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连续刚构桥梁跨中下挠问题研究

连续刚构桥梁在桥墩及桥梁梁体处采用固结的结构形式，使得桥梁梁体与桥墩形成一个整体共同受力。这种结构形式将影响结构刚度将影响桥梁的结构变形，总的来说就是桥梁跨中下挠。且跨径越大，恒载所占比例越大，跨中下挠问题就越严重。桥墩的越高，结构柔度越大，施工中越容易产生产生偏差。本文主要对跨中下挠原因进行分析，并提出相关建议，为后续运营提供参考性意见。
一、广州地铁连续刚构桥梁现状
广州地铁二十一号线、十四号线存在较多的高架段，高架主要以连续刚构桥梁为主。二十一号线连续刚构桥单跨最大为95米，十四号线单跨最大为150米。而随着桥梁跨度的增大，恒载所占的比例也愈来愈大，进而引发了次生病害。病害主要体现为箱梁裂缝、跨中下挠等问题。跨中下挠会加剧梁体开裂，而裂缝发展又会使得连续刚构桥梁结构刚度降低，进一步加剧跨中下挠，两者相互影响，形成恶性循环。
以65米跨为例，采用39.3+65+39.3m跨度，主跨65m跨越规划路，梁位于直线及缓和曲线范围，全长143.6m。上部结构采用单箱单室斜腹板箱梁，梁顶宽10m，箱梁翼缘悬臂长2.1m。中墩顶梁段截面梁高为3.5m；边跨墩顶截面、中跨跨中截面，梁高均为2.0m；梁高按2.0次抛物线变化。中跨跨中主梁底板宽3m，边跨跨中主梁底板宽2.4m。箱梁顶板厚度30cm，除设横隔位置及墩顶处沿全桥一致。悬臂浇筑段底板厚度从跨中截面的46cm到中墩截面变化至100cm，按二次方抛物线变化。合龙段箱梁底板厚度为46cm。悬臂浇筑段腹板厚度从跨中截面的42.2cm按折线变化至71.4cm。箱梁悬臂板端部厚度为25.5cm，根部厚度为45cm。箱梁内在边中墩顶、中跨跨中设置横隔板，边跨端部及中跨跨中横隔板宽0.8m，中墩支点处横隔板宽2m。

根据设计文件及规范要求，在列车荷载作用下，梁体挠度容许值如下：
梁体竖向挠度容许值
跨度L（m）
挠度容许值
L≤30m
L/2000
30m
L/1500
该线路于2018年底开通试运营，运营期间每年对桥梁挠度进行一次监测，从监测数据显示，跨桥梁梁体挠度最大下挠-0.41mm，在挠度容许值范围内，结构处于稳定状态。
二、跨中下挠原因分析
跨中下挠会导致桥梁发生相关病害，近年来国内外专家对连续刚构桥梁下挠现象进行大量研究，并取得了相应成果，具体如下：
（一）预应力损失
连续刚构桥下挠其中预应力损失是最为重要的原因[1]，其具体表现主要是因为预应力损失太大，而造成预应力损失的主要原因有以下几点。
1、预应力钢筋与管道之间的摩擦引起的预应力损失。在施工过程中，单个管道长度无法满足预应力钢筋的预埋要求，因此往往需要通过对预应力管道进行拼装。在同时具有平弯和竖弯的情况下，预应力钢筋与管道之间会产生摩擦，进而引起的预应力损失。在设计过程中，预应力钢筋与管道的摩擦往往按经验值进行计算，可能存在与实际存在一定偏差；
2、预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失。钢绞线（钢丝）的松弛率超限，量测表具数值有误，实际张拉值偏小，锚具下混凝土局部破坏变形过大均有可能导致预应力钢筋的预应力松弛。
3、混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失。混凝土在浇筑完成后体内所含水分的变化、化学反应以及温度降低等物理化学因素会引起其本身体积缩小，设计时若混凝土徐变效应估计不足，将会导致预应力混凝土构件的预应力损失。
（二）施工质量缺陷
施工管理不够完善，施工单位在施工过程中，往往会过早的加载，从而加快混凝土徐变的损失。混凝土收缩徐变，在不同龄期，徐变系数不一样，加载龄期越短，徐变系数越大。施工单位在混凝土强度到达百分之八十左右就开始预应力张拉，而此时的混凝土弹性模量只有设计值的百分之七十。同时施工时预应力管道定位不准，改变了预应力束偏心距，孔道注浆不足，预应力钢束张拉应力小于设计值，混凝土超方等，都会对桥梁跨中挠度造成影响。
（三）结构开裂
连续刚构桥箱梁在施工及后续使用过程中，会使结构产生裂缝，裂缝的产生会降低桥梁整体的刚度，进而导致连续刚构桥梁跨中下挠，而跨中下挠会进一步加剧裂缝的产生，如此往复，形成恶性循环[2]。
三、跨中下挠问题解决办法
跨中下挠问题目前最直接的办法是设置桥梁跨中预拱度，比如设计中常采用的零弯矩法，便是预拱度应用的一种。但是设置桥梁预拱度并未改变结构的受力形式，但是预拱度设置并非无限大，所以即使设置了桥梁预拱度，也会发生跨中下挠的现象。为此国内外专家学者通过研究，总结出以下经验：
1. 在连续刚构桥梁中引入高强轻集料混凝土，高强轻集料混凝土通过降低桥梁自身自重，减少跨中下挠。经过研究分析，在使用高强轻集料混凝土后，相对普通混凝土，桥梁跨中下挠下降62.3%，而成桥五年后，桥梁跨中下挠下降21.5%，能显著减少刚构桥跨中下挠[3]。
2. 对预应力钢束进行二次张拉，研究表明，当二次张拉为跨中底板束总量的22%时，跨中下挠效果减缓最为明显，但二次张拉前必须对全桥的内力进行校核，只有在安全的情况下方可进行。
四、结论
本文通过理论研究，对大跨度连续刚构桥跨中下挠问题进行研究，并提出了相关建议，得出结论如下：
1、连续刚构桥梁在桥墩及桥梁梁体处采用固结的结构形式，使得桥梁梁体与桥墩形成一个整体共同受力。这种结构形式将影响结构刚度将影响桥梁的结构变形，总的来说就是桥梁跨中下挠。且跨径越大，恒载所占比例越大，跨中下挠问题就越严重。桥墩的越高，结构柔度越大，施工中越容易产生产生偏差。
2、预应力损失、施工质量缺陷、结构开裂等均会导致或加剧连续刚构桥梁下挠。
3、可通过采用高强轻集料混凝土及预应力钢束的二次张拉来减缓连续刚构桥梁的下挠问题。

1. 中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）人民交通出版社，2018.
2. 叶见曙，张峰. 预应力混凝土连续箱梁开裂后的刚度退化模型[J].中国公路学报，2007.
3. 雷湘平. 预应力连续刚构桥持续下挠减缓措施研究[J].重庆大学，2020.

-全文完-