大跨径梁式桥的主要病害及其预防
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区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。
表1 列出了国内外一些刚构桥的跨中下挠值，可见国内外都存在这类病害，其中带铰刚构下挠更大，甚至可超过1m。带铰刚构桥已趋向不用。
至于连续刚构，也存在跨中下挠现象：
黄石长江公路大桥跨中下挠，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。
江津长江大桥跨中下挠31.7cm，折合跨径的1/757。同时出现多条主拉应力斜裂缝和跨中合拢段沿桥宽方向的裂缝。
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少量的主拉应力斜裂缝。此下挠值已远远超过原设计预留值10cm。最近主要由于恒载超重引起垂直裂缝的发展，下挠值又增大到26cm，折合跨径的1/1038。
表1 梁桥的跨中下挠
跨径稍小的丫髻沙大桥副桥及三门峡黄河大桥也分别存在23cm 及22cm 的下挠，折合跨径的1/700 及1/636。
跨中下挠的原因分析如下：
（一）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必要性认识不充分，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。
（二）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。在具有较大弹性下挠的情况下，徐变挠度很大。
一些大跨径梁桥，往往历时5 年以后，下挠仍在继续。
（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》中的混凝土名义徐变系数值可见，3 天加载与7 天加载比较，名义徐变系数值增加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。
（四）预应力损失大大超过设计计算值，有效预应力不足。
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。这也是下挠重要原因之一。
（五）梁体自重超过设计
不但引起挠度的增大，而且还可能引起梁体弯曲开裂，刚度减小，而进一步增大挠度。
（六）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。
（七）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）梁具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，已规定了活载作用下的梁桥挠度不得大于L/600，但对恒载挠度未作规定，可能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，梁仅有少量下挠而不开裂。从目前的认识，施工过程梁的最大弹性下挠绝不应超过L/3000，而梁合拢以后的最大下挠（包括恒载的徐变下挠，部分活载的徐变下挠，以及二期恒载的弹性下挠）绝不应超过L/1400，而且在设计中应尽可能采用更小的值。名义徐变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。
控制恒载挠度的方法，采用“零弯矩法”，使悬臂施工过程中施加预应力引起的弯矩与梁段的自重弯矩相抵消，这样梁段就没有弹性挠度，梁的上下翼缘应力相等，所以也不存在徐变下挠，仅有徐变的轴向变形。尽管随着时间的历程，还有因预应力徐变损失而引起的弯矩和下挠，但其值很小。如果尽可能多的梁段都能实现“零弯矩法”配束，控制梁的恒载挠度小于上述的推荐值，是完全可能的。
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。预应力束是多用了一些，但消除了隐患。
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，以便补救。
（五）严格施工控制，加强施工质量管理严格控制线形，控制梁的自重，控制预应力张拉。
混凝土加载龄期，主跨200m 以上者应不少于7d，其它应不少于5d；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。下面只讨论出现最多的主拉应力斜裂缝。
斜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。
斜裂缝的一个显著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，对梁的主拉应力都进行验算，并能通过。但在实践中，这类裂缝还是大量出现，已成为一种主要病害。
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。下面只讨论出现最多的主拉应力斜裂缝。
斜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。
斜裂缝的一个显著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，对梁的主拉应力都进行验算，并能通过。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、按平面问题分析，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也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。”
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计算偏低有关。
2、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。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。
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，没有压浆，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。
三、结束语
上文中提到的防止出现跨中下挠及斜裂缝的一些新理念，目前已经基本得到共识，已据此设计了一些大跨径梁桥，情况良好。相信这些病害一定会克服，梁桥设计将更完美，将再现雄风。
参考文献
[1] 楼庄鸿，现有预应力混凝土梁式桥的缺陷，见楼压鸿桥梁论文集，北京，人民交通出版社，2004。
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[3] 郭圣栋等，大跨梁桥持续下挠成因及其控制的结构措施，见2005 中外桥梁病害诊治大会论文集。
[4] 孔海霞等，苏通大桥副桥连续刚构设计，见中国公路学会桥梁和结构工程分会2004 年全国桥梁学术会议论文集。
[5] 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）。
[6] 王法武等，大跨径预应力混凝土梁桥长期挠度控制研究，中外公路2006（4）
[7] 孔海霞等，预应力混凝土连续钢构徐变影响分析及对策研究，见中国公路学会桥梁和结构工程分会2006 年全国桥梁学术会议论文集。
[8] 陈宇峰等，大跨PC 连续刚构桥跨中持续下挠成因及预防措施，同上。
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