連續箱梁橋腹板斜裂縫的技術研究

張西丁，潘志強

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

連續箱梁橋腹板斜裂縫的技術研究

張西丁，潘志強

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

連續箱梁橋的腹板斜裂縫是近年來箱型橋梁的突出問題，本文圍繞箱梁腹板斜裂縫的影響因素和控制措施，從設計和施工管養兩個方面進行了分析，提出了計算模式、腹板厚度、預應力筋布置形式、溫度、混凝土收縮徐變、施工不當是影響箱梁腹板斜裂縫的主要因素，并分別對它們進行了分析，得出了箱梁腹板斜裂縫的控制措施。

腹板斜裂縫；腹板厚度；預應力筋；溫度應力；混凝土徐變

1　箱梁腹板斜裂縫簡介

1.1連續箱梁橋存在的問題

近年來，我國公路橋梁建設飛速發展，橋梁的設計技術與施工技術日新月異，都已達到相當高的水平，尤其是預應力混凝土連續箱梁橋得到了廣泛應用。但是，由于預應力混凝土連續箱梁橋在設計理論方面相對不完善，施工質量存在不同程度的缺陷，同時運營時經常會出現負荷超載對橋梁結構的破壞以及養護管理工作不力等，這些因素的綜合作用使得這類已建橋梁大多出現了一系列病害，這些病害中的一個突出問題是箱梁部位的裂縫。

在這些已發生的裂縫當中，危害最大的是影響結構正常使用或者結構耐久性的箱梁腹板主拉應力裂縫，該腹板裂縫集中在25°～45°，為斜裂縫，主要出現在連續箱梁橋的邊孔現澆段、L/4截面附近或者梁腹厚度變化區段。例如，河南省三門峽黃河公路大橋，該橋建成于1993年，僅僅運營了短短7年，主橋(連續剛構)箱梁很多梁段的腹板就出現了斜裂縫；風陵渡黃河公路大橋于1994年11月竣工通車，幾年后，主橋(連續梁)箱梁梁體在一些部位出現了不同程度的腹板斜裂縫；黃石長江大橋(連續剛構)于1995年竣工，使用一年后便發現腹板出現斜裂縫；東明黃河大橋預應力混凝土箱梁在L/4截面附近梁腹板表面出現與頂板呈25°～50°的斜向裂縫，大多由頂板與腹板交界處開始，向下延伸至1/3～1/2梁高處，基本與主拉應力方向垂直。這些斜裂縫不僅會削弱橋梁結構的強度和剛度，還會加速鋼筋銹蝕。而鋼筋銹蝕則會引起體積膨脹，從而使混凝土開裂，破壞混凝土的受力性能，降低材料的耐久性能和橋梁的承載能力，影響橋梁的美觀及使用壽命，嚴重時很可能引起交通事故。

1.2腹板斜裂縫的表現形式

斜裂縫又稱主拉應力裂縫，它是預應力混凝土箱梁橋中主要的裂縫，與橋梁軸線夾角為25°～50°，出現在連續箱梁橋的邊孔現澆段、L/4截面附近或者梁腹厚度變化區段，而且隨著時間的推移裂縫不斷發展，并逐漸向跨中發展，如圖1所示。

圖1　預應力連續箱梁橋中跨、邊跨腹板斜裂縫示意

大量的工程實例調查分析和研究發現，懸臂節段施工的大跨度預應力混凝土箱梁橋腹板斜裂縫主要有以下幾個特點：

（1）裂縫一般在L/4跨附近較早出現，數量密集，而后向跨中與支座方向發展。

（2）從豎向發展趨勢可以將腹板斜裂縫分為三種典型類型：a.在中性軸附近發生向上下發展的斜裂縫；b.從頂板與腹板交界處發生而后向下發展的斜裂縫（最常見）；c.從底板錨固齒板后端發生而后向上發展的斜裂縫。

（3）裂縫開展寬度一般在0.15～0.5 mm，且夏季縫寬較冬季有所增大(增大約20%)，較寬裂縫貫穿腹板。

（4）裂縫與主軸線成大約45°(20°～60°)角，與主拉應力的方向基本垂直，在結構上呈良好的對稱性，通常腹板內側的數量較多。

（5）腹板裂縫不能自動閉合。

（6）腹板裂縫與跨中下撓同時發生。

腹板斜裂縫作為破壞性的結構裂縫，一旦出現，對箱梁橋的耐久性和運營安全將構成很大的威脅。腹板斜裂縫尤其是某些貫穿性裂縫的出現，不僅導致橋梁結構剛度和強度的降低，還會加速鋼筋的銹蝕，而銹蝕的鋼筋則會引起體積的膨脹，從而使混凝土開裂，進一步破壞混凝土的受力性能，降低材料的耐久性和結構的承載能力。

