東莞石龍南二橋裂縫成因分析

李濟民

（東莞市交通工程質量監督站，廣東東莞 523125）

0 前言

廣東東莞石龍鎮南二橋跨徑組合：5×13 m＋3×30 m＋52 m＋80 m＋52 m＋5×30 m＋8×16 m，全長640 m。主橋結構為預應力鋼筋混凝土三跨連續梁橋。橋寬：凈12 m＋2×2.0 m（人行道）+2×0.25 m（欄桿），全寬16.5 m。設計荷載：汽車—20級，掛車—100，人群3.5 kN/m2。1997年竣工通車，運營后對該橋進行檢測，發現主跨預應力箱梁兩側腹板出現大量的剪切裂縫，寬度多數超過0.2 mm，個別達0.5～0.65 mm，70%以上集中分布在80 m主跨距支座13～30 m的范圍，并呈明顯的對稱性，對稱于橋跨中線和路線中線。圖1為南二橋主跨和典型截面圖。

圖1 石龍南二橋主跨和典型截面圖（單位：cm）

1 主跨裂縫統計

（1）在52 m+80 m+52 m主跨裂縫統計中，從裂縫的寬度來看，在整個箱梁中共發現了2321條裂縫，其中寬度小于0.2 mm的裂縫有1721條，占裂縫總數的74.15%；寬度介于0.2～0.5 mm的裂縫有563條，占裂縫總數的24.27%；寬度大于0.5 mm的裂縫有37條，占裂縫總數的1.59%。其中，在箱梁腹板所發生的869條裂縫中，寬度小于0.2 mm的裂縫有647條，占裂縫總數的74.45%；寬度介于0.2～0.5 mm的裂縫有211條，占裂縫總數的24.28%；寬度大于0.5 mm的裂縫11條，占裂縫總數的1.27%。在箱梁頂板內表面和底板外表面所發生的1379條裂縫中，寬度小于0.2 mm的裂縫有1055條，占裂縫總數的76.5%，寬度介于0.2～0.5 mm的裂縫有317條，占裂縫總數的22.99%；寬度大于0.5 mm的裂縫有7條，占裂縫總數的0.51%。

（2）從裂縫總體走向上看，腹板中絕大多數裂縫為與水平線斜交的斜裂縫，箱內和箱外腹板的斜裂縫數量分別占到各自裂縫總數的95.13%和99.23%，其余裂縫基本為與水平線基本平行的水平縱向裂縫。裂縫在數量、走向兩方面基本對稱箱梁軸線分布。箱內頂板表面的裂縫絕大多數為順橋向的縱向裂縫，占到了頂板裂縫總數的92.24%，存在少量斜裂縫，占頂板裂縫總數的7.45%。箱外底板裂縫多數為順橋向的縱向裂縫，占箱外底板裂縫總數的55.39%，而斜裂縫的數量也不少，占底板裂縫總數的44.11%。

2 南二橋受力分析[1，2]

為了對南二橋進行分析建立下列模型：

（1）平面桿件模型。計算徐變、收縮對結構的影響：該模型共73個節點，72個單元，分15個施工階段模擬施工程序。該模型考慮了徐變、收縮、預應力損失（見圖2）。

圖2 第15個施工階段中跨合攏（平面）

（2）板殼模型。該模型有19319個節點，20898個板單元，6466個梁單元。該模型用梁單元模擬預應力鋼筋，用降溫的方法模擬預應力，從而進行施工分析，計算結構空間效應（見圖3）。

圖3 板殼模型

3 裂縫成因分析[3，4]

（1）溫度對頂板裂縫的影響

溫度對南二橋頂板裂縫的影響，主要計算橫向溫差應力，故采用下面幾種模式。頂板溫差按公路04規范（a）線性分布和（b）矩形分布、頂板溫差按鐵路規范三種模式模擬（見圖4）。

圖4 邊跨截面頂板內表面溫度分析比較

圖4中的某些計算點出現異號現象。部分計算值在采用鐵路規范計算時的主拉應力大于混凝土抗拉強度（2.65 MPa），會引起橫向開裂。

（2）畸變和橫向彎曲對頂板裂縫的影響

分析畸變和橫向彎曲對頂板裂縫的影響，比較畸變和橫向彎曲產生的橫向應力大小。通過模型二剝離開畸變和橫向彎曲產生的橫向應力（見圖5）。

圖5 邊跨截面畸變和橫向框架效應產生的橫向應力比較分析（單位:MPa）

從圖5中可見，橫向彎曲對裂縫的形成起主導作用，它產生的橫向應力大小是畸變產生的4.8倍作用，最大可達到5.9倍,橫向彎曲和畸變聯合作用下所產生的橫向作用更大，是橋梁產生順橋向裂縫的原因。

（3）剪力滯對頂板裂縫的影響

在組合一（自重+預應力）作用下，頂板縱向正應力值分布不均勻，即剪力滯效應使得頂板腹板相交處縱向壓應力增大，它對頂板裂縫產生起到一定的促進作用（見圖6）。

圖6 中跨截面剪力滯效應

（4）豎向預應力筋損失對腹板裂縫的影響

對于縱向配直線束的布束方式，對建立縱向有效預應力有利，而剪應力需通過配置密排豎向預應力束來克服，豎向預應力筋設置能顯著地減少或消除主拉應力。

豎向預應力筋與縱向預力筋相比有兩個顯著的特點:第一，豎向預應力筋短，與軸向預應力筋相比達到相同的應力水平，其彈性變形要小得多；第二，豎向預應力筋錨固端沿腹板軸向排列，而縱向預應力筋的錨固端是排列在箱梁的某個截面上，充分考慮了縱向預應力的彈性壓縮損失的計算，但對豎向應力的彈性壓縮損失沒有作特別的說明，縱向預應力的彈性壓縮損失是基于一維桿件軸向壓縮計算得出的。很明顯，縱向預應力的彈性壓縮損失計算方法不能用于豎向預應力彈性壓縮損失計算。在確定豎向預應力筋張拉控制應力時必計算彈性壓縮損失。但目前豎向預應力彈性壓縮損失的計算大多參考縱向預應力的彈性壓縮計算方法。據有關資料報導，豎向預應力損失達50%，近年來修建的多向預應力混凝土箱梁橋梁大多數在腹板產生了不同程度的裂縫，豎向預應力損失過大、腹板的豎向預應力彈性壓縮損失估計不正確是產生裂縫的重要原因之一。

4 結語

（1）頂板和底板的裂縫，主要是橫向彎距產生的，即橫向彎曲和畸變的聯合效應,其中橫向彎曲起主導因素，它產生的橫向應力大小是畸變產生的4.8倍，最大可達到5.9倍，建議施加橫向預應力鋼筋來平衡這些力。

（2）腹板裂縫主要是構造不合理和豎向預應力筋配置不足且損失過大而產生的。腹板縱向預應力筋布置方式和豎向預應力大小對腹板斜裂縫的產生影響較大。

（3）為控制箱梁的裂縫,除預應力配束合理外,還要在腹板內配置一定數量的箍筋與彎起鋼筋,如雙肢箍筋,并且腹板厚度不宜太薄。在箱梁的頂底板要設置一定數量的分布鋼筋和收縮溫度鋼筋。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTGD62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2001.