如前所述,大跨径预应力混凝土箱梁桥的箱梁开裂和跨中下挠过大质量通病引起了工程界和学术界的广泛关注,国内外许多专家学者从桥梁的设计、施工和管理等多种角度,对此开展了大量、广泛的研究,并且在这些方面取得了较大的进展,但从根本上解决大跨径桥梁开裂和下挠问题,仍任重道远。本书也针对腹板斜向开裂和跨中下挠病害,从箱梁纵向预应力设计、竖向预应力设计、腹板斜裂缝对下挠的影响、结构构造设计、箍筋配置、混凝土材料选择等方面对箱梁桥进行了研究分析［1-47］。目前对桥梁病害的研究主要集中以下几个方面:设计方法及箱梁构造、收缩徐变效应、预应力损失、箱梁的空间效应、温度效应、计算模型考虑不周全、施工质量及控制等。

表1.1　国内外部分桥梁出现典型病害的调查情况

注:1. “—”表示调查文献未提及。

2. 表中悬臂束指悬臂施工阶段的纵向预应力束的类型,悬臂施工阶段的悬臂束一般有顶板直线束和腹板下弯束,表中直线束表示该桥悬臂束主要以顶板直线束为主,本书第八章对该因素影响进行了讨论。

3. 本章也考察了出现病害桥梁主梁根部截面及跨中截面的高跨比,本书第八章对该参数进行了讨论。

1) 理论设计方法

在刘效尧、赵立成主编的公路桥涵设计手册《梁桥》(下册)中［1-48］,指出预应力配索的体系选择依据:预应力束应根据最不利荷载组合下的弯矩、轴力、剪力包络图(不含预应力及相关内力)进行预应力筋的合理配束。传统预应力混凝土箱梁桥的设计参数的确定,经验所占比重较大,设计过程通常是不断试算、不断调整,以使桥梁应力和变形达到规范要求的过程。近年来,很多学者根据林同炎教授的荷载平衡理念提出了“恒载零弯矩”的设计思想,即在成桥的时候,桥梁的弯矩接近零,在混凝土收缩徐变效应下,只有轴向变形,弯曲变形很小,从而限制主梁下挠。上官兴、郭圣栋［1-49］等剖析了箱梁桥两大病害的成因,提出按施工步骤进行分阶段预应力设计,以恒载“零挠度”为目标的理念来消除两大病害。同济大学、华东交通大学、江西省交通设计院等单位合作,对此立项开展了以大跨径PC梁桥防止跨中持续下挠课题研究［1-50］～［1-54］。

同济大学的王法武和石雪飞［1-50］［1-51］研究了影响大跨径预应力混凝土梁桥跨中挠度的主要因素,基于恒载零弯矩的思想,研究通过增加顶板束、增加底板束和临时斜拉索辅助合龙三种方法控制跨中长期下挠。研究结果表明,根据最大悬臂状态预应力弯矩与自重弯矩大致相等配置顶板束及临时斜拉索辅助合龙方案控制跨中长期下挠效率较高,可以做到跨中不下挠,而增加底板束及采用底板后期束控制跨中长期下挠效率相对较低,只能作为控制长期下挠的辅助措施以及后备措施。

鄢玉胜［1-55］讨论了预应力、混凝土徐变、箱梁抗弯刚度等对桥梁结构下挠的影响。比较了目前通用的设计理论与“零弯矩”设计理论两者的不同,通过实例阐述了“零弯矩”设计理论的特点。

刘亚军［1-56］比较介绍了解决跨中下挠的两种方法:预拱度法和零弯矩法,建立了模型以验证零弯矩法较为合理的观点,并分析了竖向接缝和预应力有效预应力不足对预应力混凝土箱梁桥跨中下挠的影响。

