大跨径梁式桥的主要病害
2012-01-30 来源：交通部公路科学研究所
目前在我国大跨梁式桥，存在一些较常出现的病害。概括起来，有两大类，即：一、跨中下挠；二、梁体开裂。
总的来说，跨径80~100m以下的梁桥，病害较少些；跨径100~160m的梁桥，病害就多些；跨径160m以上的梁桥，病害就较重些。
一、大跨径梁式桥的跨中下挠
是一个较普遍的现象。尤其是一些大跨径梁式桥，跨中下挠与梁体跨中段垂直裂缝或大量斜裂缝伴随出现，其下挠可达到相当大的数值，病害较严重。
黄石长江 跨中下挠，最大已达到33.5cm，折合跨径的1/729，当然同时出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中区段垂直裂缝。
根据已发表的资料，虎门大桥辅航道桥跨中下挠，最大已达到22cm，折合跨径的1/1227，与此同时跨中存在一些垂直裂缝，及主拉应力斜裂缝。此下挠值已远远超过原设计预留值10cm。最近由于垂直裂缝的发展，下挠值又增大到26cm，折合跨径的1/1038。
跨中下挠的原因分析如下：
（一）对混凝土徐变的严重性和长期性，认识不足。
混凝土徐变，是梁桥下挠重要原因之一。大跨径梁桥的恒载内力，占总内力的80%、甚至90%以上。为减小恒载内力，必然要走轻型化的道路。由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》可知，混凝土构件的理论厚度越小，徐变系数越大。梁的箱形板件越薄，理论厚度就小，就有较大的徐变系数。
一些大跨径梁桥，例如虎门大桥辅航道桥，历时5年以后，下挠仍在继续。
（二）设计上缺乏主动控制梁桥恒载下挠值的意识
设计上非常重视施工各阶段的强度和应力验算，这是正确的，但对于施工各阶段控制挠度的重要性认识不充分，认为可以通过施工控制，调整模板标高与设预拱度即可得到解决，而没有有意识地去主动控制施工阶段下挠值。恒载下挠就可以达到一个相当大的数值。
徐变下挠与恒载弹性下挠大体成正比。恒载弹性下挠越大，徐变下挠也就越大。设预拱度是被动的，它可以抵消一部分下挠，但却丝毫不能减小徐变下挠总量。
（三）片面强调缩短施工周期
施工单位往往希望缩短施工周期，再加上过去一些设计图纸上往往仅标明，混凝土强度达到设计要求强度的多大百分比后，即可张拉预应力，而没有对混凝土的加载龄期提出要求。
过早加载，可能引起两个后果：
1、早期混凝土弹性模量的增长滞后于强度的增长，混凝土虽达到规定强度要求，但混凝土弹性模量往往仅达到设计值的70%甚至还小些。因此在预应力弯矩不能完全抵消自重弯矩时，会使施工阶段弹性下挠值增大。
2、早期加载，使混凝土徐变增大。由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的混凝土徐变系数终极值可见，3天加载与7天加载比较，徐变系数终极值增加15%，甚至20%。过早加载会不仅使预应力的徐变损失加大，而且使徐变挠度增大。
由于预应力的徐变损失是随时间而逐步完成的，因此梁桥在建成后，总还有因预应力徐变损失而导致的恒载挠度的存在。
（四）部分活载也会产生徐变挠度
过去，徐变挠度只对恒载而言。现在情况不同了，在繁忙交通的路段上，桥上车流日夜不断，部分活载也实际成了“恒载”，也会产生徐变挠度，导致下挠增大。
（五）施工质量上也还存在一些缺陷
1、有的工地上，对进行预应力损失试验重视不够，没认真去做。现在确实有些试验表明，预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失，比设计采用值大很多，甚至差几倍。如果忽视这点，就无法在施工中进行调整，这样就会导致有效预应力不足，下挠增大。
2、预应力管道的压浆，存在不饱满有空隙，或者浆体离析的现象。浆体离析，往往使上凸的底板预应力束的跨中部分泡在水中，易锈蚀而减小有效面积，导致有效预应力不足。一些旧桥加固的实践也表明，管道中流出的是带铁锈的黄水。
这两点以及上面分析的预应力钢筋预应力徐变损失的加大，都不但会增大梁跨中的下挠，而且可能导致梁正截面强度的不足而出现垂直裂缝。
（六）梁体开裂，挠度加大
梁体在下挠的同时开裂，不论是斜裂缝或垂直裂缝，都会导致梁的刚度降低，会使挠度加大，尤其在较严重的斜裂缝和垂直裂缝时。
跨中下挠的预防对策：
（一）梁有足够的正截面和斜截面强度
鉴于跨中下挠往往与垂直裂缝与斜裂缝一起发生，相互促进恶化，因此保证梁有足够的正截面强度和斜截面强度是首要的。恒载内力一定要按结合实际施工步骤进行，以防止负弯矩计算值偏小。计算中要充分考虑徐变的不利影响。
