侯铁钢
(河南省收费还贷高速公路管理中心 航空港管理处,河南 郑州 450000)
摘 要：为探讨预应力损失条件下大跨度预应力混凝土连续刚构桥的病害形式和程度，以某(72+128+72) m刚构桥为工程背景，考虑桥梁纵、竖向预应力损失作用，建立连续刚构桥病害分析仿真模型，研究预应力损失可能引发的病害，并与实测结构受力和裂缝分布状况进行对比验证。研究结果表明：纵向预应力损失会引起跨中梁体下挠，且顶板的损失效应最为显著。竖向预应力损失对梁体下挠的影响较小，它会导致主拉应力水平上升而产生斜向裂缝。裂缝实测分布与有限元仿真分析的应力超限位置相吻合。
关键词：连续刚构桥；病害分析；预应力损失；挠度；裂缝
连续刚构桥是公路桥梁中一种重要的大跨桥梁结构型式，具有受力合理、施工技术成熟及后期维护少等诸多优点。然而，在连续刚构桥运营过程中，由于预应力损失等原因，导致桥梁结构病害。典型的病害有跨中挠度过大和箱梁裂缝扩展等[1-2]。裂缝的形成会降低主梁的抗弯刚度。在荷载作用下，结构跨中会产生较大的挠曲，而下挠又引起新的裂缝。现有研究[3-4]表明：连续刚构桥的预应力损失具有损失幅度大和分布不规律等特点。因此，需要对预应力损失引发的病害及其量化关系进行研究。
以某(72+128+72) m连续刚构桥为工程背景，作者拟建立有限元仿真模型，分析纵、竖向预应力损失对结构挠度和主应力水平的影响，并分析结构挠度对顶、底板束预应力损失的敏感度。结合实测箱梁裂缝数据，对比验证各向预应力损失对大跨度连续刚构桥病害的影响规律。
1.1 工程概况
某大跨度连续刚构桥跨径布置为(72+128+72) m，采用变高箱形截面，墩顶梁高7.2 m，跨中和边支点梁高2.6 m，变高段梁高为1.8次抛物线。刚构桥主墩和主梁均采用C55混凝土，边墩采用C40混凝土。主梁采用三向预应力体系，除竖向预应力为精轧螺纹钢以外，结构的纵向和横向预应力均采用强度为1 860 MPa的低松弛预应力钢绞线。
主梁纵向按全预应力结构设计，全桥分为2个T构同时施工，且每个T构分为13个节段。在每个对称悬臂浇注节段，锚固4束顶板钢束；每个节段配有下弯腹板束，1#～3#节段各张拉4束腹板束，其余各个节段各张拉2束腹板束。合龙段钢束布置为：边跨合龙段顶板束4束，底板束12束；中跨合龙段顶板束4束，底板束24束。由于主梁跨径大，为防止施工时出现预应力孔道堵塞无法张拉等意外情况，全桥在顶、底板中分别布置4束备用束，待正常施工完成后压浆封闭。对称悬臂浇注施工节段的顶板束和腹板束均对称锚固于节段端部预留锯齿处，边跨支架现浇和合龙段钢束均锚固于梁体内齿块上。边跨合龙束则采用单端张拉方式，梁端无须预留张拉空间。两侧引桥先行架设，以节约施工工期。
1.2 有限元仿真模型
基于Midas/Civil 2010有限元软件平台，建立大跨度预应力混凝土连续刚构桥仿真模型，并考虑施工阶段和收缩徐变的影响，桥墩和主梁均采用梁单元模拟，全桥模型共180个单元，195个 节点。
该模型采用支承模拟边跨支座，以刚性连接模拟主梁和桥墩之间的联系，并忽略桩基变形，在墩底采用固结约束。基于Midas软件平台，在预应力截面属性中，输入竖向预应力参数。基于全桥有限元仿真模型计算荷载作用下主梁的内力和变形，对比研究结构在单一预应力损失作用下的挠度和应力变化规律。
2.1 纵向预应力损失
2.1.1 挠度
相关规范[5]规定：预应力混凝土梁桥在消除自重挠度后的最大挠度不应超过L/600。根据结构力学，结构挠度是其刚度的直观体现，因此，可通过监测预应力损失条件下主梁的挠度变化来分析其对主梁刚度的影响。纵向损失由顶、底板内的预应力损失构成。为研究顶、底板束对结构下挠变形的影响，分别设计单一变量模型进行分析。针对不计底板损失的情况，分别计算顶板预应力损失为0%～40%条件下的结构挠度；针对不计顶板预应力损失的情况，分别计算底板预应力损失为0%～40%条件下的结构挠度。预应力损失通过调整钢束张拉应力进行控制，其一半主跨的挠度计算结果分别如图1，2所示。
图1 结构下挠随顶板损失幅度的变化
Fig.1 The change of the structure torsion with the loss ratio of the roof
从图1，2中可以看出，随着顶、底板预应力的损失幅度增加，跨中的挠度就增加，且顶板预应力损失对结构挠度的影响更加显著。顶、底板各损失10%时，结构跨中下挠值分别为76.8 mm和71.9 mm，挠度的增幅分别是10.4%和4.8%；顶、底板预应力各损失30%时，结构跨中下挠值分别为94.68 mm和82.26 mm。此时，挠度的增幅分别为37.9%和19.8%。