姚强［1-57］通过对跨中下挠主要影响因素分析,将荷载平衡法应用于挠度控制,研究了桥梁内力状态与长期变形之间的关系。

近年来也有学者提出采用最小弯曲能量来对桥梁进行设计,对悬臂和合龙阶段的纵向预应力进行优化设计,使主梁受弯和变形均较小。方志、何建梅等［1-58］［1-59］基于最小弯曲能量法提出了悬臂施工连续钢构预应力优化设计方法,通过选择施工控制截面并以离散截面的弯曲能量之和最小为目标函数,以各截面在各施工阶段的应力为约束条件,优化得到各阶段张拉的预应力筋数量。

东南大学刘钊［1-60］［1-61］基于效应平衡的合理成桥状态概念,提出相应的预应力配筋设计方法。通过合理的纵向预应力配置去适度平衡多种作用效应,使桥梁处于合理的成桥状态,以便控制下挠病害。杨俊［1-62］、吕忠达、周绪红等［1-63］,于昆、郝宪武［1-64］等也对桥梁合理成桥状态开展了研究。

同济大学徐栋、柳磊［1-65］采用空间网格法,对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行空间分析,得到了箱梁在各种复杂空间效应下的受力状态,并模拟了箱梁开裂后的性能。

同济大学李建中、张文学［1-66］针对箱梁腹板及锚固区的裂缝,采用实体单元剪力箱梁空间模型,对箱梁的应力分布规律进行了分析,并与梁单元计算结果进行对比,进而将预应力混凝土箱梁分为应力规则区(B区)和应力非规则区(D区),提出采用拉压杆模型法对预应力混凝土箱梁应力非规则区域进行设计。

朱汉华、陈孟冲等［1-67］在大量对箱梁病害调研的基础上,详细阐述了各类裂缝的成因,特别是对纵、竖向预应力的设计问题的讨论,指出平面杆系模型不适用于宽跨比较大的箱梁计算,只适用于其初步设计。并从构造、非预应力筋的配置、施工质量管理等多方面,提出了裂缝控制措施。

湖南大学的邵旭东、王华［1-68］结合空间有限元分析,对腹板斜裂缝成因进行了研究,指出常规设计计算汇总没有完全把握箱梁应力分布特征,主拉应力安全储备不足,是腹板斜向开裂的可能原因之一。而竖向预应力各项损失估计不足是腹板开裂的另一主要原因。

2) 时效变形

箱梁桥裂缝和挠度均随时间延续而不断发展,加剧桥梁工作状况的劣化,显然,时变效应是产生这类病害的主要原因之一。时变效应包括材料、结构和荷载的时变性。目前时变效应对桥梁影响的研究主要集中在混凝土收缩徐变、预应力长期损失等方面。收缩徐变预测模型及时效计算方法的研究现状将在1.3章节中详细阐述,这里主要介绍了部分专家学者研究收缩徐变及预应力长期损失对桥梁结构影响的研究现状。

Bazant、Vrablik等［1-16］［1-69］对帕劳共和国Koror-Babeldaob桥病害的研究指出,混凝土收缩徐变模式的选择不当、预应力损失估计不足、模型计算考虑不周全是造成大跨径预应力混凝土箱梁桥病害的主要原因。

同济大学薛伟辰［1-70］［1-71］以具有高精度变形要求的准高速客运专线、城市轻轨和磁悬浮轨道交通梁长期变形控制为研究背景,对预应力混凝土梁的长期性能开展了较为系统的试验和理论研究。指出混凝土材料的选择、保证有效预应力、减小截面上下缘的应力差等是控制长期变形的有效措施。(www.daowen.com)

陈政清、胡狄［1-72］以高速铁路轨道预应力混凝土桥梁徐变变形控制为研究背景,制作了低徐变普通混凝土和低徐变高性能混凝土预应力混凝土梁,系统分析了混凝土徐变对梁变形的影响,给出了具有较高精度的计算公式。

