現有預應力混凝土梁式橋的缺陷
樓莊鴻
?。ń煌ú抗房茖W研究所）
(2003年)
摘要本文論述了當前預應力混凝土梁式橋存在的兩大缺陷，一是跨中下撓，二是梁上裂縫。對于后者，主要敘述了斜裂縫和縱向裂縫，也涉及垂直裂縫和底板保護層劈裂，分析和討論了這些缺陷產生的原因及防止方法，最后簡要述及加固方法。
關鍵詞預應力混凝土梁式橋收縮徐變溫差預拱度主拉應力斜裂縫縱向裂縫
本文所提到的預應力混凝土梁式橋，主要是指連續(xù)梁和連續(xù)剛構。自20世紀80年代末以來，我國梁式橋的發(fā)展迅速，形勢喜人?；㈤T大橋輔航道橋主跨270m，于1997年5月建成，曾居世界首位達一年半之久。我國已建成240m及以上的連續(xù)剛構11座，已經步入了世界先進行列。自然，還應學習其他國家的一些先進經驗，例如挪威的Stolma橋主跨301m，是第一座跨徑超過300m的預應力混凝土梁式橋，在跨中部分采用LC－60的輕質高強混凝土材料；跨中梁高僅有3.5m，遠比我們所采用者要小。這些都值得我們研究和借鑒。
在肯定成績的同時，也應當看到，有一部分梁式橋存在一些缺陷，甚至可以說問題不少，在建成后不長時間即損壞，甚至成為危橋?，F在已經到了必須認真討論總結的時候了。
一、主跨跨中的下撓
主跨跨中下撓已成了一種普遍的現象。
主跨270m的虎門大橋輔航道橋，至2002年10月，已下撓了17cm。該橋在懸澆立模標高的確定中，沒有逐節(jié)段地計入混凝土收縮徐變的影響，而是參照了洛溪大橋建成后3年下撓6cm的實測數據，預留了10cm的徐變預拱度?，F在看來是留少了，已被突破。
主跨245m的某大橋，跨中嚴重下撓，最大達32cm，并伴隨出現大量斜裂縫。其他橋梁也有類似現象。
下撓的原因是：
（一） 對混凝土收縮徐變的影響程度及長期性，嚴重估計不足
現在大跨徑預應力混凝土梁橋絕大多數采用懸澆法施工，隨著混凝土強度等級的提高，截面越來越輕型，板件越來越薄。這些因素，必然使徐變系數越來越大。而且荷載大而經常，不僅恒載，而且活載也會產生一定的徐變撓變。
從施工而言，往往片面強調梁段的施工周期要短。而設計圖紙上，往往僅規(guī)定混凝土強度達到設計強度的某一百分比（例如80%）時，即可施加預應力。但混凝土特性之一是早期彈性模量的增長滯后于強度的增長，強度達到要求時，彈性模量較低。過早施加預應力，不僅梁段在施加預應力時常常達不到設計上撓值，使施工控制出現一些困難；而且使徐變影響也變大。因此，目前趨勢是除了規(guī)定混凝土強度外，還需保證有一定的時間，例如至少5天，才能進行張拉。
依照我的理解，梁的軸線有三條：
第一條是梁的設計軸線。
第二條是橋梁建成時的梁軸線。這些軸線一定比設計梁軸線要高些，預留收縮徐變引起梁的下撓值。
第三條是收縮徐變基本完成后的梁軸線，一定比第二條低，并最好與第一條較吻合。
現在實際情況是第三條低于第一條，甚至收縮徐變尚未基本完成時，梁軸線已較設計軸線為低。
為此，對徐變收縮影響應估計充分，預留的預拱度寧高毋低。甘肅某橋，主跨140m，建成后徐變預留了14cm的預拱度，達L/1000，就是一較好的實例。
其次，建議多收集一些現有大跨徑梁橋的實測下撓數據值。按不開裂或開裂較嚴重兩種不同情況，加以歸納分析，從中得到一些有益的啟示和可供參照的經驗數據。
（二） 結構出現裂縫的影響
結構跨中下撓是一個普遍現象，但只要注意分析，就可知道，開裂嚴重的結構其下撓值要大得多。上述主跨245m的某橋，裂縫有幾百條，其下撓值達32cm。而其他裂縫較少的橋，其下撓值遠較某橋為小。
跨中下撓與結構開裂是一對互相影響并促進惡化的孿生缺陷。裂縫越多，跨中下撓也越大；反之，跨中下撓越大，開裂也越嚴重。
