下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
预应力混凝土箱梁桥结构起源于第二次世界大战后的欧洲。预应力混凝土箱梁从其受力特点来讲，抗弯和抗扭刚度大，可以承受较大的正负弯矩和扭矩作用，特别适合悬臂施工，德国和法国分别发展了悬臂现浇和悬臂拼装这两种悬臂施工技术，加上预应力的优点，使这种结构形式适合连续箱梁和连续刚构等大跨结构。同时，预应力连续箱梁和连续刚构桥的桥型简洁美观，整体性和连续性好，行车舒适，易养护，施工便利，工艺较为成熟。在 40 ~ 300 m的经济跨径范围内，此类桥梁是最有竞争力的桥型之一。从 20 世纪 70 年代开始，我国公路上开始修建大跨度预应力混凝土箱梁桥，进入 20 世纪 80 年代后，预应力连续箱梁桥和预应力箱梁连续刚构桥得到迅猛发展，现已成为我国大跨度桥梁的主要桥型之一。我国在高等级公路上已修建大量预应力箱形截面桥梁，已建和在建主跨径超过 200 m的此类公路桥梁超过 50 座。近年来，在设计方法、施工质量控制和运营养护中存在诸多缺陷和不足，我国大跨度预应力混凝土箱梁桥往往建成时间不长就普遍出现各种类型的病害，其中主要的病害为箱体的结构性开裂和主跨过度下挠。这两种病害导致养护费用大幅增加，损害桥梁的美观，造成交通运营和结构安全度的降低。这种桥梁跨径大、规模大，往往处于干线公路上，一旦发生安全问题，将会造成巨大的经济损失和不良的社会影响，桥型的继续发展受到严重制约。目前大跨度预应力混凝土梁桥已不乏因此造成重大社会经济损失的例子。例如，帕劳共和国 1977 年建成的跨中带铰的连续刚构Koror Babeldaob桥，主跨 241 m,是当时世界上最长的后张预应力混凝土箱形梁桥，建成后变形不断加大，跨中下挠高达 1.2 m,加固后不久，于1996 年垮塌。1993 年 11 月 18 日建成通车的湖北钟祥汉江公路大桥主跨 100 m,2005 年 9 月由于严重的结构开裂不得不拆除重建。
预应力混凝土箱梁结构超出设计预期的开裂与过度下挠，使得工程界对箱梁桥的应用产生顾虑，迫切需要探明箱梁结构开裂与下挠产生的规律和形成机理，无论对在用桥梁的养护还是对新建桥梁的设计、施工都是十分必要的。我国正处于公路建设的高潮时期，全国有大量的在用、在建和待建的预应力混凝土连续刚构桥。对预应力混凝土梁桥开裂与下挠的现状进行调查与成因分析，可为预应力混凝土箱梁桥的设计和施工提供理论依据和实验基础，避免和减少结构性病害。
现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62）规定桥梁在施工过程中应该对预拱度进行设置，用来抵消桥梁结构的自重、二期恒载、钢筋所产生的预应力、混凝土徐变和收缩所产生的变形。由于预拱度值往往是所有恒载的竖向挠度值加上一半的静活载产生的竖向挠度值，因此竖向挠度的控制非常重要，这样才能保证桥梁的主梁具有较好的刚度，确保行车过程中的平顺和舒适，并且即使在车辆冲击力作用下，都不会导致桥面铺装受到破坏。
预应力混凝土梁桥的跨度比较大，施工时间比较长，结构发生的非线性变形不能得到精确控制，再加上所用材料特性值与理论值有出入，导致设计的受力条件与实际有一定出入，从而使得理想的计算结果与实际情况不完全一样，有可能会使结构的线性误差比较大，可能会改变桥梁的受力、使用寿命和美观。根据诸多研究显示，国内外很多大跨度预应力混凝土梁式桥在成桥运营过程中所产生的挠度要远大于设计值。为保证桥梁施工在合龙时具有较高的精度，以及在成桥后运营期间与设计的线性偏差不大，这就使预拱度的设置及施工过程中对线形的控制变得相当重要。全国的大跨度预应力混凝土梁桥都广泛存在跨中下挠的问题，其中有些超出了人们的估量。这些桥梁跨中下挠值还有不断增加的趋势，有可能导致梁体和桥面普遍损坏，桥梁的正常使用受到严重影响。跨中下挠较大现象已经成为大跨度预应力混凝土梁桥较为普遍的问题。很多因素都会导致梁桥跨中下挠，过大的挠度是很难纠正的，因此大跨度预应力混凝土梁桥在悬臂浇筑施工过程中关键的环节就是对挠度的计算以及桥梁的施工控制。表 1.3 为国内外在运营过程中主跨下挠过大的桥梁实例。
表1.3 国内外在运营过程中部分桥梁主跨跨中下挠的统计数据
在跨中不仅出现严重下挠，而且在跨中箱梁底部出现裂缝病害，对桥梁的结构安全产生严重影响。由此可见，准确地设置桥梁预拱度的重要性，只有这样才能确保桥梁的正常使用。
一直处于自然环境中的桥梁结构，承受着不断变化的太阳辐射作用、外界气温，以及其他温度变化作用。混凝土结构所使用的材料，一般来说，传热性能都很差，在温度不断变化的作用下，混凝土与外表面的温度会随之迅速升降，但是混凝土内部材料的温度变化严重滞后，甚至有些局部温度相对原来基本没有变化，从而导致在混凝土箱梁截面上由内到外形成较大的温度差，即温度梯度。在温度差的作用下，混凝土结构材料的变形不一样，受到不同的内部或者外部约束，极有可能形成很大的温度应力（也称温差应力）。当这种温度应力的存在超过混凝土本身的材料强度时，会导致结构出现开裂，甚至出现破坏。因此，深入研究分析混凝土桥梁的温度效应及温度荷载，对改善现有的预防和治理桥梁结构开裂、提高桥梁施工控制效率有着重要意义。