（二）设计中要控制梁的恒载挠度在一个较小值。
在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的正常使用极限状态中，规定了活载作用下的梁桥挠度不得大于L/600，而对恒载挠度未作规定，认为用预拱度即可解决。从目前大跨径梁桥出现下挠的情况看，这是不够的，极有必要在正常使用极限状态中，补充规定恒载挠度值，在设计中予以执行。此规定值可以从调查现有大跨径梁桥的挠度着手，并从理论上分析下挠与开裂的关系而确定。在此恒载挠度下，梁仅有下挠而不开裂。从目前的认识，可暂按L/1400考虑。徐变终极值要按桥的具体情况计算，不要按一般概念都取用2，而导致低估徐变挠度。
正像有些钢筋混凝土弯匝道桥，往往是由正常使用极限状态的裂缝宽度控制设计，而不是由强度极限状态控制设计一样；在大跨径梁桥中，也有可能由正常使用极限状态的恒载挠度控制设计，而不是由强度极限状态控制设计，其强度有富裕。为了控制挠度，可适当增加预应力钢筋。在梁根部区段，可使悬臂节段的自重完全由预应力抵消。在跨中区段，必要时也可采取其他措施，来减小梁的弹性挠度[3]。
由于梁的正截面和斜截面强度得到保证，而且恒载挠度控制在一个较小值，不会同时出现下挠与开裂。在这样的前提下，可以设一些预拱度，以消除预应力徐变损失以及由混凝土徐变引起的徐变挠度对线形进行调整。
（三）最终合拢主跨前，在两悬臂端施加水平力对顶，然后合拢。不仅有利于减小跨中控制内力，也有利于减小跨中下挠。
（四）要适当增加底板合拢束，并预留体外备用钢束。
（五）加强施工质量管理
混凝土加载龄期至少应在7天以上，采用真空压浆，浆体必须满足泌水性的要求，重视并及早进行工地的预应力损失试验等。
二、梁体开裂
包括梁上出现垂直裂缝、斜裂缝、纵向裂缝、混凝土劈裂、横隔板裂缝以及齿板裂缝等。下面只讨论前三种裂缝。
（一）主拉应力斜裂缝
是出现最多的梁体裂缝。往往首先发生在剪应力最大的支座附近，与梁轴线呈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，裂缝区向跨中方向发展。
斜裂缝的另一个特征是箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重。这已为一些大跨径梁桥的检查结果所证实。
斜裂缝的宽度如在0.2mm以下，而且其长度、宽度和数量已趋稳定，不再发展，那么这类裂缝基本属于无害裂缝，不需加固，但要注意观察，要封闭。而实际上大跨径梁桥上往往存在宽度较大、且不断发展的严重斜裂缝，已反映出梁的斜截面强度不足。
在设计中，对于梁的主拉应力都进行验算，并通过。但在实践中，这类裂缝还是大量出现，已成为一种主要病害。
出现斜裂缝的原因分析如下：
1、取消弯起束
从上世纪90年代开始的一段时期内，在箱梁桥的设计中，较普遍地取消弯起束，而用纵向预应力和竖向预应力来克服主拉应力的设计方案。这样做法方便施工，可以减薄腹板的厚度。但竖向预应力筋长度短，预应力损失大，有效预应力不易得到保证，经过几年的实践，带来的是斜裂缝大量出现的教训。首先在某桥上取消了梁端的弯起束，引起梁端部大量严重的斜裂缝出现，使人们认识到梁端必须设弯起束。后来在很多梁桥的主墩附近梁体上也大量出现斜裂缝，从而认识到取消弯起束是不妥当的，于是重新回到设弯起束的正确轨道上来。但为此已付出了一定的代价。
2、作为平面问题分析，主拉应力偏小
现在设计中通常仅从纵向和竖向二维来分析主拉应力，
即 ，但还不够，没有考虑横向的影响。
箱梁中横向应力是不小的。由于箱底板的自重以及上翼缘的悬臂，腹板内侧受到横向拉应力，这就是箱内腹板斜裂缝比箱外腹板严重的原因。除此以外，活载、温度梯度都会使箱承受横向应力。张拉底板束引起的径向力会在某些范围内产生腹板竖向拉应力。不考虑横向应力的影响，必然使计算的主拉应力值偏小。正如《苏通大桥副桥连续刚构设计》一文所说，“经计算分析，箱梁的横向荷载对腹板产生的效应很大。……考虑此项效应的主拉应力将远超出规范允许值。”[4]
此外，由于采用箱形截面，扭转、翘曲、畸变也会使腹板中的剪应力加大，从而增大主拉应力。
因此，应该按三维进行分析。过去大跨径梁桥出现较多斜裂缝，重要原因之一可能与设计上对主拉应力估计不足有关。
3、腹板特别是根部区段腹板偏薄，配置普通钢筋偏少。
4、竖向预应力施工操作不规范，有效预应力严重不足，有的竖向预应力筋甚至松动，根本没有张拉力。
