大跨径连续刚构桥长期下挠分析及加固研究

任 恺

(长安大学公路学院，陕西西安 710064)

近年来随着我国经济的增强以及高速交通的迅速发展，人们对行车时的平顺舒适要求进一步提高。连续刚构桥型具有结构整体性好、抗震能力强、承载力强、桥梁结构简洁明快、维护方便和便于悬臂施工等优点，近年来得到迅速发展。但是大跨径连续刚构桥跨中出现的主梁跨中下挠病害，已经成为此类型桥梁病害的普遍现象，下挠的不断增大严重影响了桥梁的使用寿命以及正常运营。

1 国内连续刚构桥存在的问题

国内大跨径预应力混凝土连续刚构梁桥普遍在投入服役时间不久就出现过大的主梁跨中下挠现象。预应力连续刚构桥的主梁跨中下挠，不仅导致养护成本大幅上升，对桥梁外观构成影响，更重要的是造成了桥梁结构的安全性低于设计值。大跨径预应力混凝土连续刚构桥的跨中下挠问题已经成为该桥型的世界性通病，对桥梁结构的耐久性及整体运营的安全性构成巨大威胁。而主梁跨中下挠的主要特征为:1)随着时间的推移，主梁跨中下挠也不断增长，显示出一定的关系;2)跨中下挠的实际值远大于设计值;3)主梁跨中下挠会进一步造成梁体的开裂，而梁体裂缝的增多，则会使结构刚度降低，加重了跨中下挠，开裂和下挠互相影响耦合，导致恶性循环。可见，大跨径预应力混凝土连续刚构桥的下挠问题已经对桥梁的安全性造成了极大威胁。

2 大跨径预应力混凝土连续刚构桥下挠的主要原因

大跨径预应力混凝土连续刚构桥的下挠原因比较复杂，影响的因素也较多，目前国内外比较认同的大跨径预应力混凝土连续刚构桥下挠的主要原因归纳起来有以下几种［1-4］:1)自重。自重是引起长期变形的主要荷载。但是在施工过程中，由于模板变形、找平等一些因素的影响，造成混凝土超方，从而引起自重误差、自重的增加，将直接导致恒载变形的增大。2)预应力损失。预应力是控制连续刚构长期变形的主要因素。造成预应力损失的原因很多，而且在实际施工过程中的损失难以通过理论计算精确求出。预应力损失造成了桥梁结构刚度的降低，也必然造成连续刚构桥下挠问题的加剧，从而使梁体发生下挠，进一步造成开裂破坏。3)混凝土徐变。混凝土有徐变的特性，徐变对大跨径连续刚构桥的变形影响较大。大气温度、湿度、水灰比与水泥用量、加载时的龄期、荷载持续应力的大小等诸多因素有关。4)结构损伤。挠度问题的实质就是刚度问题，大跨径预应力混凝土连续刚构桥在运营过程中经常会出现梁体开裂，开裂后导致梁体截面刚度进一步降低，而刚度的降低又导致持续下挠，二者相互影响耦合，造成恶性循环。这种恶性循环也是导致过量下挠的重要因素之一。5)施工的影响。施工质量的好坏直接影响着桥梁的整体结构，在施工过程中对各施工阶段主梁挠度值的控制不到位，强迫合龙导致结构处于不利的成桥应力状态，这些都是导致成桥后桥梁整体结构在长期荷载作用下徐变挠度不断增加的重要原因。

3 加固方法研究

3.1 增加斜拉索加固方法

增加斜拉索，使连续刚构桥变成矮塔斜拉桥，矮塔斜拉桥的结构受力特点属于改变结构受力体系加固法的一种，其主梁既可以像连续梁桥一样通过受弯来承受竖向荷载，也可以像常规斜拉桥一样通过受压来承受竖向荷载。矮塔斜拉体系也是由塔、梁、墩和索四种基本构件组成的桥梁加固体系，是一种新型的桥梁加固方法。矮塔斜拉结构加固方法，是利用原桥桩基的富余承载力，将桥塔建立在原桥桥墩的两侧，对称地设置斜拉索，对主梁结构形成弹性支点，有效减小结构内力，同时彻底的改善结构的受力状态。这种加固方法来源于体外预应力这种加固方式，只是承受荷载的方式发生了改变，把以前布置在箱梁内部的预应力，变成拉索、钢性桥塔，和箱梁连接一起，使得一部分由荷载引起的竖向内力通过斜拉索来承担，从而降低桥梁结构的应力，是一种介于二者之间的过渡桥型，具有刚柔相济的特点。

