淺談預應力混凝土連續箱梁裂縫成因與預防

張龍剛，康 仲，田 罡

(1.河北承德承朝高速公路管理處;2.北京泰克華誠技術信息咨詢有限公司)

1 引言

連續箱梁橋由于其橋面行車舒適、受力合理、用材節約、造型美觀、養護工程量小、抗震能力強等優點，在高速公路和城市道路高架橋得到了廣泛的應用。但其結構受力和施工工藝復雜，設計及施工質量較難控制等原因造成部分橋梁剛施工完畢或投入運營不久就出現較多裂縫，嚴重影響了橋梁的正常使用。

2 裂縫產生成因分析

2.1 常見裂縫類別

(1)結構裂縫:溫度收縮裂縫、鋼筋保護層過小產生的裂縫等。

(2)受力裂縫:縱向彎曲裂縫、彎曲剪應力裂縫、力筋未能覆蓋而截面又未經驗核處的裂縫、支撐處箱梁橫隔板和腹板中的裂縫、錨下裂縫、橋面鋪裝層裂縫、翼懸板貫通裂縫、底板裂縫等。

2.2 裂縫成因分析

2.2.1 設計因素

(1)設計模式的選用

①T形梁承受荷載時，實際受力情況與假設相近。箱梁則不然，承受荷載時，肋與肋之間由于箱梁頂底板的作用，力的傳遞變化很大，頂板、底板、肋板承受的荷載不僅有彎矩、剪力、還有扭矩。

②T形梁結構簡單，每一單梁均設一支座，橫向荷載影響小。而連續箱梁前后跨的荷載對箱梁頂板、底板、肋板的受力狀態既有縱向影響又有橫向影響;由于剪力滯效應，在彎曲荷載作用下，腹板附近翼板中的實際應力比初等梁理論應力大。

(2)設計的理想化

設計考慮理論計算，而未考慮施工過程中的受力狀況。如:鋼筋間距小施工骨料通不過、骨架鋼筋過密使制作、安裝達不到設計要求、振搗影響、鋼筋束突破材料安全系數等影響。

2.2.2 施工因素

(1)對設計圖紙的理解不夠

施工人員對結構受力理解不夠，對受力鋼筋、重要構造鋼筋不重視、自行調整鋼絞線位置、張拉順序不注意，導致結構受力受影響，從而出現裂縫。

(2)施工工序的控制不嚴

施工人員忽視預應力鋼束定位鋼筋、拆除支架順序不合理、支架地基強度不夠、支架強度差、預壓重量不夠、混凝土配合比、材料質量控制不嚴、通氣孔未打開導致積水等。

2.2.3 管理因素

只注意前期的施工質量控制，忽視了后期的養護和管理、過早開放交通，使橋面鋪裝產生順橋向45°裂縫。

2.2.4 結構變形因素

溫度變化、混凝土的收縮、不均勻沉降等因素產生裂縫。

橋面板集中吸收陽光的輻射，與溫度較低的底板形成溫度梯度差。一般情況下，上下翼緣的等效溫差可達10～15℃。

對目前普遍采用的大跨度、變高度箱梁，隨著梁高變化幅度的增大及箱梁長度和支撐處約束的增加，溫度梯度應力會有較大的增長。有關分析表明，溫度應力的數值可能大于活載應力，這一點已經越來越引起工程設計人員的重視。

混凝土的收縮、不均勻沉降等因素也是使連續箱梁產生裂縫的重要原因。

3 連續箱梁裂縫產生機理分析

3.1 連續箱梁腹板裂縫的產生

設計時大多能很好的控制預應力連續箱梁縱向正應力及主拉應力，但往往忽視抗剪極限強度驗算及抗剪截面尺寸驗算，用主拉應力的驗算代替抗剪驗算。正常使用極限狀態在主拉應力滿足規范要求的情況下，抗剪截面尺寸不一定滿足規范要求，跨徑20～60m的等截面連續箱梁中特別突出，容易出現腹板斜裂縫。

3.2 斜裂縫的產生

設計人員對斜截面剪壓破壞分析不夠準確，我國公路橋規規定斜截面剪壓破壞臨界位置為距支座中心h/2(梁高一半)處，而這一規定與美國橋規AASHTO(1997)規定剪切應力臨界斷面在L/4處有所不同，可能出現剪壓破壞。

3.3 錨固區裂縫的產生

大跨徑箱梁由于設計齒板而造成中支點附近范圍內下緣壓應力儲備較小或是拉應力區，在與錨后局部拉應力的組合下(齒板前面的板處于受壓狀態，但齒板后面為受拉狀態)，容易引起底板開裂并向腹板開展。

