連續剛構橋箱梁底板裂縫成因分析及防治措施

陳　成

(咸寧市咸安區公路管理局　咸寧　437000)

連續剛構橋箱梁底板裂縫成因分析及防治措施

陳成

(咸寧市咸安區公路管理局咸寧437000)

摘要針對連續剛構橋混凝土開裂，特別是箱梁底板裂縫的病害成因，對連續剛構橋底板預應力筋進行受力分析，分別從設計、施工等方面討論了裂縫的產生機理。針對不同的成因，提出了相應的防治措施，主要包括優化設計、材料選擇、嚴格控制施工質量等。

關鍵詞連續剛構橋底板預應力筋裂縫成因防治措施

連續剛構橋是一種應用較為廣泛的結構，具有很多優點[1]。而梁體開裂則是影響連續剛構使用的病害之一。因此，需要調查和分析各種裂縫發生的原因，提出相應合理的解決措施減少這種病害，從而提高我國橋梁建設品質。

國內有不少學者以體外預應力在連續剛構橋加固中的應用為例，分析了裂縫情況和病害原因，運用了體外預應力加固方法，對箱梁結構的豎向位移和混凝土應力進行分析計算[2-3]。本文對連續剛構橋底板預應力筋受力和箱梁底板開裂的原因進行分析，并提出了相應的防治措施。

1底板預應力筋受力及裂縫成因分析

1.1　底板預應力筋受力分析

橋梁規范規定[4]：按正常使用極限狀態設計時，預應力應作為荷載計算其效應。對于變截面連續剛構橋，在張拉預應力筋時，必然使截面產生與使用荷載作用方向相同的附加荷載即均布橫向力，稱為附加荷載效應，設計時應充分考慮。當鋼束在平面或縱面上曲線布置時，具有橫向或縱向曲率的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。下面來分析連續剛構橋按橋的立面線形布置的預應力筋對底板產生的效應。

取一小段底板預應力筋進行分析，其受力情況見圖 1，在S-S軸上列力的平衡方程為

(1)

一般情況θ很小近似取sinθ≈θ，得

(2)

圖1　微段預應力筋受力分析示意圖

從式(2)可以得到：①徑向力q(x)隨變截面箱梁底板的預應力筋曲率半徑的增大而減小；②若剛構橋的箱梁高度以及箱梁底板厚度按拋物線變化(見圖2)，拋物線方程為y=axb，經過(l/2，h)時，得y=h(2x/l)b，根據半徑公式R=( 1+y’2)2/y”, 代入式(2) 得：

(3)

圖2　預應力筋張拉引起的徑向力示意圖

一般情況1

1.2　裂縫的成因

結合底板的預應力筋受力分析，連續剛構橋底板縱向裂縫主要是由于底板鋼束沿梁底曲線布置，其對底板必然產生一個曲線徑向力，當這個力過大時，就有可能產生裂縫[5]；另一方面，鋼束出現轉折時，對底板有應力集中的不利影響。

1.2.1設計方面

(1) 未采用橫向預應力。箱梁底板在垂直平面處具有一定的彎曲率，因此，預應力鋼束必須要按照這種曲率來布置。根據預應力的等效載荷原理，鋼束的曲率會產生一個向下的載荷，這種載荷必然會受到腹板之間底板的橫向彎曲的抵抗，見圖3。此時，當橫向預應力束不足或者底板截面尺寸過小時就會導致底板產生縱向裂縫。橋梁結構構件在承受軸向力時，軸向力長度會受到彈性壓縮會縮短，在與其垂直的方向則會由于材料的泊松比而發生拉應力的變化。 當正應力的儲備值過高時，其垂直方向的拉應力就會發生較大的變化，這時就有可能會沿著預應力管道出現裂縫，引起嚴重的后果。

圖3　底板預應力筋受力簡圖

(2) 橋梁結構自重引起的上部結構內力是一定的，預應力的大小可以導致不同的內力分布，能改變上部結構內力分布。以往的橋梁設計中，設計人員一直忽視了上部結構彈性內力分布對橋梁運營時效彈性下撓的影響。目前連續剛構橋的分析計算多采用平面桿系程序。該類分析軟件能夠分析由預應力、收縮徐變及溫度引起的結構縱向彎曲變形時結構的受力，然而，對于復雜的空間結構，剪力滯效應是會發生變化的，在整體分析計算時，平面桿系程序很難精確模擬這種變化，使得計算結果與實際受力情況存在一定偏差。設計理論、假設狀態與箱梁實際受力狀態不一致是普遍存在的問題，由此導致的應力把握不準，同樣會造成箱梁發生開裂。

