預應力混凝土箱梁常見病害分析及設計對策

喬晉飛

(鐵道第三勘察設計院，天津 300142)

近年來許多預應力混凝土箱梁橋在運營過程中出現了較多的工程病害，嚴重影響了結構安全。病害主要表現在裂縫和撓度兩個方面。引起裂縫的原因是多方面的，從橋梁制造環節看，有施工方面的因素，也有設計方面的因素。本文著重從設計角度研究裂縫，特別是腹板斜裂縫的成因和控制，提出預應力混凝土箱梁在設計計算及構造細節方面的技術措施。

1 裂縫分類及成因

按照裂縫產生的外因主要分為荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫和鋼筋銹蝕裂縫。荷載裂縫是指梁體在常規的動靜載作用下，由于混凝土承受的拉應力過大而產生的。其特點是裂縫寬度大、長度長。溫度裂縫是指由于溫度的作用，使混凝土發生熱脹冷縮的變形受到約束而產生的應力。大量研究顯示，溫度應力常常很大甚至超過活載產生的應力，足以造成混凝土開裂。收縮裂縫是由混凝土不均勻收縮引起的，是一種常見的裂縫。其特點是裂縫寬度較細，縱橫交錯，呈龜裂狀，沒有任何規律。鋼筋銹蝕裂縫是由于混凝土質量差、保護層厚度不足或混凝土開裂等因素，使鋼筋銹蝕，對周圍混凝土產生膨脹力，導致混凝土保護層開裂剝落。

按照裂縫的力學特性主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭曲裂縫、斷開裂縫和局部應力裂縫。彎曲裂縫是由于受彎矩作用產生的，一般是垂直裂縫。剪切裂縫又稱為斜裂縫，發生在剪應力大的位置，主拉應力太大是引起此類裂縫的直接原因，所以裂縫與中性軸多呈25°～45°的夾角。扭曲裂縫是構件受扭轉和彎曲共同作用產生的。斷開裂縫，混凝土構件受拉時截面上產生的裂縫為斷開裂縫。局部應力裂縫，是由于局部應力過大產生的，主要出現在應力集中的部位。

按照裂縫發生的部位主要分為頂底板裂縫、腹板裂縫和橫隔梁裂縫。頂底板橫向裂縫，反映了正截面抗裂能力不足。造成原因主要有:①縱向預應力損失過大，實際提供的有效預應力不足。有大量資料證明，實測的預應力效應明顯低于設計分析期望值。②實際發生的收縮徐變變形超過理論預測。一方面增大了收縮徐變二次力，另一方面增加了因收縮徐變產生的預應力損失。收縮徐變值的大小受收縮徐變終極值及其應力歷時影響，也就是說除了對收縮徐變終極值有較為真實的認識外，對構件的受力必須有準確的估計，所有的荷載都將影響收縮徐變的大小。③對剪力滯效應考慮不夠，截面應力峰值超過平均值較多。

頂底板縱向裂縫，反應了頂板橫向抗裂能力不足。造成原因主要有:①橫向預應力損失過大，實際提供的有效預應力不足。②橫向預應力位置偏差。由于頂板厚度較薄，既要布置橫向預應力束，又要布置非預應力鋼筋。實際施工中，橫向預應力鋼束的“偏心距”較難精確控制，一旦偏心距的實際偏差較大時，極易在頂板下緣出現縱向裂縫。③縱向預應力橫向平彎徑向力考慮不足。④順橋向預應力過大。在正交向極易產生由泊松比而引起的橫向拉應變，甚至沿波紋管的方向產生規則性的縱向裂縫。管內積水銹蝕鋼束，此類裂縫的危害性很大。⑤施工過程中水化熱產生的溫度自應力引起的縱向裂縫。

腹板斜裂縫，反映了斜截面抗裂性能不足。腹板主拉應力是腹板開裂的主要衡量標準，其計算復雜，影響因素眾多，常規的平面有限元分析軟件很難準確計算，是導致腹板斜裂縫產生的主要原因。目前主拉應力的計算都是基于平面的，平面計算的主拉應力值必然小于空間計算的值。T形、I形梁的空間效應不太明顯，采用平面計算是能夠滿足結構安全的。但對箱形梁來說，特別是腹板間距較大的寬箱，再用平面的概念解決問題勢必產生過大的誤差。

比較表1中各規范C50混凝土主拉應力限值，各規范之間差異很大，即使是同一系列的《公路規范》，在2004版和1985版之間差異達一倍以上。而我國鐵路規范在兩版之間是相同的，沒有調整其限值。從規范的演變看出，公路建設在過去的十幾年內出現的腹板斜裂縫存在普遍性和嚴重性。而鐵路橋梁卻沒有出現大面積開裂的類似情況。反觀其限值，鐵路規范限值與公路1985版的規范大致相當，這其中的原因值得深思。與公路箱梁相比鐵路箱梁一般不需要很寬的橋面，腹板之間的距離較小，橫向效應對主應力計算影響相對較小。箱寬小的箱梁按照平面計算出來的主拉應力值相對可靠一些，這是鐵路橋梁開裂現象沒有公路橋梁廣泛和嚴重的主要原因之一，其它原因這里不再詳述。

