使預(yù)應(yīng)力的徐變損失加大,而且使徐變撓度增大。

 。ㄋ模╊A(yù)應(yīng)力損失大大超過設(shè)計(jì)計(jì)算值,有效預(yù)應(yīng)力不足。

  1、有的工地上,對(duì)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)重視不夠,沒認(rèn)真去做。現(xiàn)在確實(shí)有些試驗(yàn)表明,預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失,比設(shè)計(jì)采用值大很多,甚至差幾倍。如果忽視這點(diǎn),就無法在施工中進(jìn)行調(diào)整,這樣就會(huì)導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不足,下?lián)显龃蟆?/p>

  2、預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力束的跨中部分泡在水中,易銹蝕而減小有效面積,導(dǎo)致有效預(yù)應(yīng)力不足。一些舊橋加固的實(shí)踐也表明,管道中流出的是帶鐵銹的黃水。

  這兩點(diǎn)以及上面分析的預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)應(yīng)力徐變損失的加大,都不但會(huì)增大梁跨中的下?lián),而且可能?dǎo)致梁正截面強(qiáng)度的不足而出現(xiàn)垂直裂縫。這也是下?lián)现匾蛑弧?/p>

 。ㄎ澹┝后w自重超過設(shè)計(jì)

  不但引起撓度的增大,而且還可能引起梁體彎曲開裂,剛度減小,而進(jìn)一步增大撓度。

 。┎糠只钶d也會(huì)產(chǎn)生徐變撓度

  過去,徐變撓度只對(duì)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(shí)際成了“恒載”,也會(huì)產(chǎn)生徐變撓度,導(dǎo)致下?lián)显龃蟆?/p>

 。ㄆ撸┝后w開裂,撓度加大

  梁體在下?lián)系耐瑫r(shí)開裂,不論是斜裂縫或垂直裂縫,都會(huì)導(dǎo)致梁的剛度降低,會(huì)使撓度加大,尤其在較嚴(yán)重的斜裂縫和垂直裂縫時(shí)。

  跨中下?lián)系念A(yù)防對(duì)策:

  (一)梁具有足夠的正截面和斜截面強(qiáng)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(jìn)惡化,因此保證梁有足夠的正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度是首要的。恒載內(nèi)力一定要按結(jié)合實(shí)際施工步驟進(jìn)行,以防止負(fù)彎矩計(jì)算值偏小。計(jì)算中要充分考慮徐變的不利影響。

 。ǘ┰O(shè)計(jì)中要控制梁的恒載撓度在一個(gè)較小值

  在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的正常使用極限狀態(tài)中,已規(guī)定了活載作用下的梁橋撓度不得大于L/600,但對(duì)恒載撓度未作規(guī)定,可能認(rèn)為用預(yù)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(bǔ)充規(guī)定恒載撓度值,在設(shè)計(jì)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(guān)系而確定。在此恒載撓度下,梁僅有少量下?lián)隙婚_裂。從目前的認(rèn)識(shí),施工過程梁的最大彈性下?lián)辖^不應(yīng)超過L/3000,而梁合攏以后的最大下?lián)希òê爿d的徐變下?lián),部分活載的徐變下?lián),以及二期恒載的彈性下?lián)希┙^不應(yīng)超過L/1400,而且在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能采用更小的值。名義徐變值要按橋的具體情況計(jì)算,不要按一般概念都取用2,而導(dǎo)致低估徐變撓度。

  控制恒載撓度的方法,采用“零彎矩法”,使懸臂施工過程中施加預(yù)應(yīng)力引起的彎矩與梁段的自重彎矩相抵消,這樣梁段就沒有彈性撓度,梁的上下翼緣應(yīng)力相等,所以也不存在徐變下?lián)希瑑H有徐變的軸向變形。盡管隨著時(shí)間的歷程,還有因預(yù)應(yīng)力徐變損失而引起的彎矩和下?lián)希渲岛苄。如果盡可能多的梁段都能實(shí)現(xiàn)“零彎矩法”配束,控制梁的恒載撓度小于上述的推薦值,是完全可能的。

  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(shè)計(jì),而不是由強(qiáng)度極限狀態(tài)控制設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),而不是由強(qiáng)度極限狀態(tài)控制設(shè)計(jì),其強(qiáng)度有富裕。預(yù)應(yīng)力束是多用了一些,但消除了隱患。

  由于梁的正截面和斜截面強(qiáng)度得到保證,而且恒載撓度控制在一個(gè)較小值,不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)下?lián)吓c開裂。在這樣的前提下,可以設(shè)一些預(yù)拱度,以消除預(yù)應(yīng)力徐變損失以及由混凝土徐變引起的徐變撓度,對(duì)線形進(jìn)行調(diào)整。

 。ㄈ┳罱K合攏主跨前,在兩懸臂端施加水平力對(duì)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?/p>

  (四)要適當(dāng)增加底板合攏束,并預(yù)留體外備用鋼束,以便補(bǔ)救。

 。ㄎ澹﹪(yán)格施工控制,加強(qiáng)施工質(zhì)量管理嚴(yán)格控制線形,控制梁的自重,控制預(yù)應(yīng)力張拉。

  混凝土加載齡期,主跨200m 以上者應(yīng)不少于7d,其它應(yīng)不少于5d;采用真空壓漿,漿體必須滿足泌水性的要求;重視并及早進(jìn)行工地的預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)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。下面只討論出現(xiàn)最多的主拉應(yīng)力斜裂縫。

