箱梁桥大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题

1950 年世界上第1座采用节段悬浇施工和后张预应力的箱梁桥，德国主跨62m的Balduisntein桥的竣工，标志着预应力混凝土箱梁桥进入大跨径时期，大跨径预应力混凝土箱梁桥以其良好的结构性能和优美的外形在世界各地得到了广泛的应用，主跨已达301m。但是近年来，随着跨度增长，主梁的下挠问题日益突出，严重影响到这一桥型的继续发展。其主梁下挠的特点表现为：

（1）挠度长期增长增长率随时间可能呈加速、降低或保持均速变化的趋势；

（2）结构的长期挠度远大于设计计算的预计值。世界一些典型大跨径预应力混凝土箱梁桥的下挠情况不但说明国内外普遍性地存在主梁下挠的问题，而且也从一个侧面表明大跨径预应力混凝土箱梁的长期下挠的确是体系上存在缺陷，不同地域造成的材料与环境的差别、施工质量的差别等特定因素不是造成下挠的必然原因。

主要原因分析：

（1）混凝土收缩徐变 (包含箱梁断面构件不同厚度导致的收缩差异影响、交通荷载和温度变化引起的反复荷载效应、施工接缝的影响、环境温度与湿度的变化等)；

（2）对预应力长期损失估计偏低；

（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。

箱梁桥倒梯形箱梁桥

梁的横截面呈倒梯形的箱形梁桥。与矩形截面 的箱梁桥相比，不仅抗风性能较好，且可构成宽桥面 并可减小墩台宽度和圬工数量。适用于城市桥梁。

箱梁桥分离式箱梁桥

具有两个并列而不相连接箱梁的箱形梁桥。两 桥之间用纵向构造缝分开而独自受力，可以构成车 行道较多的宽桥(可达32m左右)。其构造较单箱多 室梁桥简单，用料经济，施工方便。

箱梁桥钢桥面板箱梁桥

上部结构采用由钢板与纵、横肋焊接组成的正 交异性板作桥面板的箱形梁桥。能减轻桥梁自重，可 获经济效果，多用于大跨度钢桥中。

箱梁桥双层箱梁桥

在由顶板、底板及两侧腹板组成的箱型截面梁 中，顶板及底板分别供车辆和行人或自行车等通行 的架空建筑物。梁内部净空应满足行车净空的要求， 上、下层的车行道或人行道应分别有进出口和引道 与原有线路衔接。如1980年建成的奥地利维也纳帝 国桥，箱梁内通行地下铁路，箱梁外侧设有悬臂板用 作人行道，而上层顶板桥面则为六车道的汽车路。

箱梁桥双腹板箱梁桥

主梁每侧腹板均由双层腹板构成的钢箱梁桥。 它的特点是建筑高度可比一般的钢箱梁桥小，但用 钢量较多。

箱梁桥斜腹板箱梁桥

边腹板向外倾斜形成倒梯形截面的箱形梁桥。 在多车道的宽桥中，采用这种截面，可以减小桥面板 的挑臂长度，同时可减小箱室底板宽度，桥墩宽度得 以减小，能获得较大的经济效益。缺点是截面的形心 偏上，在承受负弯矩区域的底板，需要加厚，变高度 时不易处理。

箱梁桥组合箱梁桥

用槽形梁和桥面板组合而成的箱形梁桥。是公 路和城市桥梁中组合梁桥的一种类型。常用预应力 混凝土建成，具有抗扭强度高和节省钢材的优点，但 工期较长。

在处理大跨径预应力混凝土箱梁桥长期挠度的措施方面，国内外的确出现了许多具体的防治方法，如体外束 、跨中顶推 、跨中预压、主梁跨中部分梁段采用高强轻质混凝土、钢箱等。但由于对大跨径预应力混凝土箱梁桥长期挠度的原因仍然存在大量不明确的地方，特别是缺乏强健的长期挠度预测计算方法的支持，控制量度的准确难以把握，许多桥在采取了措施后不久又开始继续下挠，甚至出现内力过大造成梁体损伤等不利的状况，最后不得不拆除了事，造成了极大的社会和经济损失。

