现有预应力混凝土梁式桥的缺陷
楼庄鸿
（交通部公路科学研究所）
(2003年)
摘要本文论述了当前预应力混凝土梁式桥存在的两大缺陷，一是跨中下挠，二是梁上裂缝。对于后者，主要叙述了斜裂缝和纵向裂缝，也涉及垂直裂缝和底板保护层劈裂，分析和讨论了这些缺陷产生的原因及防止方法，最后简要述及加固方法。
关键词预应力混凝土梁式桥收缩徐变温差预拱度主拉应力斜裂缝纵向裂缝
本文所提到的预应力混凝土梁式桥，主要是指连续梁和连续刚构。自20世纪80年代末以来，我国梁式桥的发展迅速，形势喜人。虎门大桥辅航道桥主跨270m，于1997年5月建成，曾居世界首位达一年半之久。我国已建成240m及以上的连续刚构11座，已经步入了世界先进行列。自然，还应学习其他国家的一些先进经验，例如挪威的Stolma桥主跨301m，是第一座跨径超过300m的预应力混凝土梁式桥，在跨中部分采用LC－60的轻质高强混凝土材料；跨中梁高仅有3.5m，远比我们所采用者要小。这些都值得我们研究和借鉴。
在肯定成绩的同时，也应当看到，有一部分梁式桥存在一些缺陷，甚至可以说问题不少，在建成后不长时间即损坏，甚至成为危桥。现在已经到了必须认真讨论总结的时候了。
一、主跨跨中的下挠
主跨跨中下挠已成了一种普遍的现象。
主跨270m的虎门大桥辅航道桥，至2002年10月，已下挠了17cm。该桥在悬浇立模标高的确定中，没有逐节段地计入混凝土收缩徐变的影响，而是参照了洛溪大桥建成后3年下挠6cm的实测数据，预留了10cm的徐变预拱度。现在看来是留少了，已被突破。
主跨245m的某大桥，跨中严重下挠，最大达32cm，并伴随出现大量斜裂缝。其他桥梁也有类似现象。
下挠的原因是：
（一） 对混凝土收缩徐变的影响程度及长期性，严重估计不足
现在大跨径预应力混凝土梁桥绝大多数采用悬浇法施工，随着混凝土强度等级的提高，截面越来越轻型，板件越来越薄。这些因素，必然使徐变系数越来越大。而且荷载大而经常，不仅恒载，而且活载也会产生一定的徐变挠变。
从施工而言，往往片面强调梁段的施工周期要短。而设计图纸上，往往仅规定混凝土强度达到设计强度的某一百分比（例如80%）时，即可施加预应力。但混凝土特性之一是早期弹性模量的增长滞后于强度的增长，强度达到要求时，弹性模量较低。过早施加预应力，不仅梁段在施加预应力时常常达不到设计上挠值，使施工控制出现一些困难；而且使徐变影响也变大。因此，目前趋势是除了规定混凝土强度外，还需保证有一定的时间，例如至少5天，才能进行张拉。
依照我的理解，梁的轴线有三条：
第一条是梁的设计轴线。
第二条是桥梁建成时的梁轴线。这些轴线一定比设计梁轴线要高些，预留收缩徐变引起梁的下挠值。
第三条是收缩徐变基本完成后的梁轴线，一定比第二条低，并最好与第一条较吻合。
现在实际情况是第三条低于第一条，甚至收缩徐变尚未基本完成时，梁轴线已较设计轴线为低。
为此，对徐变收缩影响应估计充分，预留的预拱度宁高毋低。甘肃某桥，主跨140m，建成后徐变预留了14cm的预拱度，达L/1000，就是一较好的实例。
其次，建议多收集一些现有大跨径梁桥的实测下挠数据值。按不开裂或开裂较严重两种不同情况，加以归纳分析，从中得到一些有益的启示和可供参照的经验数据。
（二） 结构出现裂缝的影响
结构跨中下挠是一个普遍现象，但只要注意分析，就可知道，开裂严重的结构其下挠值要大得多。上述主跨245m的某桥，裂缝有几百条，其下挠值达32cm。而其他裂缝较少的桥，其下挠值远较某桥为小。
跨中下挠与结构开裂是一对互相影响并促进恶化的孪生缺陷。裂缝越多，跨中下挠也越大；反之，跨中下挠越大，开裂也越严重。
（三） 施工的问题
某桥检查时在预应力管道上钻孔，竟流出了不少水分，可以认为，钢束已有锈蚀，有效预应力降低，这也是梁顶下挠原因之一。
这种现象有可能较普遍地存在，过去由于没有采用真空压浆技术，管道压浆不饱满；再加上砂浆配制没有充分考虑泌水性的要求，对于变截面梁上凸的底板束，一旦砂浆离析，管道顶部必然存水。应该大力提倡采用真空压浆技术，砂浆满足泌水性指标。
二、裂 缝
出现最多的是斜裂缝，即主拉应力裂缝，其次是顺桥向的纵向裂缝。以下主要讨论这两种裂缝，也涉及垂直裂缝与保护层劈裂。
（一） 斜裂缝
往往首先发生在剪应力最大的支座附近，与梁轴线成25゜～50゜开裂，并随时间的推移，不断向受压区发展；裂缝数也会增加，裂缝区逐渐向跨中方向发展。
