关于大跨预应力混凝土箱梁桥长期下挠的探讨

第２３卷第５期２００７年１０月

结构工程师

５加ｃｔｕｒａＩＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶｏｌ．２３．Ｎｏ．５

ｏｃｌ．２００７

关于大跨预应力混凝土箱梁桥长 期下挠的探讨

邢云吴迅（同济大学桥梁工程系，上海２１训火玲２）

摘要跨中下挠过大是大跨预应力流凝土梁桥的常见病害。以某５跨连续梁桥为背景，从混凝土开裂、徐变计算模式、预应力损失和设计活荷载等方面进行对比分析，讨论各因素时主梁下挠的影响程度。关键词大跨，长期挠度，徐变，预应力损失，开裂

ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＥｘｃｅｓｓｉｖｅＬｏｎｇ・ＴｅｒｍＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆＬａｒｇｅ ＳＰａｎＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅｓ

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１引言 跨中下挠过大目前已成为大跨预应力混凝．土梁桥的一个常见病害。美国１９７９年竣工的鹦鹉渡口桥（Ｐａｒｒｏｌ是ｓＦｅ叮Ｂ‘ｄｇｅ）使用１２年后，１９５ｍ主跨中间下垂了约６３．５。ｍ；英国的Ｋｉｎｇｓｔｏｎ桥是一座跨度６２．ｓｍ＋１４３．３ｍ＋６２．ｓｍ的预应力混凝土箱梁桥，１９７０年建成后跨中挠度缓慢加大，至今已超过３０。ｍ；１９９２年建成通车的三门峡黄河公路大桥为ｌｏｓｍ＋４ｍｘ１４０ｍ＋１０５ｍ的６跨预应力混凝土连续刚构，２００２年检查发现主跨跨中挠度达２２ｃｍ闭。而近年所建的一大批预应力混凝土箱梁桥更是在挠度不断增加的同时，还伴随着大量裂缝的出现，严重影响了结构的使用性能和使用寿命。 内力和线形是建造大跨预应力混凝土梁桥的主要控制指标。这二者相互影响，直接关系到桥梁的使用寿命和行车舒适性。成桥内力状态决定着以后结构线形的发展趋势，而后期挠度变化又可能影响结构的受力状态。 成桥后主梁持续下挠可能与混凝土收缩徐变、主梁刚度变化、纵向预应力的失效和运营活载增加等因素有关图。本文以某预应力混凝土５跨连续箱梁桥为背景，对可能影响结构长期下挠的几个因素分别进行分析。某主跨１２５ｍ连续箱梁桥，桥跨布置如图１。箱梁截面为单箱单室，三向预应力混凝土结构，墩顶和跨中设有横隔板。箱梁顶面宽１６．Ｚｓｍ，底面宽８．ｏｍ，墩顶梁高７．Ｚｍ，合龙段梁高３．ｏｍ。顶板厚０．３ｍ，腹板厚０．５５一１．ｏｍ，底板厚。．３一１．４ｍ。预应力钢绞线采用１９必１５．２４ｍｍ和２２巾１５．２４ｍｍ两种。现场悬臂浇注施工，按照先边跨、后次中跨、最后中跨的顺序合龙。

收稿日期：２加７一肠一ｆｌ

万方数据・结构分析・结构工程师第２３卷第５期图１跨径布置（单位：ｍ）２大跨预应力混凝土梁桥跨中长期下挠 的原因分析

衰１刚度折减引起的挠度

２．１从主梁开裂看长期挠度 预应力混凝土箱梁桥在施工或运营阶段经常会发生开裂现象。弯曲应力过大产生横桥向裂缝，主拉应力过大、抗剪能力不足产生腹板斜裂缝，温差、箱梁畸变产生顶、底板裂缝以及纵向预加力过大导致纵桥向开裂等都会影响结构的整体刚度［，］。 模拟结构开裂的方法很多，常用的有直接“杀死”开裂单元或者降低其弹性模量，其本质都是通过削弱截面来模拟刚度的折减。本结构为５跨连续梁，考虑各跨四分点至跨中为开裂区段，刚度折减分别按弹性模量Ｅ降低１０％，２。％，４０％考虑，其对挠度的影响值如表１所示。刚度削弱引起的附加最大挠度在Ｉｃｍ左右，说明对于该５跨连续梁结构，刚度变化对长期挠度影响较小。

位置折减值Ｅ折减１幻％Ｅ折减２０％Ｅ折减４０％

边跨一０２一０．４一０７

次中跨一０２一０１一０．５

中跨一０３一０７一１１

２．２从预加力失效看长期挠度

混凝土长期徐变和疲劳加载等会导致预加力失效，进而引起主梁挠度变化。 估算本结构扣除损失后的有效预加力［ｌ］，顶板束约为张拉控制应力的７５％一８０％，腹板束为６０％一７０％，底板束为７５％一８０％。考虑长期效应，在扣除损失的基础上按顶板、腹板和底板束分别为失效张拉应力的１０％，２０％，３０％对比分析预加力失效对结构挠度的影响。由表２可知，对于该连续箱梁，主梁挠度变化值与钢束失效比率基本成线性关系；钢束失效对挠度影响较大，其中顶板束的失效后果最为严重。

表２钢束失效引起的挠度位置折减值顶板１０％顶板２０％项扳３０％腹板１０％腹板２０％腹板叨％底板１０％底板２０％底板叨％边跨０一０．４一０．‘００一０。１一０６一１，１一１６

