預應力預制箱梁底板與腹板縱向裂縫成因分析

郭杰

摘 要：預應力預制箱梁以其成熟的工藝和機械化程度高的特點，在保障橋梁質量的同時大大節約了工程成本和工期。但是在預應力預制箱梁生產過程中存在各種影響因素，使得預應力預制箱梁在理論設計、混凝土配比設計、施工工藝以及溫度變化等因素下底板或腹板出現縱向裂縫。通過對縱向裂縫形成的原因進行分析，從而判斷該預應力預制箱梁裂縫病害的危害程度，以達到保證橋梁使用安全和節約成本的目的。

關鍵詞：預應力預制箱梁;縱向裂縫;非結構裂縫

0 引言

預應力預制箱梁通常在獨立的梁場預制，采用整體鋼模，混凝土集中供應，混凝土運距短，養護方便，易于預應力張拉作業;同時梁場采用起重機吊運，機械化程度高，質量有保證，生產效率高。預應力預制箱梁可與下部工程同時進行，在下部工程完成后進行架設，大大的縮短了工期，降低了施工成本。從而決定了預應力預制箱梁在橋梁施工中被廣泛應用。

1 工程概況

廣西融河高速的一座在建橋梁，全橋共2聯，橋梁跨徑組合為 2×（4×20.0 m），橋面寬度為2×（凈-11.75+1）m，共8跨。橋梁上部結構采用先簡支后連續預制小箱梁。預制小箱梁采用C50混凝土，腹板高度為105 cm，底板寬度為100 cm。波紋管采用高密度聚氯乙烯波紋管（SBG-50Y型）。單側腹板縱向采用兩束5*15.2鋼絞線，底板縱向采用兩束5*15.2鋼絞線。

在橋梁外觀檢測中發現每跨中都有部分箱梁在底板或腹板位置出現縱向裂縫;裂縫寬度在0.05 mm～0.20 mm之間，長度在1.0 m～19.0 m之間。就同一箱梁而言，底板裂縫寬度大于腹板裂縫寬度。底板裂縫在距梁底邊緣兩邊各20 cm～30 cm之間對稱分布;腹板裂縫在梁中位置出現在距梁底邊緣10 cm～20 cm處，在距梁端7 m～8 m處裂縫開始向斜上方發展，基本上是沿波紋管位置出現。部分裂縫雖未直接連通，但基本上沿波紋管位置延伸。

2 鋼筋混凝土構件裂縫分類及成因

2.1 鋼筋混凝土構件裂縫分類

（1）按產生原因可分為結構裂縫和非結構裂縫。

結構裂縫：由各種外荷載引起的裂縫，也稱荷載裂縫。它包括由外荷載的直接應力引起的裂縫和在外荷載作用下結構次應力引起的裂縫。結構裂縫多由于結構應力達到限值，承載力不足引起的，是結構破壞開始的特征，或是結構強度不足的征兆，這是比較危險的。

非結構裂縫：由各種變形引起的裂縫，也稱變形裂縫。它包括混凝土收縮、溫度變化等因素引起的裂縫。這類裂縫是在結構的變形受到限制時引起內應力造成的，對結構承載力影響不大。從工程實踐來看，混凝土構件的裂縫80%以上都是非結構裂縫。

（2）按裂縫形狀劃分，可分為縱向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫、X形裂縫和不規則裂縫等。

（3）按裂縫深度劃分，可分為表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。其中表面裂縫對結構）、應力、耐久性和安全基本沒有影響。深層裂縫和貫穿裂縫對混凝土結構影響較大。

2.2 鋼筋混凝土構件非結構裂縫成因

鋼筋混凝土構件出現非結構裂縫的原因很多，概括起來主要有以下幾種：

（1）理論設計：一是鋼筋配置不合理，在剪力滯后效應的影響下產生裂縫問題。二是設置鋼筋保護層厚度設計值不合理、墊塊位置設置不合理或者在施工中沒有保護墊塊位置的措施;使得保護層厚度過薄，從而在鋼筋銹蝕膨脹時產生裂縫。

（2）混凝土原材料：混凝土的抗拉強度較低，由于材料的不均勻、水灰比不穩定及混凝土在運輸和澆筑過程中產生的離析等，會使得混凝土內部抗拉強度的不均勻;在溫度變化或養護不到位的情況下，易引起混凝土內部拉應力的產生，進而易在薄弱部位出現裂縫。

