10、大跨径预应力混凝土连续梁桥合拢施工研究 刘方华 陆海军 刘美茂

大跨径预应力混凝土连续梁桥合拢施工研究

南京绕越高速公路RY-DN5标项目经理部刘方华 陆海军 刘美茂

摘 要：本文主要分析了大跨径预应力混凝土连续梁桥底板开裂的原因，同时以秦淮河特大桥为依托，

对大跨径预应力混凝土连续梁桥合拢施工进行了研究，提出了一些保证桥梁预应力度和避免箱梁底板开裂的方法和措施。

关键词：预应力混凝土 底板开裂 中跨合拢

前言

连续梁桥结构体系具有变形小，结构刚度好，伸缩缝少，行车平顺舒适，养护简单，抗震能力强等优点。悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥作为无支架施工方法，有利于通航河流、深山峡谷和城市立交等建桥。目前，悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥得到迅速发展，并成为当代桥梁建筑中最基本的桥型之一。

预应力混凝土梁桥通过纵向预应力筋来提供混凝土主梁各截面的预压应力，以保证各个截面的强度储备。一方面，为保证桥梁结构强度和耐久性，避免因预应力度不足而导致桥梁跨中下挠现象的发生，设计方一般需按设计规范足额进行预应力筋配置。另一方面，由于预应力度偏大，加之设计构造及施工方面的缺陷，合拢束张拉后，箱梁底板即出现开裂；或者施工时无明显开裂现象，但底板内部已出现细微裂缝，待桥梁运营一段时间，底板开裂便表现出来。底板开裂现象随时间发展愈加严重，底板开裂越严重，桥梁预应力损失越大，如不采取有效措施，跨中下挠便随之发展，轻则影响桥梁的耐久性、重则导致桥梁承载能力下降，甚至危及桥梁的安全。本文以秦淮河特大桥施工为依托，对大跨径预应力混凝土连续梁桥合拢施工进行了研究，提出了一些保证桥梁预应力度和避免箱梁底板开裂的方法和措施。

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1 工程概况

秦淮河特大桥是南京绕越高速公路东南段的一座特大型桥梁，桥梁全长1765.315m。主桥上部结构为三跨变截面预应力混凝土连续箱梁，主跨112m，两边跨均为64m，采用挂篮悬臂浇筑法施工（图1为秦淮河特大桥主桥立面图）。主桥箱梁采用单箱单室断面，主墩顶梁高6.384m，跨中截面梁高2.584m，梁高沿跨径方向按1.5次抛物线变化。箱梁顶板宽16.75m，底板宽8.35m，翼缘板悬臂长4.2m。箱梁半主跨共分17个块段，边跨共分18个块段（其中0~16号块与主跨划分一致）。主墩顶6m为0号块，1号块长3m，0、1号块共长12m，采用支架现浇；2~8号块长3m，9~15号块长4m，为悬浇块段；16号块为合拢段，长2m；边跨17号块为支架现浇段，长6.9m。

图1 秦淮河特大桥主桥立面图 2 中跨合拢底板开裂的原因分析 近年来，宁淮高速公路马叉河桥、沪宁扩建京杭运河桥等桥梁，中跨合拢过程中或合拢后出现了底板开裂事故。不少桥梁界专家对此进行了分析，提出了相应的观点。

2.1 设计成桥状态下应力与施工状态下应力的差异

中跨合拢预应力束张拉后，底板出现开裂，说明底板合拢束预应力度“偏大”。但从设计的角度讲，设计方必须按设计规范足额进行预应力筋配置。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）6.1.2条款之规定，大跨径（跨径大于100m）预应力混凝土梁桥一般按全预应力混凝土构件设计，此类构件在荷载短期效应组合下控制的正截面的受拉边缘不允许出现拉应力。在成桥状态下，在持久状况正常使用