次中跨一２。４一５．０一，．‘一０．７一１。４一２。１

一０５一１．１一１。６

中跨一０‘８一１．５一２．２一０．２一０．５一０７一０５一１．７一２ｔ４

究其原因，挠度对墩顶负弯矩和跨中正弯矩最为敏感［ｚ］，而顶板束和底板束的作用恰是提供弯矩以平衡自重。另外，限于结构纵向刚度，实际中合龙底板束不会引起显著的挠度变化，因此，顶板束就成为了提供平衡弯矩、控制结构挠度最重要的方式。 但实际顶板厚度、横向预应力布置以及宽箱梁附加的剪力滞现象都影响着顶板纵向预加力的施加。底板束在大跨变截面箱梁纵向弧形底面产生的径向力客观上也限制了其配置数量。因此，如何布束以有效增大预加力弯矩值得进一步研究优化。另外，考虑到从锚固截面到全截面受力的预加力扩散距离，建议采用“细束多孔”的布置方

式，提高预加力的有效性。２．３从混凝土徐变看长期挠度 混凝土的徐变是一个复杂而且难以精确计算的非线性问题。根据经验，徐变挠度终极值是弹性挠度的２一３倍左右。但影响徐变的因素连同它们产生的结果本身都是随机变量，其变异系数达加％以上［ｌ］。各国规范在实验的基础上提出的计算理论和公式不尽相同川，然而国内外多座桥梁建成后跨中长期下挠过大，说明人们对徐变的影响和长期性估计不足。因此，在进一步精确研究徐变计算理论的同时，从设计角度考虑，将徐变绝对值控制在较低水平也是一种有价值的尝

万方数据Ｓｔｒｕｃｔｉ』司Ｅｎ颜ｎ，。ＶＯＩ．２３，Ｎｏ．５・２４・

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ

试。 荷载平衡的概念已广泛应用于桥梁设计中［ｓ］。对连续梁结构根据荷载平衡原则配置预

应力时：先按照结构零弯矩要求配置悬臂施工阶段的静定束，使每个Ｔ构基本只受轴向压力；再根据合龙顺序设计后期束，以满足使用阶段应力要求。即用预应力弯矩去平衡结构的自重弯矩，使全桥尽可能处于轴向受压状态，以减小长期徐变作用产生的弯曲下挠。 该５跨连续箱梁桥即采用了弯矩平衡设计理论，且压应力储备较足。考虑３０年徐变时间，自重和预应力引起的悬臂根部弯矩如图２所示，根据不同规范计算得到的跨中合龙段徐变位移如图３所示。

‘恒载作用立馨导力塑官・圣

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０５１０１５２０２５全部施工阶段

图２悬臂根部１号块弯矩

０．０３０００２５００２１〕００１５０．０１０。．０５ ０

来越大【‘］，有人提出甚至可以将其折减后当作“恒载”来看待。 根据文献【１］分析活载对该５跨连续梁结构长期挠度的影响。１０年恒载徐变使跨中向上拱出Ｉｃｍ；原设计中活载挠度为８．３ｃｍ，将活载全部等代成“恒载”永久作用于桥上，１０年徐变将使结构下挠Ｚｃｍ；在此基础上再考虑３０％的顶板束损失，其１０年徐变引起的挠度也只有向下４。ｍ，理论上可以在线形控制中通过预抛高来解决。说明对于该５跨结构，活载对主梁长期挠度变化的影响也不大。 另外，活载对结构的影响其实与成桥初始内力状态有关，如上述考虑顶板束折减３０％后“活载”徐变位移有所增大。可以说成桥时的内力状态也决定了包括结构开裂、混凝土徐变以及活载作用等因素对后期挠度的影响程度。前二者在某种意义上相当于结构弹性模量的整体降低，活载则是在主梁上增加的外荷载。 成桥后主梁弯矩较小，则结构开裂和混凝土徐变带来的后果主要是沿纵桥向的位移；结构的刚度足够，则活载作为附加荷载引起的长期徐变挠度也就很小。该５跨连续梁结构配束较多，截面高度合理，墩顶负弯矩和跨中正弯矩足以抵消自重。一定程度上也就减小了刚度削弱和荷载增加对结构的影响。 因此，控制成桥受力状态，并注意采用“高而窄”的截面来保证结构刚度，有利于结构长期挠度的控制。

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３结论及措施合龙施工阶段图３次中跨合龙段徐变位移比较

可见，如果设计时暂时抛开对用钢量经济性和局部构造限制的考虑，使预加力产生的弯矩足以平衡甚至略大于自重弯矩，则无论采用何种规范设计计算，都可以把长期徐变位移控制在较小的范围内。

２．４从设计荷载看长期挠度 用弯矩平衡的设计概念避免结构弯曲徐变的思路值得尝试，但在实际工程中，除了恒载弯矩，日渐增大的交通量也意味着活载对结构的影响越

（１）对于该５跨连续箱梁，混凝土徐变和预加力失效，特别是顶板束的失效，对主梁长期挠度影响较大。类似情况在悬臂施工线形控制时可以通过实测挠度来对比分析预加力的有效性，及时采取补救措施。 （２）活载运营对长期挠度的影响因桥而异，且其影响程度跟成桥时的内力状态有关。此方面的问题，有待于进一步研究。 （３）考虑到徐变的随机性，贯彻荷载平衡的设计原则以减少徐变绝对值是值得推荐的设计方法。 （４）在满足规范要求的前提下尝试通过增加 （下转第４０万）

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