2　連續箱梁橋腹板斜裂縫的影響因素

對于預應力混凝土腹板開裂現象，國內外學者和工程師總結了很多影響腹板出現斜裂縫的原因。實際上，腹板裂縫的成因復雜繁多，有時多種因素相互影響，每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。總體而言，腹板斜裂縫的產生無外乎由設計、施工和養護管理兩方面引起。

2.1設計因素

2.1.1計算模式

現在對連續箱梁橋的計算大多采用平面桿系模型，較少采用三維實體單元模型。對于寬跨比較大的橋梁，將空間結構簡化為平面結構，則扭轉、畸變效應產生的剪應力不能忽視，以抗彎橫向分布系數代替抗剪橫向分布系數也導致誤差增大。此外，對于受力復雜而且集中的區段，往往缺少必要的手工計算和理論判斷。若采用的力學模型與實際結構不符，則理論計算結果與實際受力情況偏差較大。斜裂縫通常出現在支點附近，而支點設置有橫隔板、預應力錨頭等使構造復雜、受力集中，更容易使計算偏差過大。

《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）對預應力混凝土受彎構件的計算僅考慮了豎向預應力作用，與結構實際應力狀態有差異。實際上，不僅豎向預應力效應會導致腹板產生豎向應力，而且存在頂板和腹板上錨固的縱向索局部錨固效應、橫向預應力橫向效應、自重效應、活載偏載效應和溫度橫向效應等，這些因素均會導致腹板產生豎向應力，在計算中這些應力值往往也是不能忽略的。

2.1.2腹板厚度

腹板厚度采用不同的變化形式，將對主拉應力產生較大的影響。腹板全橋采用同樣的厚度時，梁根部主拉應力最大，最容易導致腹板斜裂縫。然而，腹板厚度由橋墩處向跨中變化過快也將造成比較不利的主拉應力情況出現。因此，必須合理設計箱梁腹板厚度的變化形式，在腹板內不造成較大的主拉應力。

2.1.3縱向預應力筋布置方式

大跨徑后張橋梁結構的預應力配筋多為曲線形式，有些情況下，這種配筋方式會引起混凝土結構開裂。例如，箱梁底板上的預應力筋在端部彎曲到腹板上錨固時，將在底板產生拉應力；同樣，斜腹板內的曲線力筋錨固到頂板上后也會對底板產生橫向拉力，這些都容易造成底板的縱向開裂。同時，曲線預應力筋在徑向對混凝土產生的壓力能起到線荷載的作用，從而在與曲線預應力筋平面垂直的方向上產生拉力即劈裂應力。大跨徑橋梁的主預應力筋產生的劈裂應力是相當可觀的，常常導致混凝土結構出現縱向開裂。通過對設置頂板下彎鋼筋束和不設置頂板下彎鋼筋束兩種情況的比較，發現設置頂板下彎鋼筋束的腹板主拉應力明顯小于不設置頂板下彎鋼筋束的主拉應力。因此，是否設置預應力頂板下彎鋼筋束對控制腹板斜裂縫的形成有較大的影響。

2.1.4豎向預應力筋布置方式

腹板斜裂縫出現的常見位置是邊跨現澆段、梁端附近和跨中處，而這些位置的梁高在大跨變高度梁橋的全橋來看是最小的區段。由于梁高較小，豎向預應力筋的長度比較短，張拉時高強精軋螺紋粗鋼筋的伸長量有限，如果錨固時稍有不慎，將造成鋼筋回縮量偏大，預應力損失可達近50%。此外，豎向預應力筋的布置一般要求順橋向間距在0.5～0.7 m，預應力效應從端頭按26°擴散角傳遞，在相鄰力筋之間會形成預應力的不連續，即預應力空白區。如果豎向預應力筋間距過大或梁高過小，則預應力空白區可延伸至腹板上部，可能引起腹板斜裂縫。

2.1.5溫度應力

在橋梁設計中，目前的習慣是將體系溫差和日照溫差（溫度梯度）分別考慮，日照溫差對混凝土梁式橋的影響遠遠大于體系溫差。箱梁的溫度梯度的作用，相當于在箱梁上作用一個附加彎矩，該彎矩增加了腹板的剪應力和正應力，進而影響主拉應力，所以溫度應力對預應力混凝土橋梁設計的重要性是顯而易見的。如果在設計時溫度梯度模式的選取有問題，可能計算得到的溫度應力相差很大，甚至計算結果是異號，這可能導致在結構設計上出現問題，此時即使是增大溫度應力設計值，也無法保證結構的抗裂性。