如果斜裂缝限在受拉区且已趋于稳定，不再发展，则还可以容忍，暂不加固，注意观测。如果裂缝长度发展至受压区，或裂缝区逐渐向跨中发展，则应认为是严重的，必须加固处理。
图1斜裂缝（单位：cm）
出现斜裂缝的原因是：
1.设计方法
现在较普遍采用的设计方法，多数是在边跨梁端设弯起钢束（有过不设弯起钢束，光靠竖向预应力引起大量开裂的惨痛教训），而在主墩处主梁不设弯起束与连续束，藉顺桥向预应力束及竖向预应力束来克服主拉应力。这种方法方便施工，深受施工单位的欢迎。
但自不设主墩弯起束以来，从现象上来看，斜裂缝的出现及其严重程度大大增加了。因而，对这样的设计存在两种截然不同的认识：
（1）可以采用这种设计方法
目前是少数人的看法。他们认为，要充分估计竖向预应力的损失，宁可多估，不要少估。随着设计规范的修订，混凝土的容许主拉应力值也大大降低，为避免斜裂缝创造了有利的条件。施工上应该认真地对待竖向预应力的张拉，要和张拉纵向预应力一样地重视，必要时进行两次张拉。如果能做到这几点，主墩处不设弯起索仍可避免出现斜裂缝。
（2）应该在主墩处的梁中设弯起束。
目前是多数人的看法。他们认为，跨中梁高小，竖向预应力束短，预应力损失大，有效预应力难以控制，这是出现斜裂缝的最重要原因之一。至今为止，还没有人实测过永存的竖向预应力有多大，竖向预应力的徐变收缩损失，是否估计够；后张拉的竖向束，是否会对已张拉的竖向束产生附加的预应力损失。
他们认为，现在设计中仅从二维角度分析主拉应力是不够的，正确的作法应从三维进行分析，考虑活载的横向应力及温度梯度的应力。随着规范温度梯度的增大，使主拉应力有较大的增加。因此必须在主墩处的梁中设弯起来，也要认真地张拉竖向预应力。只有两者同时设置，才可能避免出现斜裂缝。
2.施工原因
有的施工单位对张拉纵向预应力非常重视，知道张拉不足会引起开裂甚至破坏，但对张拉竖向预应力认识不足，以致出现张拉吨位不足，甚至漏掉未张拉，或张拉后不压浆，导致出现斜裂缝。
这里再介绍一座106m跨径的连续刚构，采用悬臂浇筑的施工方法。由于盲目抢工期，悬浇时对挂篮既不压重，又是由内向外，导致挂篮下挠而在悬浇节段的交界面上出现裂缝，上大下小，虽张拉预应力，也不能闭合。造成桥还未建成，即需压浆处理，宽缝可以压进浆，小缝压不进去，但恒载剪应力已仅由断面未开裂部分承担而急剧增大。在建成后仅半年，大量斜裂缝出现，发展很快。经过核算，开裂后的剪应力为未开裂的5倍以上，甚至8倍。剪应力的急剧增大，也引起主拉应力的成倍增加，导致斜裂缝的出现。
开裂断面剪应力计算模式如图2所示。
（二）纵向裂缝
纵向裂缝较多地出现在顶底板顺桥向。除因未设横向预应力而在顶板下缘出现规范允许宽度的纵向裂缝外，还存在下列原因：
1.超载
在大跨径桥梁中，超载特别是超重车轴荷载的作用，对横向的影响更比纵向为大，这是因为纵向弯矩中，自重占极大部分；而横向弯矩，主要受活载的影响，轴重超过规范时，很易出现顶板下缘的纵向缝。
2.施加过大的纵向预应力
全预应力结构设计中，留有一定的压应力储备，以克服简化图式与实际的不致，以及局部应力等的影响，是必要的。一般可留2～3MPa左右。但有的设计人员误认为压应力储备留得越大就越安全。某桥跨径154m，所施加的预应力在克服恒载以后，压应力竟达15MPa。这样既过多地浪费了钢束，又会导致纵向裂缝的产生。
构件在承受轴向力时，轴向长度因弹性压缩而缩短，而与其垂直方向将因材料的泊松比而产生拉应变（图3）。如果正应力储备过大，会在其重量方向发生较大的拉应变，在最薄弱的截面，往往是沿预应力管道的截面会出现纵向裂缝。这种裂缝沿顺桥向的预应力管道发展，下渗的水沿管流动，造成锈蚀的危害比垂直裂缝还大。
3.温差应力估计过小
在我国现行的桥梁设计规范中，对温差应力，仅规定了翼缘与梁体的其他部位有5℃的温差，偏小，不安全（图4）。根据国外的研究，对于箱梁，温差应力可以接近甚至达到活载的应力。英国、新西兰规范的温度梯度，比我国大很多。这也是出现纵向裂缝的原因之一。
我国云南六库怒江大桥上，曾实测了温度变化和顶底板的应变，如图5所示，顶板应变比底板大，相差3.09倍。
已修订的《公路桥涵通用设计规范》（报批稿）中已规定了大得多的温度梯度。见图6。
H＜400mm时，A＝H-100mm
H≥400mm时，A＝300mm
铺装层类型