  斜裂縫往往首先發(fā)生在剪應(yīng)力最大的支座附近,與梁軸線呈25°~50°開裂,并隨時(shí)間的推移,不斷向受壓區(qū)發(fā)展。裂縫數(shù)也會(huì)增加,裂縫區(qū)向跨中方向發(fā)展。

  斜裂縫的一個(gè)顯著特征是箱內(nèi)腹板斜裂縫要比箱外腹板斜裂縫嚴(yán)重。這已為一些大跨徑梁橋的檢查結(jié)果所證實(shí)。

  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(shí)際上大跨徑梁橋上往往存在寬度較大、且不斷發(fā)展的嚴(yán)重斜裂縫,已反映出梁的斜截面強(qiáng)度不足。

  在設(shè)計(jì)中,對(duì)梁的主拉應(yīng)力都進(jìn)行驗(yàn)算,并能通過。但在實(shí)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、按平面問題分析,主拉應(yīng)力偏小

  現(xiàn)在設(shè)計(jì)中通常僅從縱向和豎向二維來分析主拉應(yīng)力,但還不夠,沒有考慮橫向的影響。

  箱梁中橫向應(yīng)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(yīng)力,這就是箱內(nèi)腹板斜裂縫比箱外腹板嚴(yán)重的原因。除此以外,活載、溫度梯度都會(huì)使箱承受橫向應(yīng)力。張拉底板束引起的徑向力也會(huì)在某些范圍內(nèi)產(chǎn)生腹板豎向拉應(yīng)力。不考慮橫向應(yīng)力的影響,必然使計(jì)算的主拉應(yīng)力值偏小。正如《蘇通大橋副橋連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)》一文所說,“經(jīng)計(jì)算分析,箱梁的橫向荷載對(duì)腹板產(chǎn)生的效應(yīng)很大?紤]此項(xiàng)效應(yīng)的主拉應(yīng)力將遠(yuǎn)超出規(guī)范允許值。”

  此外,由于采用箱形截面,扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變也會(huì)使腹板中的剪應(yīng)力加大,從而增大主拉應(yīng)力。

  因此,應(yīng)該按三維進(jìn)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(shè)計(jì)上對(duì)主拉應(yīng)力計(jì)算偏低有關(guān)。

  2、取消彎起束

  從上世紀(jì)90 年代開始的一段時(shí)期內(nèi),在箱梁橋的設(shè)計(jì)中,較普遍地取消彎起束,而用縱向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力來克服主拉應(yīng)力。這樣做法方便施工,可以減薄腹板的厚度。但豎向預(yù)應(yīng)力筋長度短,預(yù)應(yīng)力損失大,有效預(yù)應(yīng)力不易得到保證,經(jīng)過幾年的實(shí)踐,帶來的是斜裂縫大量出現(xiàn)的教訓(xùn)。首先在某橋上取消了梁端的彎起束,引起梁端部大量嚴(yán)重的斜裂縫出現(xiàn),使人們認(rèn)識(shí)到梁端必須設(shè)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(rèn)識(shí)到取消彎起束是不妥當(dāng)?shù),于是重新回到設(shè)彎起束的正確軌道上來。但為此已付出了一定的代價(jià)。

  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(yù)應(yīng)力施工操作不規(guī)范,有效預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重不足,有的豎向預(yù)應(yīng)力筋甚至松動(dòng),沒有壓漿,根本沒有張拉力。

  5、個(gè)別橋梁施工質(zhì)量差,懸臂施工盲目搶時(shí)間,在混凝土初凝時(shí)間小于節(jié)段澆筑時(shí)間的情況下,既不對(duì)掛籃壓重,又自內(nèi)向外澆筑混凝土,導(dǎo)致掛籃下?lián),?jié)段界面上緣開裂,其寬度以mm 計(jì)。造成新橋即需壓漿修補(bǔ)裂縫,在通車后不久出現(xiàn)嚴(yán)重斜裂縫。按現(xiàn)有裂縫驗(yàn)算,剪應(yīng)力增大5~8 倍,導(dǎo)致主拉應(yīng)力的成倍增長,因而出現(xiàn)斜裂縫。這種缺乏基本常識(shí)的低級(jí)錯(cuò)誤,決不應(yīng)該再犯了。

  預(yù)防對(duì)策是:

  1、保證有足夠的斜截面強(qiáng)度。

  2、采用三維分析箱梁的主拉應(yīng)力,不要漏項(xiàng)。

  3、必須配置彎起束,同時(shí)也應(yīng)配置豎向預(yù)應(yīng)力束。必須充分考慮預(yù)應(yīng)力損失。對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力束,應(yīng)采用二次張拉,確保其有效預(yù)應(yīng)力。

  4、適當(dāng)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。

  三、結(jié)束語

  上文中提到的防止出現(xiàn)跨中下?lián)霞靶绷芽p的一些新理念,目前已經(jīng)基本得到共識(shí),已據(jù)此設(shè)計(jì)了一些大跨徑梁橋,情況良好。相信這些病害一定會(huì)克服,梁橋設(shè)計(jì)將更完美,將再現(xiàn)雄風(fēng)。