大跨徑PC箱梁橋腹板開裂與處治綜述

鄭博 梁軍林 李叢 傅濤

摘要：文章在歸納總結國內外關于大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫研究的基礎上，從混凝土和豎向預應力筋的施工性能兩個方面分析他們對腹板裂縫的影響。結論顯示：高強混凝土較大的自收縮和較高的脆性是造成腹板出現早期裂縫的重要原因;根部腹板大體積混凝土施工時過大的水化熱會造成腹板在施工階段出現貫通裂縫;豎向預應力筋采用性能優良的CFRP筋能有效降低豎向預應力損失;豎向預應力筋采用滯后張拉并保證豎向預應力筋間距與腹板半高比s/c<0.5，腹板截面不同高度處預應力效率均較高。

關鍵詞：腹板;大體積混凝土;水化熱;預應力損失;滯后張拉

0 引言

預應力混凝土（Prestressed Concrete，PC）連續箱梁橋和剛構橋具有整體性好、截面抗彎與抗扭剛度大、跨越能力強、適合多種現代施工方式（預制拼裝、懸臂澆筑、頂推等）的優點。同跨越能力相近的斜拉橋和懸索橋相比，工程經濟性也更加合理[1][2]。1952年，德國首次運用懸臂澆筑施工技術建成第一座跨徑超過100 m的PC箱梁橋——Worms橋;1988年，我國建成第一座大跨徑連續剛構橋——廣東洛溪大橋。此后，短短幾十年內，PC箱梁橋在我國得到了廣泛的應用和飛速的發展。然而，投入使用的大跨徑PC箱梁橋普遍出現不同程度的開裂，箱梁腹板斜裂縫是最為普遍和嚴重的裂縫類型之一[3]。梁體的開裂使原本由混凝土包裹的鋼筋暴露在空氣中，加速了鋼筋的銹蝕，降低了結構的承載能力和剛度，使大跨徑PC箱梁橋在恒載和活載作用下的撓度進一步增大，嚴重影響了橋梁的正常使用性能和耐久性能。

眾多國內外學者針對箱梁腹板裂縫問題開展了大量研究，取得了一系列研究成果。本文從大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫基本特征、腹板混凝土和豎向預應力筋施工性能三個方面去論述大跨徑PC箱梁橋腹板開裂與處治研究的現狀和展望。

1 大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫基本特征

1.1 大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫類型

申時庵依據裂縫產生的原因將混凝土結構裂縫分為荷載裂縫和非荷載裂縫[4]。交通部公路科學研究院王國亮等人[5]則通過對全國公路系統主跨>60 m的近180座PC箱梁橋梁體裂縫進行了調查與分析統計工作，指出大跨徑PC箱梁橋100%出現開裂且跨徑>150 m的箱梁橋相對于其他跨度的開裂程度更嚴重，并依據裂縫出現的位置和原因將大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫形態和裂縫分布規律歸納如表1所示。

1.2 大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫形態特征

裂縫的形態特征包含裂縫的數量、長度、寬度以及深度等指標。大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫形態特征與施工質量、養護條件、箱梁截面形式與尺寸、荷載大小和作用形式以及外界環境影響等因素有關，其基本特征如下：一般對稱分布于橋梁縱軸兩側，且腹板內側數量多于外側;裂縫寬度呈現為中間大、兩端小的形態;已成型的腹板裂縫在夏季時的裂縫寬度較冬季時有所增大，約增長20%;沿預應力管道裂縫較長且不連續;彎剪裂縫寬度較大且常與腹板斜裂縫貫通[5-8]。

2 優化大跨徑PC箱梁橋腹板混凝土的施工性能

混凝土是由水泥、沙、石拌和而成的組合材料，其內部存在氣穴、微孔和微裂縫，并不是理想中的均質材料。混凝土收縮變形受到限制產生的拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，結構就會開裂。混凝土的收縮可分為五種類型：溫度收縮、塑性收縮、碳化收縮、自收縮和干燥收縮[9]。

2.1 溫度收縮

余文濤[10]指出，日照溫差、驟然降溫、蒸汽養護或冬季施工養護不當、施工氣候炎熱以及水化熱等原因均會引起腹板的溫度收縮。大跨徑PC箱梁橋根部腹板尺寸較大、水泥用量較多，腹板混凝土由于水泥水化反應產生的水化熱較多、絕熱溫升大且溫度峰值高，是造成腹板出現溫度收縮裂縫的主要原因[11][12]。腹板混凝土內部溫度在水化反應初期較高，外側由于混凝土的導熱性不好而溫度較低，此時腹板混凝土內部產生壓應力，而外側混凝土產生拉應力，腹板混凝土內部溫度隨著水化反應的進行迅速下降，其由早期受壓狀態轉變為受拉狀態，腹板有產生貫通裂縫的風險。此類裂縫在預應力尚未張拉、拆模檢查時就可能出現，并且只在當前施工梁段內發展。汪建群和方志[13]通過對實橋進行測試，指出0#塊及其附近厚度較大處腹板存在貫通裂縫，而距離根部較遠的較薄腹板處未出現裂縫，并通過實時監測指出腹板厚度為0.7 m的2#塊腹板混凝土外側在水化反應初期由于內外溫差產生的拉應力最高可達2.05 MPa，大于腹板外側混凝土的即時抗拉強度1.25 MPa;腹板混凝土內部在水化反應后期由于溫度迅速下降產生的拉應力大于混凝土的即時抗拉強度2.46 MPa。