橫隔梁裂縫，主要是由于支座布置不合理及橫隔梁計算模型中，外荷載考慮不周造成的。

表1 國內各種規范主拉應力限值(混凝土等級C50)

2 裂縫對撓度的影響

許多橋梁實例顯示，梁體的下撓與裂縫開展的程度有密切的關系，下撓最快的時刻也正是裂縫大量開展和發生的時刻。梁體裂縫對撓度的影響主要表現在:①增加了幾何變形、降低梁體的剛度，致使下撓不斷增加;②開裂斷面處所釋放的能量一部分轉移至該截面所配置的鋼筋，另一部分轉移至未開裂梁段，導致梁體內力重分布，使未開裂梁段的應力增大，促使新的裂縫產生;③交變荷載作用使得裂縫不斷擴展，撓度不斷增加。

3 設計對策

3.1 結構計算方面

3.1.1 準確模擬實際施工狀態

計算中應模擬出實際結構可能出現的不利施工狀態，例如對懸臂施工的橋梁，應該模擬出這種施工狀態:該節段混凝土澆筑完畢，錨固于該節段的預應力鋼筋尚未張拉，掛籃尚未前移，頂板混凝土無橋面鋪裝受日照正溫差或日照反溫差影響的情況。

3.1.2 荷載組合時應區分運營前后期

運營前期，此時收縮徐變尚未全部完成就與運營荷載組合。運營后期，此時收縮徐變均已全部完成再和運營荷載組合。有時是運營前期控制，以往習慣只計算運營后期，可能會造成漏算。

3.1.3 綜合考慮主應力的空間效應

規范中對主應力的計算公式都是針對早期設計的I形梁、T形梁而言的，因為這兩種梁式應用平面計算出來的主拉應力是可靠的，能夠控制斜裂縫的開展。但是對于箱梁主應力計算并沒有明確的公式。對于箱梁，特別是腹板間距較大的箱梁，橫向框架效應對主拉應力的影響非常顯著。荷載作用下，箱梁腹板內外側豎向正應力σy不是均勻分布的。原來按照平面計算時σy還有一定壓應力，在考慮橫向效應后可能出現拉應力，這就導致腹板內外側主拉應力有很大差異。考慮空間效應與平面計算的主拉應力，二者的差異主要與腹板之間的距離有關。其距離越大，差異也越明顯，按照平面計算的值也就越不可靠。鑒于目前的計算手段，采用空間實體單元或板單元模型尚有困難。因此通常做法都是縱向計算采用平面桿系模型，橫向計算則按平面框架考慮。實施的理念是:縱橫分算，綜合考慮。這里特別強調一下計算時必須綜合考慮。

主應力計算時，除綜合考慮橫向框架效應的影響外，還必須重視溫度自應力對主拉應力的影響。主應力計算公式中，主應力計算點處由荷載產生的沿縱向的正應力計算公式應為公式最后一項σs為沿截面溫度變化的非線性梯度溫度產生的自約束應力。此應力用截面內力是無法計算出來的，設計分析容易遺漏，以至于造成主應力計算值偏小。

斜腹板箱梁抗剪計算時，應采用腹板垂直厚度，而不應取腹板水平截線寬度。這點在以往的主應力計算中也經常被忽視。

3.1.4 預應力損失計算參數應取規范容許值的上限

有大量資料證明預應力的有效性實測值，明顯低于設計分析的期望值。其中一個很重要的原因就是規范中預應力損失計算參數取值偏低。如管道偏差系數K，實測值經常比規范值大6倍左右。K值是反映管道線形平順度的，與施工質量有很大關系，存在很大的變數。美國橋規中對K的取值比我國規范要大。鑒于以上原因，設計計算時預應力損失計算參數均應取規范值的上限。

3.1.5 考慮腹板箍筋雙向受力

對于預應力混凝土箱梁，腹板箍筋既要參與縱向抗剪又要承受橫向抗彎。設計中如果把箍筋100%進行縱向斜截面抗剪計算，強度滿足要求，再把箍筋100%進行橫向框架計算也滿足要求。看似所有驗算都通過了，實則不然。箍筋不能在參與一個方向受力的同時再100%地在另一個方向發揮作用。

3.1.6 重視橫隔梁處的受力分析

以往預應力混凝土箱梁設計中往往重視縱向的平面計算和橫向框架計算，對于橫隔梁的分析計算重視程度不夠。高而短的橫隔梁，一般只有兩個支座，且支座離腹板較近，橫隔梁一般不控制設計。但對于矮而長的橫隔梁，當支座距離腹板較遠，或者個別腹板下面沒對應設置支座時，需要特別注意。這時需要將橫隔梁簡化為工字梁來進行計算。簡化模型的外荷載中不要把腹板傳來的巨大集中剪力漏掉。