3.4 預應力通過區裂縫的產生機理

鋼束在平面或縱面上曲線布置時，縱向預應力筋束在張拉過程中會產生對腹板或底板混凝土的徑向壓力，當鋼束曲率的作用力與箱梁恒載應力相疊加，相應的彎曲應力可能比單獨的恒載產生的應力大3～4倍，同時可能還存在鋼束線形的偏位而使受力更加不利，嚴重時集中力可導致腹板混凝土局部剝落或崩裂。

4 減少與防止連續箱梁裂縫的措施

4.1 設計中要注意的問題

(1)合理確定截面尺寸

等厚度腹板的連續箱梁滿足主拉應力和斜截面抗剪強度的要求，而忽視抗剪截面尺寸驗算。實際上，抗剪鋼筋的配筋率達到一定得程度后(達到超筋時)，再增加鋼筋，梁的抗剪能力不會繼續增加，破壞時箍筋的應力也達不到屈服強度。這時，應加大截面尺寸或提高混凝土標號，而不能用增加鋼筋來提高梁的抗剪。

(2)錨固截面的處理

同一斷面上截斷的預應力鋼束不宜太多;避免在拉應力區中錨固預應力鋼束;錨固斷面最好能跨過箱梁斷面接縫處(施工縫);頂底板錨固之間水平方向距離應在有較多重疊的基礎上錯開距離。

(3)防崩的處理和鋼筋設置

設計時應采取:盡量加厚箱梁底板厚度;鋼束平面布置時盡可能的靠腹板布置;箱梁底板配置足夠的橫向鋼筋及防崩鋼筋;施工中嚴格控制合攏高差;

防崩箍筋可按下式估算:鋼束曲率傳遞給混凝土凡人徑向荷載對圓曲線為F/R，如為折角則為Fθ。A=Fθ/[σg](σg為鋼筋的容許應力)。

(4)合理布置束型

設計時，連續梁的預應力鋼束的配置對不同跨徑的梁橋結構，要選用合理的預應力束筋布置型式，盡量避免預應力束筋“大而稀或小而密”導致受力不均勻的情況發生;盡量避免使用反向曲率的連續束，注意鋼束的平、豎彎曲線的配合及鋼束之間的空間位置;小邊跨梁端一定范圍內可現澆為實體;負彎矩較大時，可配置一定量的頂板束;不宜采用較長的連續通長束。

(5)合理布置鋼筋

箱梁受力主筋不宜過分集中在梁肋內，設計時主筋的布置應根據連續箱梁的肋、板剛度比與其剛度變化情況來考慮;翼板上宜增設縱向受力鋼筋。選擇連續箱梁的截面形式時，應注意翼板的懸臂長度不宜過大。

(6)加大連續箱梁橫向剛度

連續梁橋的橫向剛度也應當充分重視，僅在寬度較小的尺寸范圍內配置多層普通鋼筋，根本無法使鋼筋充分發揮作用，應加大橫梁尺寸或將橫梁設計成預應力結構。

4.2 施工中要注意的問題

(1)改善材料性能

盡量改善骨料級配、摻和活性劑、外加劑等方法減少水泥用量，以降低混凝土的水化熱溫度;同時，采用一些措施降低混凝土的澆筑溫度，如:降低骨料溫度、加冰水、夜間較低大氣溫度時澆筑混凝土。

(2)優化施工方法

①減少澆筑厚度，加快混凝土散熱速度，如:選用鋼模、分層澆筑、氣溫高時降溫、冬季則注意保溫等。

②采用標準化、系列化、通用化的構件架設支架，規范施工。

③箱梁混凝土澆筑順序應從正彎鉅向負彎矩的地方合攏，以預防和減少裂縫的產生，從跨中向兩端支點進行;盡可能一次澆筑完成，梁身較高時，可分兩次或三次澆筑，梁身較低時，宜先底部及腹部根部，其次腹板，最后澆筑頂板及翼板。

5 小結

為了確保滿足橋梁結構的使用功能，對于連續梁橋的裂縫問題應當引起足夠的重視，在設計和施工過程中對于較易產生裂縫的環節應當認真分析，采取優化措施盡量減少裂縫的產生。

[1] 公路橋涵施工技術規范(JTJ 041-2000)[M].北京:人民交通出版社，2000.

[2] 范立礎.預應力混凝土連續梁橋[M].北京:人民交通出版社，1985.