1.2.2施工方面

(1) 混凝土的強度未達到設計要求。這主要是施工工藝上的原因。還有可能是因為工期過于緊張，施工單位需要搶工期，而在混凝土齡期未達到設計要求時就張拉預應力鋼束，導致了箱梁底板縱向裂縫的產生。

(2) 鋼束定位成折線形。預應力管道在梁段上的位置與設計圖紙理論位置不符， 很可能將原先設計的圓弧形或拋物線形鋼束定位成線形，導致折點處應力集中，產生遠大于設計要求的應力，使底板局部開裂。

(3) 合龍時存在合龍高差。對懸澆施工的橋梁，設計者往往是按理想狀態對橋梁進行設計，橋梁合龍時兩懸臂端合龍高差為0。由于施工中存在不確定影響因素， 加上沒有進行嚴格的施工控制， 實際合龍時兩懸臂端都存在一定的合龍高差，有時甚至達到幾厘米。此時如不采取相應的措施進行處理就合龍，則很可能出現上述第二點的情況，使底板局部剝落或開裂。

2防治措施

2.1　設計方面

底板裂縫會使主梁剛度降低，撓度加大，從而進一步引起梁體開裂。高跨比是影響主梁受力的主要參數，適當地增大粱高，可以加大主梁剛度，使主梁應力狀態明顯改善[6]。

鑒于連續剛構橋l/4跨截面剪應力較大，可優化梁底線形，適當減小拋物線次數，以增加該處截面高度，這對于避免出現裂縫十分有利。

適當增加箱梁底板的厚度和合龍段附近的底板橫向鋼筋，使底板有足夠的強度抵抗底板所受的最大彎矩，同時底板應配置抵抗徑向力的箍筋，即上下2層鋼筋之間增設強勁的蹬筋連接，以增強上下層鋼筋的整體性。

2.2　施工方面

連續剛構橋的施工主要是采用掛籃施工，在施工中控制施工質量是非常重要的，主要采取以下措施：

(1) 施工單位應重視鋼束的定位，適當加密波紋管的定位鋼筋，防止鋼束成折線形布置。

(2) 預應力在張拉前，混凝土的強度應達到90%以上，有條件的情況下，混凝土強度應達到100%再完成張拉。

(3) 大跨連續剛構橋施工過程中一定要進行嚴格的施工監控，保證兩懸臂端的合龍精度，減小因合龍段高差帶來的鋼束轉折， 同時密切關注底板是否有縱向裂縫，以便盡早發現并解決問題。

3結語

通過對連續剛構橋底板預應力筋進行的受力分析，總結了底板裂縫在施工方面和設計方面的主要成因，并提出了相應防治措施。關鍵是設計時應認真驗算，合理布置底板構造鋼筋和預應力束，確定合理的底板厚度；施工時，精確定位波紋管的理論設計位置，盡量減少兩懸臂端的合龍高差，確保施工質量。

參考文獻

[1]馬保林．高墩大跨連續剛構橋[M]．北京：人民交通出版社，2000．

[2]王勇.某連續剛構橋病害分析及加固方法的研究[J]．山西建筑，2007，33(31)：314-315．

[3]馮鵬程.連續剛構橋設計關鍵技術問題的探討[J].橋梁建設，2009(6)：46-49．

[4]萬國朝,黃邦本.預應力混凝土橋梁分段施工和設計[M]．北京：人民交通出版社，1984．

[5]楊古新，楊吉旺，李克銀.預應力空心板數值分析[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007(5)：827-830.

[6]JTGD62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004．

Causes Analysis and Treatment Measures of Crack on

Box Bottom Slab of Continuous Rigid Frame Bridges

ChenCheng

(Highway Management Department of Xian'an District, Xianning 437000, China)

Abstract：According to the concrete cracking of continuous rigid frame bridge, especially the causes of crack of box girder floor, bottom prestress tendon of continuous rigid frame is analyzed with mechanics. Mechanisms of crack formation are discussed from the aspects of design, construction respectively. According to different causes, the corresponding prevention measures are put forward, including optimized design, material selection, and control construction quality, etc.

Key words:continuous rigid frame bridge; bottom prestress tendon; causes of crack; treatment measures

收稿日期：2015-03-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.017