大跨徑PC箱梁橋根部腹板出現早期裂縫的本質是腹板單次水化反應生成的水化熱過多導致腹板混凝土內外變形不協調。因此，可摻加適量粉煤灰和礦粉來減少水泥用量從而降低腹板溫度峰值，或在根部腹板澆筑前埋設通水管，澆筑時通水降溫并采用保溫保濕的養護措施，降低腹板內外溫差峰值，從而預防腹板早期溫度收縮裂縫的產生。

2.2 塑性收縮

塑性收縮是指混凝土終凝前，水化反應、水分蒸發以及重力作用等因素造成處于塑性狀態的混凝土發生沉降收縮[14]。在澆筑大跨徑PC箱梁橋節段混凝土時，下料過快或振搗不均勻會導致粗骨料沉漿，造成在鋼筋表面只有水泥砂漿，最終會由于塑性收縮過大以及局部強度較低而出現沿預應力管道表面方向的裂縫。

腹板沿預應力管道的裂縫使縱向預應力筋發生移位，增大了預應力損失，還降低了腹板有效截面面積，使腹板有產生斜向裂縫的風險。因此，澆筑大跨徑PC箱梁橋節段腹板時應緩慢下料并振搗均勻，從而減小混凝土塑性收縮值。

2.3 碳化收縮

混凝土碳化指混凝土水泥水化物中的Ca（OH）2結晶體與空氣中的CO2等酸性氣體在有水的條件下發生化學反應，使混凝土趨于中性化。碳化收縮量級不大，對大跨徑PC箱梁橋腹板裂縫的影響可不計[10]。

2.4 干燥收縮和自收縮

大跨徑PC箱梁橋普遍采用高強混凝土，水膠比或水灰比較低且摻有大量的活性礦物摻合料與高效減水劑。低水膠比或水灰比使混凝土內部含水量較少，隨著水泥水化反應的進行，水泥石毛細管壓強由于失水而升高導致水泥石承受負壓，混凝土發生自收縮。同時，礦物摻合料比表面積較大且具有較高的火山灰活性加速了水化反應，水泥石毛細孔飽和度逐漸降低發生自干燥收縮[15]。高強混凝土較高的脆性降低了抗斷裂性能，使PC箱梁橋由于混凝土溫度收縮和自收縮引起的早期裂縫在后期荷載的作用下迅速發展延伸。近幾十年來，我國對混凝土的早期強度要求越來越高，水泥比表面積和C3S與C3A含量的增大加劇了混凝土的溫度收縮和干燥收縮。早期高強混凝土的彈性模量較高而徐變變形較小，混凝土早期徐變變形不足以釋放約束條件下腹板較大收縮產生的高應力，腹板有早期開裂的風險[16]。因此，PC箱梁橋施工時，在保證強度滿足條件的情況下，應盡量選用比表面積小且C3S與C3A含量低的水泥，從而減小混凝土的自收縮值和干燥收縮值。

綜上所述，混凝土溫度收縮、塑性收縮、干燥收縮及自收縮是引起PC箱梁橋腹板早期裂縫形成與發展的重要原因。同時，現行規范[17]中計算收縮徐變的公式是以試驗室縮尺模型的試驗結果為依據確定，不能真實地反映大跨徑PC箱梁橋腹板所處的復雜實際情況。汪劍和方志[18]以衡昆高速公路沿線兩座大跨徑預應力混凝土箱梁橋為依托，通過實測與對比分析指出，對實際PC箱梁橋中混凝土收縮徐變作用及其效應認識的不足是造成箱梁腹板開裂的重要原因之一，建議在缺乏實際資料的情況下，采用GL2000模型進行箱梁橋的收縮徐變效應計算并進行針對性的加固，為現場施工人員提供了實用的建議。

