大跨徑梁式橋的主要病害
2012-01-30 來源：交通部公路科學(xué)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(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。
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。
根據(jù)已發(fā)表的資料，虎門大橋輔航道橋跨中下?lián)希畲笠堰_(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(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)现匾蛑弧４罂鐝搅簶虻暮爿d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)。
一些大跨徑梁橋，例如虎門大橋輔航道橋，歷時(shí)5年以后，下?lián)先栽诶^續(xù)。
（二）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重要性認(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?。設(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?br />
（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?br />
2、早期加載，使混凝土徐變?cè)龃?。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(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。
由于預(yù)應(yīng)力的徐變損失是隨時(shí)間而逐步完成的，因此梁橋在建成后，總還有因預(yù)應(yīng)力徐變損失而導(dǎo)致的恒載撓度的存在。
（四）部分活載也會(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?br />
（五）施工質(zhì)量上也還存在一些缺陷
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?，F(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?br />
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)希铱赡軐?dǎo)致梁正截面強(qiáng)度的不足而出現(xiàn)垂直裂縫。
（六）梁體開裂，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。
（二）設(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，規(guī)定了活載作用下的梁橋撓度不得大于L/600，而對(duì)恒載撓度未作規(guī)定，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，梁僅有下?lián)隙婚_裂。從目前的認(rèn)識(shí)，可暫按L/1400考慮。徐變終極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。
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。為了控制撓度，可適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力鋼筋。在梁根部區(qū)段，可使懸臂節(jié)段的自重完全由預(yù)應(yīng)力抵消。在跨中區(qū)段，必要時(shí)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(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。
（三）最終合攏主跨前，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?br />
（四）要適當(dāng)增加底板合攏束，并預(yù)留體外備用鋼束。
（五）加強(qiáng)施工質(zhì)量管理
混凝土加載齡期至少應(yīng)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(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。下面只討論前三種裂縫。
（一）主拉應(yīng)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(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。
斜裂縫的另一個(gè)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)于梁的主拉應(yīng)力都進(jìn)行驗(yàn)算，并通過。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、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)力的設(shè)計(jì)方案。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)。
2、作為平面問題分析，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，
即 ，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。……考慮此項(xiàng)效應(yīng)的主拉應(yīng)力將遠(yuǎn)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(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)力估計(jì)不足有關(guān)。
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)，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)采用二次或多次張拉，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。
（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?，也是出現(xiàn)很多的一種裂縫。除因未設(shè)橫向預(yù)應(yīng)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(duì)橫向的影響比縱向更大，這是因?yàn)榭v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(shí)，很易出現(xiàn)頂板下緣的縱向裂縫。
2、施加過大的縱向預(yù)應(yīng)力
全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，留有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，以克服簡化圖式與實(shí)際的不一致，以及局部應(yīng)力等的影響，是必要的。一般可留2~3MPa。但有的設(shè)計(jì)人員誤認(rèn)為壓力儲(chǔ)備留得越大就越安全。某橋跨徑154m，所施加的預(yù)應(yīng)力在克服恒載以后，壓應(yīng)力竟達(dá)15MPa。這樣既過多浪費(fèi)了鋼束，又會(huì)導(dǎo)致縱向裂縫的產(chǎn)生。
構(gòu)件在承受軸向力時(shí)，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(yīng)變。如果正應(yīng)力儲(chǔ)備過大，會(huì)在其垂直方向發(fā)生較大的拉應(yīng)變，在最薄弱的截面，往往在沿預(yù)應(yīng)力管道的面上出現(xiàn)縱向裂縫。這種裂縫沿順橋向的預(yù)應(yīng)力管道發(fā)展，流下的水沿管流動(dòng)，造成銹蝕的危害比垂直裂縫還大。
3、溫差應(yīng)力估計(jì)過小
我國過去的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)溫差應(yīng)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(duì)于箱梁，溫差應(yīng)力可以接近甚至達(dá)到活載的應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范》中已規(guī)定了比過去大得多的溫度梯度。這個(gè)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(dāng)長時(shí)間，才建墩上梁的0號(hào)塊。由于墩身橫向收縮已大部分完成，而0號(hào)塊橫向收縮受到墩身約束，導(dǎo)致底板中部出現(xiàn)裂縫。
在0號(hào)塊建成后相當(dāng)長時(shí)間，再建1號(hào)塊，也會(huì)因收縮差而出現(xiàn)縱向裂縫。
因此，節(jié)段澆筑時(shí)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?yàn)?50m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(diǎn)會(huì)出現(xiàn)4.9MPa拉應(yīng)力。于是采取了措施，在墩上0號(hào)塊箱梁上端施加橫向預(yù)應(yīng)力，此力比一般的橫向預(yù)應(yīng)力要大，并根據(jù)各施工階段反力的大小，分級(jí)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(yīng)該是一個(gè)固定，一個(gè)滑動(dòng)，才可避免因溫度、收縮或活載作用時(shí)出現(xiàn)縱向裂縫?，F(xiàn)在有的設(shè)計(jì)，很注意縱向支座的固定或滑動(dòng)類型，這是正確的；但有時(shí)不注意橫向，往往把橫向兩個(gè)支座都布置成固定的，在荷載、溫度、收縮的作用下很容易導(dǎo)致開裂。
7、由于頂板較薄，要布置橫向預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋，預(yù)應(yīng)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(yīng)力，與其他作用等組合，當(dāng)配筋不足時(shí)會(huì)在腹板發(fā)生縱向裂縫。
9、變截面箱梁的底板由于施加預(yù)應(yīng)力而產(chǎn)生徑向力，當(dāng)?shù)装鍣M向配筋不足，會(huì)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(dǎo)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(shí)，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(yīng)力（自平衡應(yīng)力）高于緩慢提高的混凝土抗拉強(qiáng)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(yīng)力，板外緣受拉，中部受壓，當(dāng)拉應(yīng)力大于該時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，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(duì)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(shè)計(jì)中，通常采用全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。無論是全預(yù)應(yīng)力或部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件，都不應(yīng)該出現(xiàn)垂直裂縫。出現(xiàn)垂直裂縫，反映了正截面強(qiáng)度的不足。
出現(xiàn)垂直裂縫的原因及預(yù)防對(duì)策，已在分析梁體下?lián)现杏懻撨^，這里簡述如下：
1、有效預(yù)應(yīng)力不足
過早加載，預(yù)應(yīng)力徐變損失大。
沿管道預(yù)應(yīng)力損失偏大。
底板預(yù)應(yīng)力筋因管道壓漿不飽滿和漿體離析而銹蝕。
2、對(duì)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)。