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极限状态下，要求桥梁仍有一定的压应力储备，则在施工状态下，在二期恒载和车辆荷载未施加的情况下，中跨合拢预应力束张拉后底板的压应力更大。

2.2 混凝土泊松比影响

混凝土泊松比ν为0.15左右。对混凝土施加预应力时，在其内部必然会产生0.15倍左右的拉力，但混凝土的轴心抗拉强度远低于其轴心抗压强度（以C55混凝土为例，轴心抗压强度设计值为24.4MPa、轴心抗拉强度设计值仅为1.89MPa），一旦预应力引起的混凝土内部拉应力超过一定极限，必然导致其开裂。某事故桥梁应力监控得到的压应力值为15.8MPa，按0.15倍的比例关系推算，底板拉应力已达到2.37MPa。另外在混凝土施工过程中，不可避免会产生离析和梁体材质不均（底板合拢预应力束孔道之间间距较小，加之钢筋密集，混凝土粗集料不易进入）等问题，势必会进一步消弱混凝土的抗拉能力。

2.3 底板线形影响

实际施工时，由于施工工艺的限制，梁底不再是理论上的“曲面”，而是“连续折面”。以本桥为例，中跨合拢预应力束达18束，每束25根钢绞线，经计算单个折点处的径向分力达50.3kN。这对于横向跨径达8.35m、最小厚度仅为32cm的底板来讲，是一个很大的负担。

2.4 波纹管挖空影响

以本桥为例，中跨合拢预应力束孔道间距为25cm，波纹管管径12cm，预应力孔道密集区波纹管挖空率达14％，势必会消弱混凝土的整体受力。

2.5 底板受力分析

箱梁底板可以看成是无数的“横梁组合”，以承担中跨合拢预应力束径向分力。结构形式是两端固结的超静定梁，波纹管大部分处于梁端的负弯矩区，单侧可视为悬臂结构，顶层钢筋受拉，但预应力束径向分力的作用点在顶层钢筋之下，若钢筋与混凝土缺乏牢靠的约束，也是底板开裂的一个原因。

2.6 底板构造措施不完善

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设计单位理论功底一般比较深厚，但施工经验相对缺乏，没有综合考虑施工误差和工艺水平以及运营和养护的实际情况。另外，他们从施工单位得到的反馈信息可能是片面的（对于已施工的桥梁，有些可能有问题，但设计单位往往得不到这些信息）。设计方按设计规范足额进行预应力筋配置没有错，但他们往往对桥梁建造实施的过程重视不够，具体表现在很多桥梁施工图中底板构造措施不完善。事实上，在桥梁施工中，只有每个部位构造措施恰当，才能保证成桥状态达到最终设计要求。

以本桥为例，图纸中对底板架立钢筋没有作具体的要求。为防止底板开裂，底板上下两层横向钢筋必须有可靠的联系，形成整体，这可以通过对架立钢筋进行有效的处理来实现。此外，在跨中附近，相邻块段之间折点处径向分力较大，但施工图中对此没有特别的构造措施进行规避。

2.7 施工步骤、方法欠妥

以本桥为例，中跨合拢预应力束达18束，每束25根钢绞线，单束张拉吨位近500吨。在施工之前如不经过仔细分析研究，选用合适的张拉顺序，一气呵成地进行张拉，则很容易出现事故。

3 中跨合拢施工措施和方法

基于上述中跨合拢底板开裂的原因分析，项目提早准备，提前谋划，为防止中跨合拢底板开裂采取了一系列措施和方法。

3.1 细化底板构造措施

为了减小中跨合拢预应力束张拉后底板开裂的风险，项目多次组织召开专家会议，寻求合理的解决办法。专家们提出了宝贵的意见，建议设计院在中跨12#块与13#块，13#块与14#块，14#块与15#块相接的地方设置防崩肋梁。设计院按此要求进行了设计变更。

