预应力连续刚构桥梁箱梁裂缝成因分析与控制

　　摘要：本文主要对箱梁裂缝成因及控制方面进行系统分析，为后续研究提供一些借鉴意义。
　　关键词：预应力混凝土桥梁；箱梁裂缝；成因及控制
　　1、预应力混凝土刚构桥的特点
　　连续刚构桥的特点是墩梁固结、梁体连续，无缝伸缩、行车平顺，不需要设置支座、不需要转换体系，施工方便。墩身将较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度结为一体，利用柔性高墩大跨的抗弯刚度保持桥面平整，利用其小的抗推刚度来适应桥梁的水平位移。由于体系总体是柔性结构梁混凝土的收缩徐变可以通过柔性墩的水平位移来消除。连续梁支座处的负弯矩也能在一定程度上减少跨中正弯矩，使得桥梁跨中的梁高截面尺寸减小，外形美观流场，经济指标更高。
　　2、大跨度连续刚构桥病害和成因概述
　　大跨度连续刚构桥的病害主要集中在两个方面一个是主梁挠度过大，一个是箱梁开裂问题，包括腹板裂缝、竖向预应力筋崩脱、底板开裂、桥面裂缝等。以下是根据已发表的资料整理的的国内病害实例：
　　黄石长江公路大桥：结构为62.5+3x245+62.5m连续刚构桥，出现病害跨中下挠，下挠最大值达到33.5cm，折合跨径的1／729，同时出现大量的主拉应力斜裂缝与跨中区段垂直裂缝。
　　广东丫髻沙大桥副桥：结构为86+160+86m连续刚构桥，跨中下挠值达23cm，折合跨径的1／696，腹板出现大量主拉应力斜裂缝。
　　由此可以发现，连续刚构桥的跨中挠度和裂缝对结构的影响是巨大的，往往过大的挠度和裂缝会影响桥梁的使用，使得连续刚构平顺的行车特点无从发挥，同时也使桥梁工程界对连续刚构这种桥型产生怀疑和对其工程应用不放心，影响了该桥型的发展和使用。
　　3、箱梁裂缝成因分析
　　3．1箱梁受力分析及裂缝分类
　　对于大跨度混凝土箱梁桥，在偏心荷载作用下会产生弯曲、扭转、即便和横向挠曲等变形状态。如图2-1所示。对称纵向弯曲产生竖向变位，在横截面上引起纵向正应力及剪应力。箱梁肋间距较大时需考虑剪力滞效应，即考虑其应力横向不均匀分布。刚性扭转分为自由扭转和约束扭转。自由扭转只产生自由扭转剪应力而约束扭转将产生翘曲正应力约束扭转剪应力。箱梁畸变是薄壁宽箱矩形截面受扭后，无法继续保持其截面投影仍为原截面，因而会产生畸变翘曲正应力和畸变剪应力。同时，由于畸变而引起的截面横向弯曲，会在板内产生横向弯曲应力。箱形梁承受顶板荷载作用时，会在纵向截面上产生横向弯曲正应力。
　　
　　图2-1偏心荷载作用下箱梁变形和应力示意图
　　裂缝按其形状，可分为表面裂缝、贯穿裂缝、纵向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝、纵深裂缝(深度达1/2厚度)等。其形状与受力状态密切相关，连续刚构桥的裂缝按照裂缝出现位置，主要分为腹板裂缝、顶板裂缝和我底板裂缝等。
　　3．1．1腹板裂缝
　　1.腹板斜裂缝
　　腹板斜裂缝主要分布于距支座L/4附近，与主梁纵轴夹角约为45°，出现这种裂缝主要是由箱梁支座附近剪应力过大、腹板抗剪不足以及主拉应力方向抗裂安全储备不充分等因素所引起的。
　　2.腹板水平裂缝
　　腹板水平裂缝一般出现在边跨支座附近和中跨L/4～3L/4之间，且均位于腹板上翼缘，如图3-4.4～4.5所示。箱梁在偏心荷载作用下会在顶板与腹板连接处产生竖向拉应力，此外横向预应力、底板纵向钢束在底板内产生竖向分力、箱梁温度梯度都会使腹板在竖向产生较大的拉应力，当超过混凝土抗拉强度就会在箱梁顶板与腹板连接处产生水平裂缝。
　　3.腹板水平、斜向组合裂缝
　　该裂缝主要发生在边跨支座附近和中跨L/4～3L/4之间，水平裂缝位于腹板上缘，斜裂缝与桥轴线约呈45°分布。