3 優化大跨徑PC箱梁橋腹板豎向預應力筋的施工性能

主拉應力和剪切應力超限產生的腹板斜向裂縫是大跨徑PC箱梁橋中出現最多的腹板裂縫類型[19][20]。在腹板中設置豎向預應力筋可限制剪切應力，使腹板在縱向預應力和豎向預應力的共同作用下處于雙向受壓狀態，能有效抑制腹板斜向裂縫的出現[21]。然而，腹板開裂問題在大跨徑PC箱梁橋設置豎向預應力筋后并未得到有效控制[22]。趙寶俊[23]通過試驗研究與數值模擬指出，其本質原因是腹板豎向預應力損失過大，腹板截面混凝土的抗拉強度以及有效豎向預應力與縱向預應力的耦合作用不足以抵抗截面主拉應力。腹板截面有效豎向預應力過小主要有以下四個方面的原因：（1）施工時，豎向預應力筋的張拉時間不合理導致預應力損失過大或早期主拉應力過大在腹板中造成開裂;（2）混凝土的收縮徐變與溫度變化等非荷載因素造成的豎向預應力損失值難以計算準確;（3）豎向預應力筋較短且伸長量較小造成錨具回縮和接縫壓縮等引起的相對回縮比例較高，預應力損失比例較大;（4）未充分考慮豎向預應力筋的錨下擴散效應和應力空白區以及腹板的應力分布狀態。

鑒于以上對造成腹板豎向有效預應力過小的原因的分析，本文分別從豎向預應力筋的施工技術、豎向預應力筋的材料種類及錨具體系、腹板截面的應力分布狀態三個方面論述大跨徑PC箱梁橋腹板的開裂與處治研究。

3.1 優化豎向預應力筋的施工技術

目前，國內工地普遍采用后張法豎向預應力體系，其傳力錨固時的預應力損失主要包括預應力筋與管道壁間的摩擦損失σl1，錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的損失σl2及混凝土彈性壓縮引起的損失σl4[17]。

無粘結預應力筋是帶防腐隔離層和外護套的專用預應力筋，其不與混凝土直接接觸的特點能消除σl1的影響。相比于后張法預應力筋，其施工簡便、抗疲勞性能和抗震性能更加優越。劉山洪等[24]通過對大跨徑PC連續剛構橋裂縫的研究指出，采用無粘結豎向預應力技術能有效降低豎向預應力損失。實際施工時，預應力筋的張拉普遍集中在較短時間內，對結構的早期受力性能要求較高。鐵道部基于鋼束與帶有螺紋套管之間緩凝材料（超效緩凝砂漿或環氧樹脂）逐步固化的性質提出了緩粘結預應力混凝土技術，改善了預應力筋的張拉時間限制，從而可錯開作業的高峰期，能有效改善腹板的早期受力性能。緩粘結預應力混凝土技術施工簡單，具有良好的粘結性能和結構性能，能有效降低σl1和σl4。同時，姚日高[25]指出，采用真空輔助壓漿技術能顯著改善漿體的流動性能，從而避免預應力管道內出現空洞，能大幅提高漿體的密實效果，降低預應力筋回縮引起的豎向預應力損失。

3.2 優化豎向預應力筋的材料種類及錨具體系

豎向預應力筋伸長量較短造成相對回縮所占比例較高以及錨具性能較差是造成預應力損失σl2大的主要原因，因而選用性能更加優良的預應力筋材料和錨具體系是改善豎向預應力損失的有效途徑。國際工程界從20世紀80年代后期就開始研究將碳纖維增強塑料（CFRP）作為預應力鋼筋的替代材料。CFRP筋是由CFRP纖維絲通過樹脂膠合而成，具有輕質、高強、高模量、抗腐蝕以及抗震性能優越等優點[26]。陳露曄等人[27]通過對比試驗，指出CFRP筋用于大跨徑PC箱梁橋豎向預應力筋能顯著降低預應力損失。

CFRP筋是一種各向異性材料，其橫向強度與縱向強度之比可達1∶20。將傳統夾片式錨具用于CFRP筋的錨固會因CFRP筋的橫向強度較低而過早失效。Nanni等人通過試驗研究指出：配置CFRP力筋的混凝土結構，錨具系統的錨固性能是決定其極限承載能力大小的主要影響因素[28]。方志等人則通過試驗對比分析CFRP筋在超高性能混凝土、環氧鐵砂、環氧石英砂和普通混凝土四種粘結介質中的不同錨固性能，指出超高性能混凝土可使具有表面壓紋的CFRP筋具備最為有效的錨固性能[29]，為CFRP筋用于大跨徑PC箱梁橋腹板豎向預應力筋的施工提供了科學的理論依據。

同時，相比于傳統預應力鋼絞線錨固體系，低回縮預應力鋼絞線錨具體系通過對鋼絞線進行兩次張拉（第一次張拉使錨杯內夾片夾緊鋼絞線，第二次張拉錨杯直至設計張拉力），加強了鋼絞線與錨具之間的錨固性能，能有效降低預應力筋回縮引起的預應力損失σl2，從而提高短索的預應力效率[30]。

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作者簡介：鄭 博（1995—），碩士研究生，主要從事公路橋梁防災減災研究工作;

梁軍林（1965—），博士研究生導師，主要從事結構安全性能研究工作;

李 叢（1982—），從事高速公路建設管理工作;

傅 濤（1993—），博士研究生，主要從事混凝土損傷性能研究工作。