計算和實際工程觀測表明，溫度應力產生裂縫最多最常見的部位是支座附近和跨中處。這就要求在設計時應加強支點附近和跨中附近截面在多種荷載組合下的組合應力驗算，特別是主拉應力的校驗，確保控制主拉應力滿足規范的有關規定。與此同時，還需采取一些適當的構造措施，常規的做法是在驗算控制截面附近布置一定數量的非預應力筋，以使裂縫分布均勻，控制溫度裂縫的發展。

2.1.6混凝土收縮、徐變

混凝土收縮、徐變是混凝土結構中的基本問題之一，影響混凝土結構的長期使用性能。現代施工技術的發展使得鋼筋混凝土橋梁結構工程能夠快速地施工，鋼筋混凝土受力構件在施工期的內力，可能等同于或大于結構的成橋受力(如大跨度連續剛構橋在邊跨合龍前的懸臂狀態)。由于混凝土裂縫的出現及其較低的早齡彈性模量，這些結構(構件)在施工期荷載的作用下會產生較大的瞬時撓度，同時由于收縮及伴隨高強應力而發生的徐變，結構的時效變形可能會大得無法接受。因此，在橋梁結構設計中，收縮和徐變的影響是不可忽視的。徐變帶來的應力重分布和預應力損失都可能導致橋梁運營過程中主拉應力的增大，進而影響腹板斜裂縫的產生。

2.2施工和養護管理因素

2.2.1施工組織不合理引起微裂縫

施工組織不合理或不協調常導致梁體產生微裂縫，這些微裂縫削弱了截面的有效面積，導致裂縫處的剪應力驟然增大，引起斜裂縫。

（1）混凝土澆筑順序不當。混凝土的澆筑順序對于大跨度橋梁的施工質量至關重要。例如懸臂施工時，在掛籃上澆筑混凝土由里向外；滿堂紅支架澆筑時，從支點到跨中澆筑混凝土。這些不合理的澆注順序，由于掛籃和支架不均勻沉降與變形，會引起初凝的混凝土產生極微小的垂直裂縫。

（2）箱梁底板、腹板、頂板分層澆筑，間隔時間過久。后澆筑的混凝土因降溫收縮等產生的收縮力，不足以壓縮前一層混凝土，從而產生微小差動裂縫。

（3）模板和底座約束產生差動裂縫。箱梁澆筑后，腹板兩側的側模若不及時拆除(曾出現某橋運營后，發現內模沒有拆除)，則模板和混凝土間的摩擦力阻止腹板收縮，引起微小差動裂縫。預制梁若在底座上存放過久，而沒有及時合理存放，則收縮與徐變也可引起腹板微小差動裂縫。

2.2.2預應力束張拉

預應力筋張拉時沒有達到設計要求的張拉力。預應力筋張拉力達不到設計值和波紋管就位時偏離了設計的坐標值，對腹板內力造成不利影響。預應力筋張拉完畢后，沒有按設計要求灌漿,有時甚至不灌漿，導致預應力筋銹蝕或預應力筋的有效預應力降低。豎向預應力束通常采用精軋螺紋鋼筋，但一般缺乏嚴格檢查和特殊控制措施，從錨板、墊板放置到張拉工藝，重視程度也顯不足，回縮及松弛可能使其實際預應力只有設計預應力的75%左右。另外，豎向預應力束張拉時間上往往滯后懸臂預應力束較多，未能使腹板較早呈雙向受壓狀態，而可能使短齡期的腹板混凝土在較大懸臂活載及恒載作用下形成“暗傷”。

2.2.3管理養護

橋梁運營期的管理養護也是影響橋梁病害的一個很重要方面。這其中需要避免的一點就是運營期的使用荷載超限。超載是公路交通中普遍存在的問題，當汽車荷載超載時，活載產生的應力也會相應增加。如對于（146+256+146）m連續剛構橋，當汽車活載超載50%時，活載在L/4位置的腹板中產生的主拉應力就會增加0.176 5 MPa（未考慮扭轉效應）,如果同時考慮扭轉效應，則超載引起的主拉應力值則達0.337 MPa。