5、个别桥梁施工质量差，悬臂施工盲目抢时间，在混凝土初凝时间小于节段浇筑时间的情况下，既不对挂篮压重，又自内向外浇筑混凝土，导致挂篮下挠，节段界面上缘开裂，其宽度以mm计。造成新桥即需压浆修补裂缝，在通车后不久出现严重斜裂缝。按现有裂缝验算，剪应力增大5~8倍，导致主拉应力的成倍增长，因而出现斜裂缝。这种缺乏基本常识的低级错误，决不应该再犯了。
预防对策是：
1、保证有足够的斜截面强度。
2、采用三维分析箱梁的主拉应力，不要漏项。
3、必须配置弯起束，同时也应配置竖向预应力束。必须充分考虑预应力损失。对竖向预应力束，应采用二次或多次张拉，确保其有效预应力。
4、适当增加腹板特别是根部区段腹板的厚度及其普通钢筋含量，加密箍筋，加粗加密梁高范围纵向水平钢筋。
（二）、纵向裂缝
纵向裂缝是与桥轴方向平行的裂缝，较多地出现在顶底板，也是出现很多的一种裂缝。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，对横向的影响比纵向更大，这是因为纵向弯矩中，自重占绝大部分；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裂缝。
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一致，以及局部应力等的影响，是必要的。一般可留2~3MPa。但有的设计人员误认为压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。如果正应力储备过大，会在其垂直方向发生较大的拉应变，在最薄弱的截面，往往在沿预应力管道的面上出现纵向裂缝。这种裂缝沿顺桥向的预应力管道发展，流下的水沿管流动，造成锈蚀的危害比垂直裂缝还大。
3、温差应力估计过小
我国过去的桥梁设计规范中，对温差应力，仅规定了翼缘与梁体的其他部位有5℃的温差。这样的温差偏小，不安全。根据国内外的研究，对于箱梁，温差应力可以接近甚至达到活载的应力。英国、新西兰规范规定的温度梯度，比我国大很多。这也是出现纵向裂缝的原因之一。
现行《公路桥涵通用设计规范》中已规定了比过去大得多的温度梯度。这个问题可望得到解决。
4、收缩引起的裂缝
双壁墩身建成后相当长时间，才建墩上梁的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。
因此，节段浇筑时间间隔不要过长，截面配筋要考虑收缩影响。
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，支座与腹板中线间距90cm。采用空间分析，顶板中部上缘A点会出现4.9MPa拉应力。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，才可避免因温度、收缩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，这是正确的；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、由于顶板较薄，要布置横向预应力束和普通钢筋，预应力筋的位置较难精确控制，一旦偏差较大，易在顶板下缘出现纵向裂缝。
8、在箱梁自重下腹板内侧有横向拉应力，与其他作用等组合，当配筋不足时会在腹板发生纵向裂缝。
9、变截面箱梁的底板由于施加预应力而产生径向力，当底板横向配筋不足，会在底板横向跨中下缘及横向两侧底板加腋开始的上缘，出现纵向裂缝。
10、水化热导致开裂
这种现象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裂缝。
这种裂缝是在结构上没有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时，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。
（三）垂直裂缝
在大跨径梁桥的设计中，通常采用全预应力设计。无论是全预应力或部分预应力A类构件，都不应该出现垂直裂缝。出现垂直裂缝，反映了正截面强度的不足。
出现垂直裂缝的原因及预防对策，已在分析梁体下挠中讨论过，这里简述如下：
1、有效预应力不足
过早加载，预应力徐变损失大。
沿管道预应力损失偏大。
底板预应力筋因管道压浆不饱满和浆体离析而锈蚀。
2、对剪力滞影响考虑不够
3、梁体下挠过大以及斜裂缝过宽过多的影响，促使垂直裂缝出现。