图2 结构下挠随底板损失幅度的变化
Fig.2 The change of the structure torsion with the loss ratio of the floor
2.1.2 主拉应力
梁体腹板斜向裂缝是由于主应力达到材料极限抗拉强度所导致，其开裂方向与主应力法向重合[6]。通过研究预应力损失对结构主拉应力的影响，从而预测结构最可能开裂的部位。在荷载短期效应组合下，现场浇筑的全预应力构件的主拉应力≤0.4ftk[5]。为满足强度和使用要求，大跨度连续刚构桥的纵向预应力束在适当位置起弯，对结构的主拉应力具有一定的影响。为研究腹板裂缝形成与纵向损失之间的关系，结合工程实际计算预应力损失幅度为0%～40%之间的结构主拉应力变化，其计算结果如图3所示。
图3 结构主拉应力随纵向损失幅度的变化
Fig.3 The change of the main tensile stress with the longitudinal loss ratio
从图3中可以看出，随着纵向预应力损失的变化，在L/4处梁体的主拉应力最大，而在主梁跨中附近区域的主拉应力受纵向损失的影响较小。纵向预应力无损失时，结构在L/4处的主拉应力仅1.03 MPa，腹板不会开裂；而损失幅度达40%时，其对应的最大主拉应力达3.18 MPa，腹板必然沿主拉应力法向开裂。
2.2 竖向预应力损失
大跨度连续刚构桥主梁的梁高较高。为保证截面整体性，常在腹板位置处布置竖向预应力高强钢筋[7-8]。现有研究[9]表明：竖向预应力损失会导致腹板产生斜向裂缝，而该裂缝的产生又将影响截面的整体刚度，从而对梁体的受力和变形造成影响。针对主梁竖向预应力损失幅度为0%～30%区间的4种情况，计算结构在竖向预应力损失条件下挠度和主拉应力的变化。
在不同竖向预应力损失幅度下，结构主拉应力分布如图4所示。从图4中可以看出，在竖向预应力无损失条件下，结构主拉应力水平在1 MPa以内。而当竖向预应力损失达30%时，其主拉应力可达3.5 MPa以上。腹板处的主拉应力随着竖向预应力损失幅度的增加而增加。在不同幅度竖向预应力损失条件下，结构挠度的变化甚微，即对结构纵向刚度的影响极为有限。
图4 结构主拉应力随竖向损失幅度的变化
Fig.4 The change of the main tensile stress with the vertical loss ratio
有限元仿真模型结果显示，大跨连续刚构桥的L/4处主拉应力水平最高，墩顶附近主拉应力亦较大，而跨中位置的主拉应力最小。究其原因，对于连续刚构桥，墩顶的剪力最大，剪力由墩顶向跨中逐渐减小。跨中的剪力最小，因而该部位的主拉应力也最小。对于墩顶附近区域，其剪力最大，同时结构梁高也最高，腹板的厚度和箍筋数量均最大，配合竖向预应力和纵向预应力，该区域的主拉应力水平并不高；对于L/4截面处，其剪应力很大，且梁高和腹板厚均在变化，该区域的主拉应力水平达到最高，构成主梁腹板裂缝易发段。
针对(72+128+72) m连续刚构桥主跨区域进行裂缝调查，并将裂缝按施工节段进行分别统计。刚构桥主跨悬浇段长度组合为(3.5+3×4+ 5×4.5+4×5) m，边跨和中跨各设2 m合龙段。主梁中跨各节段实测裂缝的数量、尺寸及倾角等数据见表1。
表1 主梁腹板裂缝参数
Table 1 Crack parameters of the main girder web
节段号裂缝编号长度/cm宽度/mm倾角/(°)8#16500.30459#11750.15459#23100.25459#34500.654510#13000.754510#22500.204511#11800.204511#22000.1545
由表1可知，实测主跨腹板的裂缝分布于L/4附近区域，其倾角均为45°，裂缝长度达1.75～6.5 m，裂缝的实测结果与有限元仿真模型分析的应力超限位置相吻合。
针对连续刚构桥腹板易开裂的L/4处截面，考察该截面处腹板上缘点、中点及下缘点处的主拉应力在纵向和竖向预应力损失作用下的变化情况，分别如图5，6所示。
图5 L/4截面主拉应力随纵向损失幅度的变化
Fig.5 The change of L/4 section of the main tensile stress with the longitudinal loss ratio
从图5，6中可以看出，主拉应力水平与纵、竖向预应力损失均呈正相关，其中腹板上、下缘节点处的主拉应力水平及其变幅均较小，中部节点处的主拉应力水平及其变幅均较大。对于梁体的C55混凝土，当纵向损失幅度达35%时，其主拉应力水平将超限。而当竖向预应力损失幅度达20%时，其主拉应力水平即达到混凝土抗拉强度。对比分析表明，竖向损失对箱梁的主拉应力影响更为显著。