　　3．1．2顶板和底板裂缝
　　箱梁顶、底板裂缝主要是由箱梁桥的畸变和横向挠曲所产生的。由于在箱梁顶、底板处的剪应力相对较小，所以主应力的方向大致与箱梁桥顶、底板的横桥向一致，由此而产生的裂缝方向大致与桥轴线方向平行。另外，由于温差、混凝土的收缩徐变而引起的局部应力以及施工接缝处的局部应力均可能产生严重的局部应力，使顶、底板开裂。
　　3．2箱梁裂缝成因分析
　　3．2．1实际荷载超限
　　混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来，主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。
　　直接应力裂缝就是外荷载引起的直接应力产生的裂缝，常见的原因有：设计计算阶段模型不合理，结构受力假设与实际偏差较大；施工阶段不按照图纸施工；施工质量不良等；使用阶段允许超过设计荷载的重型车辆通过、受船舶等的撞击等。
　　次应力裂缝是有外荷载引起次生应力产生的裂缝。常见的原因有结构构件凿孔开洞等，设计中模拟孔洞周围的应力集中不准确。工程经验表明在锚固断面附近容易产生裂缝，如果处理失当在结构转角或者构件突变处和钢筋截断断面容易产生裂缝。
　　3．2．2有效预应力不足
　　有效预应力是指张拉控制应力扣除各种因素引起的预应力损失后，预应力筋可以提供的比较稳定的预应力值。引起有效预应力不足的因素有张拉控制应力不到位和预应力损失计算值偏小。在实际工程实践中，工程技术人员大多意识到参数取值不当导致预应力损失计算不准确是预应力不足的主要原因，但目前为止还没有达成共识。
　　3．2．3温度变化
　　当外部环境或者结构内部温度发生变化时混凝土发生变形，超静定结构中会产生温度自应力和次应力，当应力超过混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝，在大跨度桥梁中温度应力可能达到甚至超过活载应力。产生温度裂缝的主要因素有：年温差、日照、水化热。
　　3．2．4混凝土收缩
　　混凝土收缩裂缝大部分属于表面裂缝，其特点是宽度较细且纵横交错，形状没有任何规律。影响混凝土收缩裂缝的主要因素有水泥品种、水泥标号及用量、骨料品种、水灰比、外掺剂、养护方法、外部环境和振捣方式及时间。
　　3．2．5钢筋锈蚀
　　钢筋的腐蚀在钢筋表面形成锈层。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生膨胀应力，使混凝土沿钢筋方向（顺筋）开裂、剥离，进而使保护层成片脱落并有锈迹渗到混凝土表面，而裂缝及保护层的脱落又进一步导致钢筋更剧烈的腐蚀。
　　3．2．6施工工艺质量
　　常见的由施工工艺质量引起梁体开裂的因素有：混凝土保护层过厚，构件有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝；混凝土振捣不密实、不均匀是引发钢筋锈蚀或其他荷载裂缝的潜在因素；混凝土浇筑过快容易产生塑性收缩裂缝；混凝土搅拌、运输时间过长，水分蒸发过多引起不规则的收缩裂缝；初期养护时过分干燥产生不规则收缩裂缝；混凝土早期受冻，构件表面出现裂纹和局部脱落；施工模板刚度不足或者过早拆模导致开裂；安装顺序不正确，对产生的后果认识不足，导致产生裂缝。
　　4箱梁裂缝的控制措施
　　4．1桥梁总体布置合理
　　在大跨度预应力混凝土变截面连续钢构箱梁桥设计中，其总体布置即主跨径、分跨及跨径组合、主梁高度、横截面布置形式和尺寸是影响桥梁结构安全、合理、经济和美观的重要因素，同时总体布置的合理性也决定了裂缝出现的频率。