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T1（℃）
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T2（℃）
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混凝土铺装
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25
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6.7
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50mm沥青混凝土铺装层
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20
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6.7
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100mm沥青混凝土铺装层
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14
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5.5
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图6修订后的温度梯度
4.收缩引起的裂缝
甘肃某桥，双壁墩身建成后相当长时间，才建墩上0号块。由于墩身横向收缩已大部分完成，而0号块横向收缩受到墩身约束，导致
底板中部出现裂缝。
在0号块建成后相当长时间，再建1号块，也会因收缩差而出现纵向裂缝。
5.支座布置的影响
大跨径连续梁，支座中心与腹板中心有一定的横向间距。支座反力由腹板传至墩顶。某桥为150m连续梁，支座中心距箱梁外缘1.25m，每支座最大反力34000kN，支座与腹板中线90cm。采用空间分析，顶板中部上缘A点会出现4.9MPa拉应力（图7）。于是采取了措施，在墩上0号块箱梁上端施加横向预应力，此力比一般的横向预应力要大，并根据各施工阶段反力的大小，分级施加。如不采取此措施，顶板上缘肯定出现裂缝。
6.支座形式
墩上正确的横向支座布置，应该是一个固定，一个滑动，如图7所示，才可避免因温度或活载作用时出现纵向裂缝。现在有的设计，很注意纵向支座的固定或滑动类型，但有时不注意横向，往往把横向两个支座都布置成固定的，在荷载、温度、收缩的作用下很容易导致开裂。
7.水化热导致开裂
往往出现在悬浇施工底板较厚的梁根部，尤其在天气较冷时，拆模后即发现底板下缘存在纵向缝。
这种裂缝是在结构上没有作用任何荷载的情况下产生的。其原因是由于温差引起的应力（自平衡应力）高于缓慢提高的混凝土抗拉强度而产生。由图8a）可见，由于底板较厚，混凝土硬化期间产生水化热，在板厚中部温度最高，而两侧接触空气的部分稍低，尤以接触外界空气的板底温度最低。由于平面变形，就产生了自平衡应力，板外缘受拉，中部受压，当拉应力大于该时混凝土的抗拉强度，见图8b），就可能引起开裂，出现底板下缘的纵缝。但这种裂缝，往往限于混凝土表面，有害影响相对较小，可不处理或加以压浆封闭即可。
8.畸变
箱梁约束扭转时发生畸变，腹板板件变弯，配筋不足时会在腹板上出现纵向缝。尤其是弯箱梁，预应力束也会产生畸变。
（三）垂直裂缝
在预应力混凝土桥梁中，出现受弯的垂直裂缝相对来说是较少的，但有时还能见到。
1.垂直裂缝产生的原因
（1）设计原因
设计中对于梁桥的正截面强度和应力，一般都是很注意的，但有时也会出现疏忽，导致实际有效预应力不足而出现垂直裂缝。
我们见到过的一个桥梁设计，为跨径35m的预应力混凝土空心板，预制，每板宽1.5m，双室，简支安装，最终成为3孔一连的连续板。按部分预应力A类构件设计，预应力体系采用扁锚，中腹板上布5束，竖向放置并弯起。为了节省预应力束，致使梁自重挠度比施加预应力后的上拱度还大7mm，即施加预应力后梁不会上拱，设计中梁体跨中设向上1.5cm的预拱度，与一般采用的设向下预拱度不同。
