大跨径预应力混凝土箱梁开裂与下挠探讨
大跨径连续梁桥和刚构桥的预应力混凝土箱梁，结构刚度大而变形小，同时抗风、抗震能力强，经济，耐久，因此，对跨径在30～350m范围的公路桥，广泛采用箱梁桥方案。

但是，箱梁桥在使用期间，常出现“腹板开裂”和“跨中下挠”等病害问题，且随着时间的延续而不断发展，给桥梁的安全埋下隐患，也给桥梁设计技术人员带来很大困扰。

文章从桥梁设计中的问题以及材料选用等方面提出建议并展开探讨。

标签：预应力混凝土箱梁；腹板下弯束；下挠
1 腹板下弯束
1.1 传统配束方案
传统的大跨径预应力混凝土箱梁桥配束方案为纵向预应力配束，根据梁在荷载作用下的弯矩包络图进行设计，由纵向预应力束和离支座不同距离处的下弯预应力束组成，并配置悬臂预应力束（顶板直线束、腹板下弯束）和连续预应力束等。

1.2 新型配束方案
80年代末以来，国内不少大跨径预应力混凝土连续梁和连续刚构的箱梁桥设计中采用了全部直线式的纵向预应力束（没有下弯预应力束），另加竖向预应力筋的方案。

下弯束的取消具有一定的优点，由于悬臂预应力束只采用顶板直线束，所以桥梁腹板里的预应力管道相应减少，从而减少了工程施工量和预应力束的摩擦损失。

但是，该方法使用了大量的纵向预应力束来限制主拉应力，增加了工程建设的成本，同时采用此种方法的工程在经过一段时间的运营后，出现病害的概率变大，近20年来，按这种设计方案建造的大跨径预应力混凝土连续梁桥和连续刚构桥，普遍地在梁腹中出现斜裂缝，跨中挠度也不断增大，有的甚至相当严重。

而加设了下弯束的箱梁桥，腹板斜裂缝较少或没有出现。

预应力混凝土箱梁桥在跨径350m之内的桥型方案选择上，具有很强竞争力，国内外有许多大跨径混凝土梁桥设计的成功实例。

采用下弯束是限制主拉应力及斜裂缝出现的最有效措施，通过对箱梁桥竣工后的运营情况对比，认为纵向预应力下弯束的取消是导致病害出现的主要原因之一。

因此，正确的纵向主预应力束的配束方案，应该是按弯矩包络图配置足够的直线束和下弯束。

配置了预应力下弯束后，不仅可抗弯，还可平衡较多的自重剪力、活载剪力，减小箱梁截面上的剪应力。

由于主拉应力与剪应力的大小成正比，所以可以通过配置预应力下弯束来控制主拉应力，还可消除可能在梁较高区段的腹中出现预应力盲区。

2 竖向预应力束
2.1 竖向预应力束
在腹板内配置适量的竖向预应力筋是合理的，尤其当下弯束不足时。

大跨径预应力混凝土箱梁桥的箱梁扭转、畸变也可能产生腹板剪应力，在设计时需充分考虑这些影响因素。

如果采用钢绞线束，其强度虽高，但预应力损失也大，而且施工不易。

所以，采用预应力粗钢筋施工相对方便，但在设计竖向预应力筋时，必须认识到它存在的问题：（1）受箱梁高度的限制，竖向预应力筋长度往往不高，所以其预应力锚具损失等较大，有的桥梁实测预应力损失竟达张拉应力的50%；（2）当竖向预应力筋采用精轧螺旋钢筋时，其张拉施工精度很难保障；（3）竖向预应力普遍孔道较窄，张拉后的灌浆不易饱满，甚至无浆，这大大削弱了截面的抗剪能力；（4）竖向预应力筋单端张拉，且锚于梁顶，一旦发生脱锚的情况，对桥上运行车辆产生危险，目前，已有其它国家提出了在工程中不再采用竖向预应力筋的建议。