　　从国内外已建成的桥梁统计分析建议：对于变截面连续刚构桥边跨与中跨比值通常在0.5～0.8之间取用。而大跨度预应力混凝土连续刚构边跨与中跨之比控制在0.55～0.6范围内为宜。主梁高跨比跨中在1/30～1/50、支点在l/15～1/20范围内考虑。富湾特大桥设计中，边跨/中跨=112/200=0.56；支点梁高/跨径=11.6/200=1/17；跨中梁高/跨径=.4.2/200=1/48，均满足构造要求。
　　横截面形式尽可能选用宽跨比较小的单室箱为宜，主要考虑偏心荷载小，有利于主梁的纵向刚度；同时将复杂的空间问题简化为平面问题来计算时其结果更趋于实际。另外对国内外已建箱梁桥桥宽桥与截面选型上作统计分析，可以看出，箱顶宽在22.2m以下时，基本采用单室箱。
　　设计时应注意避免结构突变(或断面突变)，当不能回避时应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。
　　4．2箱梁配筋控制
　　合理布置腹板内纵向预应力弯起束，使预应力钢束提供的抗剪承载力沿纵向连续分布，并尽可能多地将预应力束布置在腹板内；建立保证足够的纵向有效预应力和弯起束提供的竖向预应力，有效减少或消除主拉应力，从而控制腹板裂缝。
　　竖向预应力筋可以显著减少或消除主拉应力，但是由于钢束太短，预应力效果不明显。建议采用整体锚垫板，以保证预应力通过锚垫板实现多点连续传递，减少或消除应力空白区，提高腹板纵向整体性和抗剪能力。或者可以采用幻想预应力筋，通过加长预应力长度施加更多的预应力，有效发挥竖向预应力筋作用，减少剪应力和主拉应力。
　　箱梁配置足够的普通钢筋，在拉应力较大区域增设防裂钢筋网，可以有效抑制裂缝的发展，但要限定最大配筋率。
　　4．3合理选用材料
　　尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，降低骨料入模温度和内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热或采用薄层连续浇筑以加快散热。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁结构（壁厚20-60cm）构造上配筋宜采用密铺小直径钢筋，全截面构造配筋率不宜低于0.3%。
　　4．4加强施工监控
　　施工监控就是，对施工状态进行实时识别(监控)、调整(纠偏)、预测，使施工系统处于控制之中，对设计目标安全、顺利实施有很大作用。桥梁施工监控的重要性体现在:施工监控保证了桥梁施工的质量，施工监控保证了桥梁施工的安全，施工监控给桥梁在运营中带来了安全性和耐久性的综合监测系统。
　　5结论
　　本文对连续刚构桥梁目前出现较多的病害：跨中挠度过大和梁体的裂缝做了一定研究，得到了桥梁跨中挠度和梁体裂缝的成因，分析了各种影响因素并提出了一些防治措施；结合施工监测的结果，提出了对于连续刚构桥梁施工监测的一些方法和施工监测对于防治桥梁病害、保证施工质量的重要意义。
　　参考文献：
　　[1]何雄君;钢混异种材料组合结构施工预测控制理论的研究与应用[D];武汉理工大学;2003年
　　[2]陈衡治;大跨预应力混凝土箱梁结构计算分析研究[D];浙江大学;2005年
　　[3]高荣雄;混合梁斜拉桥施工控制技术研究[D];武汉理工大学;2005年
　　[4]向木生;连续刚构桥梁施工控制分析[J];武汉理工大学学报;2002年06期

《预应力连续刚构桥梁箱梁裂缝成因分析与控制》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 预应力连续刚构桥梁箱梁裂缝成因分析与控制

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-16366