湖南大学方志、汪剑［1-73］依托湖南省交通厅项目“混凝土薄壁箱梁桥的非荷载效应研究”,对大跨径预应力混凝土箱梁桥进行了一系列的现场测试与分析,包括混凝土收缩徐变效应、预应力损失及温度效应等。对两座大跨预应力混凝土箱梁桥进行了5年的跟踪观测,取得了大量翔实可靠的实测数据,其结果能够反映混凝土收缩徐变在自然环境下的一些特性。采用MIDAS及他们的收缩应变和徐变系数计算方法,对箱梁桥进行了收缩徐变效应分析,推荐采用GL2000模型进行收缩徐变效应计算。

罗志佳［1-74］以葫芦鼎大桥为工程背景,运用MIDAS软件,对该桥施工和运营阶段的收缩徐变影响进行了详细分析,并与施工现场采集的数据进行了对比分析。此外,建立了空间有限元模型,结果表明当纵、竖向预应力损失达20％左右时,加上收缩徐变效应、温度效应等因素,腹板就会出现斜裂缝,并就此提出了一些防治建议。

孙海林、叶列平等［1-75］对某城市轨道交通中一段三跨预应力混凝土连续梁桥(3×25m)的收缩和徐变变形进行了为期120天左右的现场实测,并基于ANSYS程序采用三维有限元方法进行分析,得到变形值和应变值与实测值基本吻合。

Bazant［1-16］、Kristek［1-76］、黄海东、向中富［1-77］、黄海等［1-78］,许航、谭景文等［1-79］研究了截面不均匀收缩对结构长期变形的影响。

影响混凝土收缩徐变的因素纵多,变化规律复杂,具有时变性,收缩和徐变是混凝土的最不确定的特性之一。以往研究通过输入这些影响因素的确定性参数来获得输出响应,Madsen和Bazant［1-80］指出在混凝土结构收缩徐变效应分析时,要考虑不确定性,近年来,混凝土收缩徐变的不确定性分析受到了关注。作者在2006年［1-81］［1-82］介绍了结构收缩徐变效应的不确定性分析方法,在数值模拟中采用了拉丁超立方抽样方法,减少了抽样次数。基于修正的收缩徐变模型,对苏通大桥连续刚构收缩徐变效应进行了不确定性分析,应用于苏通大桥连续刚构的施工阶段计算,并预测了苏通大桥连续刚构带有一定置信水平的长期变形区间。张建仁、汪维安［1-83］分析了高墩大跨连续刚构在变形预测方面的不确定性,以B3收缩徐变模式为基础,对广西龙滩布柳河大桥进行了不确定性分析。此外,In Hwan Yang［1-84］［1-85］对预应力混凝土桥梁也进行了收缩徐变效应的不确定性分析。

国外有很多学者基于对实桥的变形观测,对跨中下挠进行了预测。Peter F. Takacs［1-40］对挪威的三座大跨径预应力混凝土梁桥:Norddalsfjord桥、Stovset桥和Stolma桥分别进行了长达14年、8年和3年的观测,基于CEB-FIP90、NS 3473和B3收缩徐变预测模型对三座桥进行了收缩徐变效应分析,并对影响桥梁长期变形的主要因素进行了敏感性分析。Li Xianping等［1-86］对夏威夷North Halawa山谷中的预应力混凝土高架桥(多跨预应力混凝土曲线箱梁桥,最大跨109.7m)进行了长达8年的观测,并将实测值与SFRAME计算出的理论值进行了比较,其结果显示采用CEB-FIP90收缩徐变模型计算出的变形理论值偏小。此外文中还提出,对于桥梁的长期变形,由于混凝土收缩徐变模型中某些关键参数的影响,设计者应该给出变形值的一个范围,而不仅仅是一个值。

3) 温度效应

桥梁是暴露在大气环境中的结构,直接受季节性温差和局部温差影响,根据温度对桥梁结构的作用及其效应,可将温度变化划分为体系温差和日照温差两方面进行分析。混凝土箱梁温度场的分布、温度效应下的结构性能和计算方法等已成为目前箱梁结构中重要的研究方向之一。

Fritz Leonhardt［1-87］对德国几座预应力箱梁桥发生严重裂缝的情况进行了分析,提出了横向温差应力估计值,定量地讨论了厚壁箱梁的温差应力问题,认为温差是预应力箱梁发生裂缝的主要原因。