3　連續箱梁橋腹板斜裂縫的控制措施

上文已經從設計和施工運營兩個方面就影響箱梁腹板斜裂縫的因素進行了詳細分析，連續箱梁橋腹板斜裂縫的控制主要集中在這兩個方面。

3.1設計方面

（1）探索合理的箱形橋梁計算模式。采用整體計算和局部計算相結合的方式來進行箱梁的設計。對全橋結構內力的分析，可建立平面桿系整體模型，從整體上把握橋梁結構的受力。對局部受力不明確的地方，需要建立三維實體結構模型，這樣才能更準確地掌握局部的受力情況。

（2）選擇合理的腹板厚度。腹板厚度的變化形式對主拉應力的影響很大，所以截面腹板厚度的變化處理方式應慎重考慮，應盡量采用較為緩和的變化形式。箱梁的腹板厚度不宜太薄，除了應當滿足預應力束管道通過的要求外，還必須有足夠的空間布置普通鋼筋。

（3）選擇合理的預應力筋的布置方式。頂板縱向預應力鋼筋束應設置一定數量的預應力下彎鋼筋束，以提高箱形梁的斜截面承載能力。豎向預應力筋的間距應根據具體橋型經計算比較確定。在形式上可采用U形豎向預應力筋，單排或雙排交錯布置，這種豎向預應力鋼筋束可以增加豎向預應力筋的拉伸量、減少錨頭數量以及減小預應力空白區。

（4）合理布置非預應力筋。箱梁骨架鋼筋設計時,應考慮箱體的頂板、底板共同參與抗彎、抗壓、抗扭、抗剪作用,骨架鋼筋不宜多而雜。通常情況下，骨架每肋以3～4排為宜，主筋的重疊最好不超過3排。在箱梁腹板內應設置一定數量的箍筋(如雙肢箍筋)和彎起鋼筋，可以降低箱梁的縱向預壓應力，避免出現縱向裂縫，減小反拱度，改善結構使用性能。

（5）考慮溫度、混凝土收縮和徐變的影響。現在大多數設計軟件都能考慮溫度、混凝土收縮和徐變，正確地模擬它們是關鍵。

3.2施工和養護方面

（1）加強管理，嚴格按照設計要求的水灰比配制混凝土。

（2）注重混凝土的振搗，確保混凝土的密實度；，同時要注意混凝土的養護，要有專人管理。

（3）注重混凝土的澆筑順序，灌注閉合箱梁的次序和時間，首先澆筑底板、橫隔板、腹板及兩側部分頂板；然后現澆剩余頂板及翼緣板，新老混凝土澆筑的時間差控制在3～6 d。

（4）在掛籃懸臂施工法中，掛籃布置位置的確定需進行局部驗算，澆筑混凝土前，應對掛籃進行預壓重，并由外向內澆筑混凝土。

（5）預應力筋的張拉嚴格按設計進行，預應力筋孔道定位偏差應控制在規范允許范圍內，預應力筋張拉時應有質檢人員全過程旁站，確保張拉力達到設計要求。一般采用分束張拉大噸位群錨的張拉工藝才能保證各根鋼絲或鋼絞線受力均勻。

（6）加強橋梁運營期間的養護管理。定期對橋梁的結構進行檢查，發現問題及時解決，使橋梁的結構狀態保持良好。

4　結語

本文從設計和施工管養兩個方面對箱梁腹板斜裂縫的影響因素和控制措施進行了分析，得出了計算模式的選擇、腹板厚度、預應力筋布置形式、溫度、混凝土收縮和徐變、施工等是影響箱梁腹板斜裂縫的主要因素，并對它們一一進行了分析，得出了箱梁腹板斜裂縫的控制措施，對連續箱梁設計和施工具有一定的指導意義。

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重慶萬興路隧道明年建成通車

重慶市級重點項目萬興路隧道工程進展順利，將于2017年建成通車，形成江北區觀音橋商圈南側區域東西向的一條分流通道。

萬興路隧道工程起于建新西路三期，終于興竹路，與北濱路基本平行，長約1 048 m，是一條城市主干路，雙向6車道，總投資約3.68億元，項目于2015年8月開工建設。目前，隧道外土石方已完成90%，左線隧道開挖完成200 m，各項工作按計劃推進，預計2017年底實現完工投用目標。

萬興路是位于觀音橋商圈南側區域的東西向城市主干路，西接建新西路四期終點，向東止于渝澳大橋下的華福路，依次分為萬興路隧道段、萬興路興竹路至金源路段、萬興路金源路至華福路段。此前，興竹路至金源段、金源路至華福路段已完工投用，唯有萬興路隧道段尚未建設。

U445.7+1

B

1009-7716（2016）03-0072-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.021

2015-12-09

張西丁（1989-），男，河北人，碩士研究生，助理工程師，從事橋梁與結構設計工作。