2.2 竖向预应力筋
设置竖向预应力可以减小主拉应力，但上述问题的存在使得竖向预应力作用很难达到设计的要求。

认为，竖向预应力筋的设置范围不应该在刚构全长上设置，连续刚构主墩中心线两侧各3～4倍梁高区段之外，就不必设置，更不应该采用中空钢棒。

因为主墩中心线两侧各3～4倍梁高区段之外，剪力已很小，这些部位主要是受弯，而不会出现斜裂缝。

而且，这些部位梁高较小，锚固损失很大，采用竖向预应力筋效率相对不高。

因此，通常只需在主墩各1/4跨度范围内及过渡墩1/4跨度范围内设置竖向预应力筋。

3 箍筋配置
随着桥梁建筑技术的不断发展，新建桥梁也日趋追求轻型和美观，箱梁壁尤其是腹板设计的越来越薄，逐渐偏离了桥梁自身的结构力学。

虽然桥梁的外形日益美观，但是箱梁的抗裂能力、抗剪能力却有所下降，箱梁易出现裂缝，并且不能够像弯曲裂缝那样可以逐渐闭合。

箍筋的加密有助于提高抗剪承载力，但箍筋的配置也需适量，并非越多越好。

当配箍量过大时，可能导致腹板混凝土浇筑不密实，进而影响施工质量。

只要箱梁桥的抗剪承载力和构造满足要求，就不需要过多配置箍筋。

值得说明的是，对于变高度梁，沿梁长的剪力分布从支座到跨中的下降比直线等截面梁快得多。

当梁高和梁腹板厚度都变化的情况下尤其如此。

因此，大跨度箱梁中的箍筋配置量应该是变化的，并且在跨中附近很大部分区段只需按构造设置。

4 腹板厚度
根据箱梁桥工程的设计规范，腹板的尺寸可以通过抗剪承载力验算得到，腹板的厚度和主拉应力大小密切相关，所以，选择合适厚度的腹板非常重要，梁的受剪承载力应采用梁的截面尺寸（截面厚度和高度）和混凝土强度的乘积与配箍量相匹配的办法。

合适的腹板厚度有利于提高抗剪承载力，改善箱梁的抗裂性能，方便预应力在腹板上的锚固。

所以，不能为了美观、为了减轻梁的自重，将箱梁的箱壁设计得过薄。

腹板过薄会使腹板主拉应力对荷载效应变得敏感，可能导致
主拉应力的超限，也可能使钢筋的布置变得困难，影响混凝土浇筑质量。

5 大跨度混凝土梁桥的跨中下挠问题
（1）混凝土收缩和徐变较大；（2）对预应力长期损失估计偏低，预应力损失过大；（3）混凝土的开裂；（4）施工方法（特别是合龙方式）导致的不利的成桥应力状态；（5）环境温度与湿度的变化，以及日照温差作用；（6）箱梁的空间作用未计算好。

对于大跨度混凝土梁桥来说，变形与开裂常常同时存在，进而引起主梁刚度的下降，并对截面特性、混凝土收缩徐变效应及预应力效应等产生影响，引起内力重分布，继续加剧裂缝的发生和开展。

目前国内外采取了许多防治大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠的方法，如体外束、跨中顶推、跨中预压等。

另外，为防止大跨径预应力混凝土桥梁的开裂和下挠随时间增长，也可适当预留备用预应力束（体外束或体内束），用以改善桥梁运行状况。

6 结束语
预应力混凝土箱梁桥具有不少突出的优点，在公路桥梁建设中有着广泛的应用。

但是，同时，近20年暴露出的腹中开裂和跨中下挠等问题，说明在桥梁工程设计中有着很大的改进和提高的空间。

结合自身工程实践浅谈了大跨径预应力混凝土箱梁桥设计的一些问题，希望对广大同行有所帮助。

参考文献
[1]刘灿.横向预应力混凝土梁的抗剪性能及预应力损失研究[D].华南理工大学，2010年.
[2]孙璨.钢筋混凝土结构长期徐变收缩效应研究应用[D].哈尔滨工业大学，2010年.
[3]罗旗帜.基于能量原理的薄壁箱梁剪力滞理论与试验研究[D].湖南大学，2005年.
[4]黄李骥.腹板开洞工形截面拱的稳定性能及设计方法研究[D].清华大学，2005年.
作者简介：毛红涛（1982-）男，汉，河南开封人，本科，助理工程师，研究方向：市政桥梁设计。