?。ㄈ?施工的問題
某橋檢查時在預應力管道上鉆孔，竟流出了不少水分，可以認為，鋼束已有銹蝕，有效預應力降低，這也是梁頂下撓原因之一。
這種現象有可能較普遍地存在，過去由于沒有采用真空壓漿技術，管道壓漿不飽滿；再加上砂漿配制沒有充分考慮泌水性的要求，對于變截面梁上凸的底板束，一旦砂漿離析，管道頂部必然存水。應該大力提倡采用真空壓漿技術，砂漿滿足泌水性指標。
二、裂 縫
出現最多的是斜裂縫，即主拉應力裂縫，其次是順橋向的縱向裂縫。以下主要討論這兩種裂縫，也涉及垂直裂縫與保護層劈裂。
?。ㄒ唬?斜裂縫
往往首先發(fā)生在剪應力最大的支座附近，與梁軸線成25゜～50゜開裂，并隨時間的推移，不斷向受壓區(qū)發(fā)展；裂縫數也會增加，裂縫區(qū)逐漸向跨中方向發(fā)展。
如果斜裂縫限在受拉區(qū)且已趨于穩(wěn)定，不再發(fā)展，則還可以容忍，暫不加固，注意觀測。如果裂縫長度發(fā)展至受壓區(qū)，或裂縫區(qū)逐漸向跨中發(fā)展，則應認為是嚴重的，必須加固處理。
圖1斜裂縫（單位：cm）
出現斜裂縫的原因是：
1.設計方法
現在較普遍采用的設計方法，多數是在邊跨梁端設彎起鋼束（有過不設彎起鋼束，光靠豎向預應力引起大量開裂的慘痛教訓），而在主墩處主梁不設彎起束與連續(xù)束，藉順橋向預應力束及豎向預應力束來克服主拉應力。這種方法方便施工，深受施工單位的歡迎。
但自不設主墩彎起束以來，從現象上來看，斜裂縫的出現及其嚴重程度大大增加了。因而，對這樣的設計存在兩種截然不同的認識：
（1）可以采用這種設計方法
目前是少數人的看法。他們認為，要充分估計豎向預應力的損失，寧可多估，不要少估。隨著設計規(guī)范的修訂，混凝土的容許主拉應力值也大大降低，為避免斜裂縫創(chuàng)造了有利的條件。施工上應該認真地對待豎向預應力的張拉，要和張拉縱向預應力一樣地重視，必要時進行兩次張拉。如果能做到這幾點，主墩處不設彎起索仍可避免出現斜裂縫。
（2）應該在主墩處的梁中設彎起束。
目前是多數人的看法。他們認為，跨中梁高小，豎向預應力束短，預應力損失大，有效預應力難以控制，這是出現斜裂縫的最重要原因之一。至今為止，還沒有人實測過永存的豎向預應力有多大，豎向預應力的徐變收縮損失，是否估計夠；后張拉的豎向束，是否會對已張拉的豎向束產生附加的預應力損失。
他們認為，現在設計中僅從二維角度分析主拉應力是不夠的，正確的作法應從三維進行分析，考慮活載的橫向應力及溫度梯度的應力。隨著規(guī)范溫度梯度的增大，使主拉應力有較大的增加。因此必須在主墩處的梁中設彎起來，也要認真地張拉豎向預應力。只有兩者同時設置，才可能避免出現斜裂縫。
2.施工原因
有的施工單位對張拉縱向預應力非常重視，知道張拉不足會引起開裂甚至破壞，但對張拉豎向預應力認識不足，以致出現張拉噸位不足，甚至漏掉未張拉，或張拉后不壓漿，導致出現斜裂縫。
這里再介紹一座106m跨徑的連續(xù)剛構，采用懸臂澆筑的施工方法。由于盲目搶工期，懸澆時對掛籃既不壓重，又是由內向外，導致掛籃下撓而在懸澆節(jié)段的交界面上出現裂縫，上大下小，雖張拉預應力，也不能閉合。造成橋還未建成，即需壓漿處理，寬縫可以壓進漿，小縫壓不進去，但恒載剪應力已僅由斷面未開裂部分承擔而急劇增大。在建成后僅半年，大量斜裂縫出現，發(fā)展很快。經過核算，開裂后的剪應力為未開裂的5倍以上，甚至8倍。剪應力的急劇增大，也引起主拉應力的成倍增加，導致斜裂縫的出現。
開裂斷面剪應力計算模式如圖2所示。
?。ǘ┛v向裂縫