德国的Jagst箱梁桥通车第五年就发生严重裂缝,经估算温度拉应力高达2.6MPa;美国Champigny箱梁桥的日照温差拉应力达到3.92MPa;新西兰Auckland一座预应力混凝土箱梁高架桥因环境温度和日照作用产生严重开裂现象,不得不耗资30万美元进行修复［1-88］。

国内对混凝土结构温度分布与温度应力的试验研究起步于20世纪50年代末期,在80年代,刘兴法［1-88］～［1-90］等从箱形梁的已知温度分布条件出发,根据伯努利的平截面假定,运用静力学的基本平衡方程,求解箱形梁的日照温度应力和位移,对红水河铁路斜拉桥和九江长江大桥引桥进行了温度场的现场实测,基于试验和实测及理论分析,建立了预应力混凝土箱梁的控制温度作用与相应的温度应力的计算方法。

彭卫等［1-91］结合两座实桥的两座裂缝观测,运用有限元方法,对引起开裂的主要因素如纵向预应力束布置方式、竖向预应力大小、温度梯度模式等进行了敏感性分析,在此基础上提出了相应的改进建议,并建议在腹板中加强斜筋和箍筋的配置。

叶见曙、谢发祥［1-92］通过现场观测及有限元计算,发现温度效应对箱梁抗裂影响很大,实测的箱梁温度超过规范的3倍左右,并且在某些截面上超过了活载所引起的应力。叶见曙、王毅［1-93］通过对一三跨变高度预应力混凝土连续箱梁的温度效应分析,结果表明,公路桥规的温度应力和变形的计算结果偏于不安全,公路桥规正温度梯度计算得到的主跨跨中底板下缘的拉应力和跨中的挠度均较小。

东南大学惠卓、黄勤［1-94］根据箱梁桥现场实测数据,并结合理论分析与数值仿真技术,研究箱梁桥日照温度场的分布规律,提出符合实桥的温度场模式。在温度变形方面,分析了日照温度作用对悬臂施工阶段箱梁标高的影响规律,并研究了周期性温度作用下桥梁性能指标的长期变化规律。

康为江等［1-95］实测了两跨钢筋混凝土连续箱梁和简支梁在日照作用下的温度效应,利用有限元方法分析了箱梁日照温度梯度规律。并和《铁路桥涵设计规范》(TBJ 2—1985)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023—1985)进行了比较,分析了各参数对竖向温度梯度的影响,在此基础上提出了钢筋混凝土日照温度裂缝控制的建议。

邵旭东等［1-96］参照4个国家5种规范中关于温度梯度的不同规定,对3种不同桥型的温度横向应力作了计算和比较,并对温度敏感性作了分析,即考证了温度梯度模式及温度设计值大小对箱梁温度应力计算的影响程度。

综上所述,国内对桥梁结构温度场和温度效应的研究涉及了很多方面,采用有限差分和有限元方法,基于热传导理论,计算了结构的温度场。在温度效应计算方法上,根据已经计算出的温度场,用弹性梁平面弯曲理论或有限元方法求解,也可以根据现有规范规定的温度梯度模式直接进行截面积分求解。对日照温度作用的研究,国内大多学者分析箱梁在竖向温度梯度模式下的结构反应,而对横向温度梯度作用的研究较少,在横向温度梯度作用下,由于横向框架效应,也会产生腹板竖向正应力。

此外,还有很多专家学者从预应力损失、车辆超载［1-97］、疲劳损伤、混凝土材料、箱梁结构构造［1-98］、施工工艺［1-99］及质量控制［1-100］等方面对箱梁的裂缝与下挠病害开展了研究。

综上所述,大跨径预应力混凝土箱梁桥病害原因错综复杂,是一个世界性难题,解决这一难题,需要各个领域的专家学者群策群力,结合具体桥梁所处的环境、规模及使用条件,从设计、施工、管养等方面加以综合考虑。