这个设计在两个工地上采用，一个工地施工较粗糙，出现超重及内模走动、腹板厚度变动的情况，其台座是一次性的，台座两端有贯通裂缝，未架设的边梁存在垂直裂缝，其中有一片较严重，缝宽有0.2mm；梁也存在下挠，最大4cm。
另一个工地施工工艺较细致，断面尺寸正确，表面光滑，其台座是多次重复使用的，处理较好，未出现裂缝。板已架设，且已封铰及浇筑连续段混凝土。在拟浇防撞栏时，发现梁体下挠，最大到4cm。用吊车载人检查两片边梁，发现有垂直裂缝40～50条，缝宽最宽已达0.3mm以上，缝间距20～50mm，其中2/3的裂缝长度已超过梁高一半。
分析其原因，设计原因是主要的，实际有效预应力严重不足。首先将扁锚竖向布置用作弯起束是错误的，各束在同一管道中互相挤紧扭结，不仅仅是沿管道及弯起的摩阻损失，预应力损失很大，远远超过计算，张拉时延伸量也难以达到，这是主要原因。
其次，设计中预应力配置不足，梁体不上拱，何况预应力损失增大很多，梁体与台座粘结而不脱离。在施加梁体预应力时，梁体要压缩，而台座与梁底出现了摩阻力，这一项预应力损失是在设计中未予考虑的。两个工地，一个工地质量粗糙，用一次性台座，处理简单，在张拉预应力时台座出现较宽的横向裂缝，表示梁体已完成了一部分弹性压缩，因此梁体裂缝相对较少。而另一个工地，浇筑质量较好，用处理较好的多次重复使用的台座，在张拉预应力时台座未损坏，意味着梁体弹性压缩完成少，台座与梁体间摩阻损失大，出现裂缝反多。
图10台座与梁底的摩阻力
由于预应力损失加大，因此尽管设计计算时，在梁体自重并施加预应力后，下缘混凝土是受压的，但实际产生很大的拉应力，导致开裂。后来的验算也表明，就连受弯承载能力极限状态也通不过。
这个实例告诉我们，在设计中千万不要用扁锚竖向布置作为弯起钢束，千万不要因过分节省预应力束而形成加预应力后梁体不上拱，这都将导致跨中有效预应力的严重不足而出现垂直裂缝，以及因混凝土徐变而引起的梁体下挠。
（2）施工原因
上面在叙述主拉应力斜裂缝时，已提到某桥因盲目抢工期，5天一个周期，工艺粗糙，在梁的悬臂浇筑中，既不预压重，又不调整挂篮挂索，浇筑顺序由里向外，由于挂篮下挠，使在与上一梁段连接的工作缝处出现垂直裂缝，最大的甚至宽达3mm，不得不进行压浆处理，并导致出现斜裂缝。
变截面梁底板预应力索孔道跨中上凸，一旦压浆发生离析，形成上层有水，索会发生锈蚀，有效预应力因而降低而产生垂直裂缝。
有的工地浇筑梁体混凝土时气温过高，空气干燥，保护不够，导致拆模时即出现垂直裂缝。这种裂缝大多限于表面，只要选择较低气温时浇筑，并注意保温养生，是可以避免的。
（四）底板保护层混凝土劈裂
表现为底板预应力束下的混凝土保护层劈裂，有时可达相当宽的范围。
（1）设计原因
1）保护层过薄
有的设计人员往往片面从充分发挥预应力束的作用出发，盲目减少其保护层。这种情况下，容易产生底板劈裂，尤其在变截面梁底板顺桥向呈弯曲的情况下。
2）未采取抗径向力措施
在变截面梁底板为弯曲的抛物线形，底板束张拉时，会产生向下的径向分布荷载：
q=
图12弯曲钢束引起的径向分布荷载
如果底板保护层过薄，又未采取抗径向应力的措施，容易引起混凝土的劈裂。
正确的设计往往按此分布荷载设平衡箍筋，使这部分力，通过平衡箍筋传递于上层钢筋，进而使全底板承受此力，就能防止底板劈裂的发生。
（2）施工原因
对已设置的波纹管道保护不够，受到局部重载，形成折曲，张拉时引起向下的分力，这也是底板劈裂原因之一，尤其在过早张拉，混凝土强度还未足够时。
这种缺陷，必须加以处理，因为波纹管暴露空气中，易引起锈蚀，进而影响预应力束的锈蚀；而且也为了保证预应力束与混凝土有足够的握裹力。
三、结束语
上面叙述了预应力混凝土梁桥的最主要缺陷及其原因分析。另外，还有些其他缺陷，如齿板处开裂，横隔板裂缝等，这里就不再论述了。
知道了缺陷及其成因，加固处理的方法也就容易解决了，往往是：
1.压浆封闭。
2.粘贴碳纤维或钢板，解决受拉或主拉应力能力不足的问题。
3.加厚板件，以解决主拉应力或压应力过大的问题。
4.增加预应力索，减小梁的下挠，或解决抗弯或主拉应力能力不足的问题。
参考文献
1 周军生.变截面连续梁式桥设计中应当注意的几个问题.公路交通科技，2001（4）。
2 中交公路规划设计院：《预应力混凝土梁桥裂缝成因分析研究报告》，1998。
3 《混凝土结构的裂缝和裂缝控制》，《北京公路》1989年2期。