縱向裂縫較多地出現在頂底板順橋向。除因未設橫向預應力而在頂板下緣出現規(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，對橫向的影響更比縱向為大，這是因為縱向彎矩中，自重占極大部分；而橫向彎矩，主要受活載的影響，軸重超過規(guī)范時，很易出現頂板下緣的縱向縫。
2.施加過大的縱向預應力
全預應力結構設計中，留有一定的壓應力儲備，以克服簡化圖式與實際的不致，以及局部應力等的影響，是必要的。一般可留2～3MPa左右。但有的設計人員誤認為壓應力儲備留得越大就越安全。某橋跨徑154m，所施加的預應力在克服恒載以后，壓應力竟達15MPa。這樣既過多地浪費了鋼束，又會導致縱向裂縫的產生。
構件在承受軸向力時，軸向長度因彈性壓縮而縮短，而與其垂直方向將因材料的泊松比而產生拉應變（圖3）。如果正應力儲備過大，會在其重量方向發(fā)生較大的拉應變，在最薄弱的截面，往往是沿預應力管道的截面會出現縱向裂縫。這種裂縫沿順橋向的預應力管道發(fā)展，下滲的水沿管流動，造成銹蝕的危害比垂直裂縫還大。
3.溫差應力估計過小
在我國現行的橋梁設計規(guī)范中，對溫差應力，僅規(guī)定了翼緣與梁體的其他部位有5℃的溫差，偏小，不安全（圖4）。根據國外的研究，對于箱梁，溫差應力可以接近甚至達到活載的應力。英國、新西蘭規(guī)范的溫度梯度，比我國大很多。這也是出現縱向裂縫的原因之一。
我國云南六庫怒江大橋上，曾實測了溫度變化和頂底板的應變，如圖5所示，頂板應變比底板大，相差3.09倍。
已修訂的《公路橋涵通用設計規(guī)范》（報批稿）中已規(guī)定了大得多的溫度梯度。見圖6。
H＜400mm時，A＝H-100mm
H≥400mm時，A＝300mm
鋪裝層類型
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T1（℃）
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T2（℃）
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混凝土鋪裝
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25
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6.7
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50mm瀝青混凝土鋪裝層
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20
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6.7
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100mm瀝青混凝土鋪裝層
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14
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5.5
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圖6修訂后的溫度梯度
4.收縮引起的裂縫
甘肅某橋，雙壁墩身建成后相當長時間，才建墩上0號塊。由于墩身橫向收縮已大部分完成，而0號塊橫向收縮受到墩身約束，導致