（1）大跨径预应力混凝土箱梁桥的设计要进一步完善，在计算方面要解决空间效应与长期变形的计算问题，在结构布置上要加强对结构刚度的控制，特别要加强对预应力合理布置的研究有意识地设置对结构长期挠度有利的防下挠束。

（2）在材料方面，要明确交通、温度等交变荷载对预应力束的有效预应力、混凝土弹模、混凝土徐变的长期影响规律，提出大跨径预应力混凝土箱梁桥常用高强混凝土合适的收缩徐变模型，并考虑环境变化、箱梁尺寸效应等影响因素对长期收缩徐变的修正。

（3）研究交变荷载下箱梁混凝土开裂、预应力效应与混凝土收缩徐变的强烈耦合效应对结构长期挠度的影响机理与考虑方法。

（4）规范大跨径预应力箱梁设计、施工和处治技术，制定相应的规范或技术指南。

《波形钢腹板PC箱梁桥的动力特性分析与冲击系数研究》深入系统地对波形钢腹板PC箱梁桥的剪力滞效应、动力特性和基于车桥耦合振动下的冲击系数进行理论分析和试验研究。《波形钢腹板PC箱梁桥的动力特性分析与冲击系数研究》共10章，分别从波形钢腹板PC箱梁桥的试验研究、剪力滞效应分析、剪力滞和剪切变形影响下的挠度、弯曲和扭转振动频率、车桥耦合振动下的动力冲击性能分析方面，系统地对波形钢腹板PC箱梁桥的静、动力特性进行阐述。

《波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用》结合工程应用，对波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计进行了系统总结。《波形钢腹板PC组合箱梁桥设计与应用》共分6章。第1章为引言，第2章和第3章讨论了波形钢腹板PC组合箱梁的力学特性，第4章总结了一些抗剪连接件的计算方法，第5章分析了波形钢板的剪切屈曲特性，给出了它的剪切屈曲界限图，第6章总结了泼河大桥的设计与施工。

疲劳破坏是影响钢箱梁桥安全的关键因素之一，已有的钢箱梁桥疲劳性能评估方法忽略了长期监测应力次序，造成疲劳评估结果常常偏离实际情况。本项目对“考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳评估方法”的关键科学问题开展了深入研究，主要成果包括： 针对疲劳荷载效应（包括疲劳应力幅和循环次数）的多峰分布特性，建立了由多种统计模型加权和组成的多峰混合分布模型和模型参数估计方法，突破了单峰分布模型难以准确描述疲劳荷载效应统计特征的缺陷；提出了复杂概率模式下随机样本模拟的数值逆变换抽样方法，解决了大跨桥梁全寿命期疲劳性能评估数据不足的难题。 基于规范给出的S-N曲线，从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的全空间S-N曲线模型，将S-N曲线由有限疲劳寿命区扩展至全空间；进一步引入超高周疲劳损伤累积因子和超低周疲劳强度调整因子，提出了钢箱梁桥疲劳评估的全空间S-N曲线模型，并从几何学角度明确了模型参数的意义。 建立了考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳损伤累积计算模型和疲劳可靠度评估极限状态方程。采用损伤应力作为疲劳损伤指标，结合钢箱梁桥疲劳评估全空间S-N曲线模型，在上一次损伤应力的基础上计算本次应力循环引起的损伤应力增量。此方法能够有效考虑应力出现次序对疲劳损伤的影响。 集成了疲劳荷载效应多峰混合分布模型、随机样本数值逆变换抽样方法和考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳损伤计算模型和疲劳可靠度分析方法，对润扬大桥斜拉桥钢箱梁正交异性桥面板在不同工况下的疲劳可靠度进行了计算，探讨了钢箱梁桥疲劳可靠度的退化规律。 研究结果可为钢箱梁桥的疲劳性能评估提供新的途径，为钢箱梁桥的维护和管理提供技术支持。 2100433B