3.2 实例分析

基于某连续刚构桥，跨径为85 m+3×160 m+85 m，单箱单室预应力混凝土变截面连续箱梁。由于塔高及斜拉索的锚点位置对梁体内力、应力改变起主要作用，首先应确定优化的结构形式。矮塔斜拉桥最优塔跨比约为0.123 4(1/8～1/9)，同时由于矮塔斜拉桥受力上更加接近于梁式桥，其斜拉索像体外预应力一样对主梁起加劲作用，所以其倾角小于常规斜拉桥的拉索倾角，其值一般在15°～30°之间，在索塔处，由于桥墩对主梁的支撑，可以不设斜拉索。索塔到主梁跨中的无索区的长度一般为20 m～30 m;由于矮塔斜拉桥主塔比较低矮，若在主梁跨中设置斜拉索，则斜拉索的倾角过小，不能有效分担主梁的竖向荷载，导致无法起到斜拉索的作用，因此不宜在主梁跨中设置斜拉索。所以主梁跨中无索区段长度一般为中跨跨径的1/5～1/18，平均为1/7;边跨端部无索区段一般为边跨的1/3～1/10，平均为1/5［6］。

综合考虑以上因素，计算模型采用以下结构尺寸:塔高25 m，矩形截面，顺桥向宽3 m，横桥向宽1.2 m，C50混凝土，如图1所示。主跨设置8对(16根)斜拉索，每对索索力1 000 kN，拉索间距9 m，锚固点距跨中分别为10 m，37 m。两次边跨各8对(16根)斜拉索，索力1 000 kN。

3.3 加固效果分析

基于Midas软件计算，结果显示，主梁跨中最大挠度比替换前减小了3.2 cm。同时，使主跨跨中截面上缘压应力降低1.5 MPa左右，下缘拉应力降低2 MPa左右。因此，增加斜拉索的加固方法能有效地减小主梁的跨中挠度，同时对主梁受力状态起到了一定的改善作用，并消除了原混凝土箱梁跨中段裂缝病害严重的影响，能有效防止主梁在加固后继续下挠。

图1 拉索布置示意图

4 结语

本文分析了造成主梁跨中长期下挠的原因，提出一种增加斜拉索的加固方案，并对加固前后的主梁进行模拟计算，分析加固效果。文章主要得到以下结论:1)对于大跨径连续刚构桥，由于荷载超限或设计施工质量问题，造成主梁受力状况的恶化，引起梁体开裂及结构整体刚度下降，是造成主梁跨中挠度过大并持续下挠的主要原因。2)增加斜拉索的加固方法能有效改善主梁的受力状况，减小跨中挠度，并防止其继续下挠，是解决连续刚构桥跨中长期挠度过大问题的一种对策。3)矮塔斜拉桥加固方式，构造较为简单，施工方便;受力明确，不需要复杂的受力分析;可以主动改善桥梁结构的整体受力性能，同时，从桥梁外观上来看，其体现了常规斜拉桥和连续梁桥相结合的美学效果，可产生良好的社会影响。4)当相关技术成熟后，增加斜拉索的加固方法具有一定的应用前景。

［1］ 陈宇峰，徐君兰，余武军.大跨PC连续刚构桥跨中持续下挠成因及预防措施［J］.重庆交通大学学报，2007，26(4):6-8.

［2］ 高仙桂，陈希安.大跨度连续刚构主梁下挠及箱梁裂缝成因分析［J］.公路与汽运，2007，119(2):109-111.

［3］ 王法武，石雪飞.大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究［J］.公路，2006，59(8):72-76.

［4］ 谢 峻，王国亮，郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状［J］.公路交通科技，2007，24(1):47-50.

［5］ 马修印.矮塔斜拉加固法在梁式桥梁中的应用研究［D］.西安:长安大学，2011.

［6］ 闫 晨.矮塔斜拉桥最优塔跨比的分析与研究［D］.西安:长安大学，2011.