除此之外，设计院根据项目的建议，对部分设计作了如下修改：

①中跨底板从6#块以后的架力筋由原设计的Φ12钢筋变更为Φ16钢筋，架力筋设置45°弯钩，钩住最上层和最下层的横向钢筋，架立钢筋不仅起支撑作用，还将抵抗泊松比带来的混凝土内部拉应力，增强钢筋与砼之间的约束，增强了底板整体抗开裂性能。

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②中跨合拢段横隔板1#钢筋调整其位置，使其布置在预应力束周围，而不是按照原设计均匀布置，并且在1#筋底部增加两根通长的Φ28钢筋，增加了底部钢筋的受力性能。

③细化防崩钢筋的布置，增加防崩钢筋的数量。 3.2 优化预应力束张拉顺序

合拢段、防崩肋梁混凝土强度达到设计强度的100%之后，进行中跨合拢预应力束张拉。张拉分三批进行（图2为中跨合拢张拉顺序图）：第一批为Z9、D3、Z8、Z7；第二批为Z6、Z3、Z2、D2；第三批为Z5、Z4、Z1、D1。为减小波纹管挖空对底板混凝土承压能力的影响，中跨合拢束压浆也分三批进行，每批预应力束张拉完毕及时进行压浆，间隔时间超过7天后，方可进行下一批预应力束张拉。最后一批预应力束张拉时适当延长每束张拉的持续时间，且非对称的束与束之间的时间间隔不少于12小时。每束预应力张拉到50%、100%时，均会同监控单位进行一次混凝土应力测读，实测值与理论值对照比较。如发现混凝土应力读数接近临界值，则立即停止张拉，分析原因，及时向业内专家咨询，以便及时有效的进行处理。

D1D2D3张拉批次第1批第2批第3批张拉顺序Z9→Z3→D3→Z2Z8→Z5→D2→Z1Z7→Z6→D1→Z4ZyZ8Z6Z5Z4Z3Z1Z2Z7Z9

图2 中跨合拢张拉顺序图

4 中跨合拢施工过程简述

为防范主桥中跨底板开裂风险，2009年4月27日，业主、监理、监控、设计和施工各方一起召开了秦淮河特大桥中跨合拢预应力束张拉会，会上设计方同意并优化了上述

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中跨底板合拢预应力束分批张拉、分批压浆的施工工序。

到2009年5月15日完成了左幅第二批张拉压浆工作，之后监控单位一直进行应力监控测读。由于底板局部拉应力一直维持在2.5MPa左右，如直接进行第三批张拉，则底板局部拉应力极容易超限，导致底板开裂。相关各方于6月12日开会研究，一致决定待混凝土桥面铺装、护栏等二期恒载施工结束再进行第三批合拢束张拉。主桥二期恒载施工于10月份结束，监控方测得底板局部拉应力为0.3MPa左右，应力很小，可以进行第三批张拉。第三批合拢束张拉、压浆结束，通过对底板应力监控和桥面高程测量分析，该桥各项性能指标满足设计和规范要求，中跨合拢施工控制取得了圆满成功。

5 结束语

近年来，大跨径预应力混凝土连续梁桥跨中下挠和底板开裂的现象相当多，严重威胁着桥梁结构的安全运营。为了从根本杜绝上述问题，从设计角度讲，必须保证桥梁有足够的预应力度，同时要提出实现足够预应力度的构造措施。由于连续的混凝土结构存在次内力的再分配问题，施工过程中的影响因素又非常多，在裂缝出现后要准确找出原因很困难，所以，在设计时首先应该合理地确定中、边跨比，注重主拉应力在正确的施工工序状态下的验算，适当增加箍筋配置等。从施工角度讲，要严格按图施工，做好各种构造措施，防止底板开裂，同时要狠抓预应力施工的质量控制。 参考文献

1《大跨径预应力混凝土连续梁桥纵向预应力筋优化布置研究》—张开银、殷亮、惠国旺 2《悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥》—张继尧、王昌将编著 3《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w64d.html