图6 L/4截面结构主拉应力随竖向损失幅度的变化
Fig.6 The change of L/4 section of the main tensile stress with the vertical loss ratio
由于竖向预应力钢筋长度较短，在现场施工时，极易因施工误差而导致较大的预应力损失。在温度梯度和收缩徐变的作用下，箱梁腹板极易开裂。在设计和施工过程中，应采取合理的构造和施工控制措施，保证箱梁竖向预应力的施工质量，减少腹板开裂的可能性。
以某(72+128+72) m连续刚构桥为工程背景，通过分析纵向、竖向预应力损失对结构挠度和主应力水平的影响，结合实测箱梁裂缝数据进行对比，研究了预应力损失对连续刚构桥病害的影响。得到的结论为：
1) 纵向预应力损失会加剧梁体跨中下挠，且在相同的损失幅度条件下，顶板预应力损失引起的梁体跨中下挠值大于底板的。而竖向预应力损失引起的结构附加下挠值很小，即竖向预应力对结构的纵向抗弯刚度影响很小。
2) 有限元仿真模型计算结果表明：结构在L/4截面附近区域的主拉应力水平最高，纵、竖向预应力损失引起的主拉应力增幅较大，且该桥的实测裂缝数据表明，裂缝多出现在L/4附近，对比验证了该区域为腹板易开裂区。
3) 腹板主拉应力与纵、竖向预应力的损失比例均呈正相关。与纵向预应力相比，竖向预应力损失更易使腹板主拉应力水平达到抗拉极限强度而导致开裂。设计和施工中应采取合理的构造和施工控制措施，保证箱梁竖向预应力的施工质量，减少腹板开裂的可能性。
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HOU Tie-gang
(Henan Provincial Expressway Management Center,Zhengzhou 450000,China)
Abstract：In order to investigate the damage form and the degree of long-span prestressed concrete continuous rigid frame bridge under the condition of prestressed loss，a (72+128+72) m rigid frame bridge is studied，and the damage of continuous rigid frame bridge is considered.A continuous rigid frame bridge damage analysis and simulation model is established to study the possible damage caused by the prestressed loss，and the stress and fracture distribution of the model are verified.The results show that the longitudinal prestressed loss can cause the deflection of the span，and the loss of the roof is the most significant，and the vertical prestressed loss has little effect on the deflection of the beam.The vertical prestressed loss can lead to the rise of the main tensile stress level，and the results are in good agreement with the measured values of bridge cracks.
Key words：continuous rigid frame bridge;disease analysis;prestressed loss;deflection;crack
收稿日期：2015-12-09
基金项目：国家自然科学基金项目(51108046)
作者简介：侯铁钢(1974-),男，河南省收费还贷高速公路管理中心高级工程师。
文章编号：1674-599X(2016)02-0063-05
中图分类号：U448.23
文献标识码：A
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