底板中部出現裂縫。
在0號塊建成后相當長時間，再建1號塊，也會因收縮差而出現縱向裂縫。
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。某橋為150m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90cm。采用空間分析，頂板中部上緣A點會出現4.9MPa拉應力（圖7）。于是采取了措施，在墩上0號塊箱梁上端施加橫向預應力，此力比一般的橫向預應力要大，并根據各施工階段反力的大小，分級施加。如不采取此措施，頂板上緣肯定出現裂縫。
6.支座形式
墩上正確的橫向支座布置，應該是一個固定，一個滑動，如圖7所示，才可避免因溫度或活載作用時出現縱向裂縫?，F在有的設計，很注意縱向支座的固定或滑動類型，但有時不注意橫向，往往把橫向兩個支座都布置成固定的，在荷載、溫度、收縮的作用下很容易導致開裂。
7.水化熱導致開裂
往往出現在懸澆施工底板較厚的梁根部，尤其在天氣較冷時，拆模后即發(fā)現底板下緣存在縱向縫。
這種裂縫是在結構上沒有作用任何荷載的情況下產生的。其原因是由于溫差引起的應力（自平衡應力）高于緩慢提高的混凝土抗拉強度而產生。由圖8a）可見，由于底板較厚，混凝土硬化期間產生水化熱，在板厚中部溫度最高，而兩側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，就產生了自平衡應力，板外緣受拉，中部受壓，當拉應力大于該時混凝土的抗拉強度，見圖8b），就可能引起開裂，出現底板下緣的縱縫。但這種裂縫，往往限于混凝土表面，有害影響相對較小，可不處理或加以壓漿封閉即可。
8.畸變
箱梁約束扭轉時發(fā)生畸變，腹板板件變彎，配筋不足時會在腹板上出現縱向縫。尤其是彎箱梁，預應力束也會產生畸變。
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在預應力混凝土橋梁中，出現受彎的垂直裂縫相對來說是較少的，但有時還能見到。
1.垂直裂縫產生的原因
?。?）設計原因
設計中對于梁橋的正截面強度和應力，一般都是很注意的，但有時也會出現疏忽，導致實際有效預應力不足而出現垂直裂縫。
我們見到過的一個橋梁設計，為跨徑35m的預應力混凝土空心板，預制，每板寬1.5m，雙室，簡支安裝，最終成為3孔一連的連續(xù)板。按部分預應力A類構件設計，預應力體系采用扁錨，中腹板上布5束，豎向放置并彎起。為了節(jié)省預應力束，致使梁自重撓度比施加預應力后的上拱度還大7mm，即施加預應力后梁不會上拱，設計中梁體跨中設向上1.5cm的預拱度，與一般采用的設向下預拱度不同。
這個設計在兩個工地上采用，一個工地施工較粗糙，出現超重及內模走動、腹板厚度變動的情況，其臺座是一次性的，臺座兩端有貫通裂縫，未架設的邊梁存在垂直裂縫，其中有一片較嚴重，縫寬有0.2mm；梁也存在下撓，最大4cm。
另一個工地施工工藝較細致，斷面尺寸正確，表面光滑，其臺座是多次重復使用的，處理較好，未出現裂縫。板已架設，且已封鉸及澆筑連續(xù)段混凝土。在擬澆防撞欄時，發(fā)現梁體下撓，最大到4cm。用吊車載人檢查兩片邊梁，發(fā)現有垂直裂縫40～50條，縫寬最寬已達0.3mm以上，縫間距20～50mm，其中2/3的裂縫長度已超過梁高一半。
分析其原因，設計原因是主要的，實際有效預應力嚴重不足。首先將扁錨豎向布置用作彎起束是錯誤的，各束在同一管道中互相擠緊扭結，不僅僅是沿管道及彎起的摩阻損失，預應力損失很大，遠遠超過計算，張拉時延伸量也難以達到，這是主要原因。