（3） 收縮：一是水泥化學收縮，水泥水化產物體積較反應前水泥-水體系體積縮小，產生收縮。這種收縮不能恢復，會在混凝土結構內部產生微細裂縫，對混凝土結構強度沒有破壞作用。二是混凝土自收縮裂縫，在混凝土硬化階段，由于水泥水化時礦物組分與混凝土中水分結合，導致混凝土內部自由水分減少，從而產生毛細管張力造成體積收縮。三是塑性收縮裂縫，主要是水泥水化終凝前因水分蒸發速率過大而在混凝土表面產生的收縮裂縫;即混凝土失去塑性能力而強度較低時，無法抵抗體積收縮而產生塑性開裂。四是干縮裂縫，混凝土結構表面水分蒸發，產生毛細張力，變形較大;而內部水分濕度變化較小，對表面干縮形成約束，產生較大拉應力，從而產生裂縫。

（4）溫度：水泥水化產生大量水化熱或者拆模前后表面溫度變化大，加上混凝土不是熱的良導體，使混凝土結構內部溫度高，而表面散熱快，溫度低，形成混凝土內外溫度差。較大的溫差造成內外熱脹冷縮的程度不同，從而在混凝土表面產生拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面產生裂縫。其中水泥水化熱是引起溫度裂縫的主要原因。

（5）施工工藝：一是混凝土振搗不密實，或出現過振、漏振。二是養護不到位，出現溫度裂縫或收縮裂縫。三是張拉預應力時混凝土齡期偏小或未按設計要求進行張拉。四是波紋管定位不準確，在施工過程中出現偏位。

3 原因分析

在發現底板和腹板存在縱向裂縫后，對出現縱向裂縫的預應力預制箱梁進行了注水試驗，并對該跨進行靜載試驗。注水24 h后未發現裂縫有滲水現象，靜載試驗時裂縫未擴展。由此可知底板和腹板出現的縱向裂縫屬于表面縱向非結構裂縫，對預制箱梁的結構承載力影響不大。

由非結構裂縫產生的原因，結合該預應力預制箱梁施工技術情況及與該工程其他橋梁情況對比可知：底板與腹板產生縱向裂縫的原因可排除理論設計因素和原材料因素。通過施工過程分析可知底板與腹板產生縱向裂縫的主要原因有以下幾點：

（1）該批預應力預制箱梁的混凝土配合比中水泥用量偏多，水泥水化熱較大，造成混凝土內外溫度差較大，在混凝土表面產生拉應力。同時由于水泥漿體含量偏大，出現了較大的收縮變形。由于箱梁結構的內約束，包括波紋管對混凝土收縮的約束作用，導致出現較大的收縮應力，出現沿波紋管的縱向裂縫。從該批箱梁的混凝土施工配合料單上得到了驗證。

（2）預應力管道布置存在偏位。依據張勇[1]等在相關論文中的分析，板底縱向裂縫出現的原因主要是預應力管道偏位越大，預應力徑向力使箱梁底板產生的橫向拉應力越大，使得箱梁底板出現沿著預應力管道方向縱向裂縫的可能性越大。從施工現場了解到預應力管道定位確實存在偏差。

（3）由于該工程工期較緊，存在拆模或預應力張拉時混凝土齡期偏小的情況。

4 結論

通過上述分析可知，該橋中預應力預制箱梁底板和腹板出現沿預應力管道的縱向裂縫是表面縱向非結構裂縫。主要成因是水泥用量過多、預應力管道偏位或混凝土未達拆模、張拉齡期。從其裂縫寬度較小且靜載試驗后裂縫未擴展的情況來看，底板和腹板的縱向裂縫對該批預應力預制箱梁的承載力影響不大。對于該批箱梁出現的裂縫，因其寬度較小，可通過在裂縫外表涂抹環氧類封縫膠或張貼碳纖維布的方法，增強箱梁防水性及耐久性。同時應密切觀察營運后該橋梁裂縫的發展情況，保證橋梁的使用安全。

參考文獻：

[1]張勇，梁志廣，胡強，等.簡支小箱梁底板縱向裂縫原因分析[J].鐵道建設，2008（1）：31-33.

[2]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

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