其次，設計中預應力配置不足，梁體不上拱，何況預應力損失增大很多，梁體與臺座粘結而不脫離。在施加梁體預應力時，梁體要壓縮，而臺座與梁底出現了摩阻力，這一項預應力損失是在設計中未予考慮的。兩個工地，一個工地質量粗糙，用一次性臺座，處理簡單，在張拉預應力時臺座出現較寬的橫向裂縫，表示梁體已完成了一部分彈性壓縮，因此梁體裂縫相對較少。而另一個工地，澆筑質量較好，用處理較好的多次重復使用的臺座，在張拉預應力時臺座未損壞，意味著梁體彈性壓縮完成少，臺座與梁體間摩阻損失大，出現裂縫反多。
圖10臺座與梁底的摩阻力
由于預應力損失加大，因此盡管設計計算時，在梁體自重并施加預應力后，下緣混凝土是受壓的，但實際產生很大的拉應力，導致開裂。后來的驗算也表明，就連受彎承載能力極限狀態(tài)也通不過。
這個實例告訴我們，在設計中千萬不要用扁錨豎向布置作為彎起鋼束，千萬不要因過分節(jié)省預應力束而形成加預應力后梁體不上拱，這都將導致跨中有效預應力的嚴重不足而出現垂直裂縫，以及因混凝土徐變而引起的梁體下撓。
?。?）施工原因
上面在敘述主拉應力斜裂縫時，已提到某橋因盲目搶工期，5天一個周期，工藝粗糙，在梁的懸臂澆筑中，既不預壓重，又不調整掛籃掛索，澆筑順序由里向外，由于掛籃下撓，使在與上一梁段連接的工作縫處出現垂直裂縫，最大的甚至寬達3mm，不得不進行壓漿處理，并導致出現斜裂縫。
變截面梁底板預應力索孔道跨中上凸，一旦壓漿發(fā)生離析，形成上層有水，索會發(fā)生銹蝕，有效預應力因而降低而產生垂直裂縫。
有的工地澆筑梁體混凝土時氣溫過高，空氣干燥，保護不夠，導致拆模時即出現垂直裂縫。這種裂縫大多限于表面，只要選擇較低氣溫時澆筑，并注意保溫養(yǎng)生，是可以避免的。
?。ㄋ模┑装灞Ｗo層混凝土劈裂
表現為底板預應力束下的混凝土保護層劈裂，有時可達相當寬的范圍。
（1）設計原因
1）保護層過薄
有的設計人員往往片面從充分發(fā)揮預應力束的作用出發(fā)，盲目減少其保護層。這種情況下，容易產生底板劈裂，尤其在變截面梁底板順橋向呈彎曲的情況下。
2）未采取抗徑向力措施
在變截面梁底板為彎曲的拋物線形，底板束張拉時，會產生向下的徑向分布荷載：
q=
圖12彎曲鋼束引起的徑向分布荷載
如果底板保護層過薄，又未采取抗徑向應力的措施，容易引起混凝土的劈裂。
正確的設計往往按此分布荷載設平衡箍筋，使這部分力，通過平衡箍筋傳遞于上層鋼筋，進而使全底板承受此力，就能防止底板劈裂的發(fā)生。
?。?）施工原因
對已設置的波紋管道保護不夠，受到局部重載，形成折曲，張拉時引起向下的分力，這也是底板劈裂原因之一，尤其在過早張拉，混凝土強度還未足夠時。
這種缺陷，必須加以處理，因為波紋管暴露空氣中，易引起銹蝕，進而影響預應力束的銹蝕；而且也為了保證預應力束與混凝土有足夠的握裹力。
三、結束語
上面敘述了預應力混凝土梁橋的最主要缺陷及其原因分析。另外，還有些其他缺陷，如齒板處開裂，橫隔板裂縫等，這里就不再論述了。
知道了缺陷及其成因，加固處理的方法也就容易解決了，往往是：
1.壓漿封閉。
2.粘貼碳纖維或鋼板，解決受拉或主拉應力能力不足的問題。
3.加厚板件，以解決主拉應力或壓應力過大的問題。
4.增加預應力索，減小梁的下撓，或解決抗彎或主拉應力能力不足的問題。
參考文獻
1 周軍生.變截面連續(xù)梁式橋設計中應當注意的幾個問題.公路交通科技，2001（4）。
2 中交公路規(guī)劃設計院：《預應力混凝土梁橋裂縫成因分析研究報告》，1998。
3 《混凝土結構的裂縫和裂縫控制》，《北京公路》1989年2期。