3.1.7 局部計算時需要考慮預應力徑向力影響

橫向計算以及鋸齒塊或預應力鋼束彎曲處局部計算時，不能遺漏預應力鋼筋彎曲產生的徑向分力對計算結果的影響。

3.2 構造細節方面

3.2.1 合理確定箱室構造

前面提到由于箱梁的空間效應，平面計算的主拉應力往往低于箱梁腹板實際產生的主拉應力。且二者的差異主要與箱梁腹板之間的距離有關，箱梁腹板間距越大，按照平面計算的主拉應力值就越不可靠。建議預應力混凝土箱梁腹板間距不宜太大，當需要較寬的橋面時，可采用單箱多室的箱形截面。梗腋布置在頂底板與腹板連接的部位，起均勻過渡力線、增加橫向剛度以抵抗扭轉、畸變應力。形式上可分為豎承托和橫承托。豎承托對腹板受力有利;橫承托對頂底板受力有利。一般而論，受抗剪、主拉應力控制的宜設置豎承托;受縱橫向抗彎控制的宜設置橫承托。對于需要布置豎向預應力的箱梁，其梗腋高度不能太小，避免豎向預應力錨頭空白區延伸至腹板，導致靠近翼板加腋處的腹板出現主拉應力裂縫。

3.2.2 優化鋼束布置

預應力混凝土箱梁設計時不單要重視仿真計算，還必須進行合理的鋼束布置。在許多設計圖紙中，經常會看到鋼束隨意布置的現象。預應力鋼束的布置應引起高度重視。

頂底板縱向預應力鋼束錨固位置應盡量布置在靠近截面厚實部位附近，鋸齒塊應盡量與腹板連成一體或靠近腹板。讓錨固力傳至全截面的區段盡量短，同時有利于克服剪力滯效應。

懸臂施工的變高度箱梁，腹板束下彎錨固角度盡量大一些，分批下彎錨固的腹板束需有前后重疊部分，避免出現沒有預剪力的空白區。在梁端需要配置向上彎起錨固的鋼束。

縱向預應力鋼束平彎時，必須妥善處理平彎與腹板箍筋位置重疊的問題，避免過分削弱腹板抗剪能力。預應力鋼束彎曲處，會在彎曲平面內產生垂直預應力鋼束的徑向分力。在布置縱向預應力鋼束時應盡量避免這個力對結構局部造成不利影響。

由于橋面板較薄，橫向預應力一般采用扁波紋管。在實際工程中常用鋼束根數為4束或5束。其錨圈口的損失，5束大于4束，且比圓錨時要大，其錨固效率系數也難保證達到95%。同時在穿束過程中也極易糾纏在一起，建議每管內不宜超過4束。扁波紋管的高度不宜太小，太小不利于飽滿灌漿和可靠握裹。

豎向預應力鋼筋應布置在腹板中心線上。經常會看到豎向預應力鋼筋沿腹板布置在一條直線上，以利構造和施工。但是對于跨徑較大的箱梁，腹板厚度一般會設計幾個梯度進行變化，且均在腹板內側加厚。因而上述這種構造，將會導致在腹板中存在一個預偏心而產生附加彎矩，使腹板內外側豎向正應力σy不均勻分布，加劇腹板主拉應力裂縫的發生和發展。

3.2.3 支座布置

支座布置不合理及橫隔梁計算模型中外荷載考慮不周是造成橫隔梁裂縫的主要原因。支座應盡量靠近箱梁腹板布置。對于單箱雙室的箱梁，橫向應設置三個支座，分別對應三道腹板。

3.2.4 其它構造措施

頂底板縱向預應力鋼束不應在受拉區同一斷面上集中錨固，避免出現錨后局部受拉裂縫。與腹板連成一體的齒塊，除在頂底板錨后設置抗裂鋼筋外還應在腹板設置錨后抗裂鋼筋。箱梁截面縱向普通鋼筋應采用小直徑的 HRB335鋼筋，間距不宜超過10 cm，以利于防止混凝土表面收縮裂縫等非受力裂縫的產生。

4 結論

經以上分析研究，提出以下主要結論:

1)設計時應全面考慮各種因素，按照結構實際狀態以偏安全的原則編制計算簡圖，進行準確建模仿真計算，不遺漏可能的控制工況。

2)保證預應力的有效性對于防止各種裂縫非常關鍵。設計計算時應選擇準確的預應力損失計算參數，并適當增加預壓應力安全儲備。

3)重視預應力混凝土箱梁的整體構造及細節處理，采用橫向受力較好的截面形式，盡量減小“空間效應”影響。

4)各種預應力鋼束，需要綜合分析，合理布置。保證預應力荷載傳遞勻順，盡量避免應力集中。

［1］劉山洪，錢永久．大跨預應力混凝土箱梁橋腹板裂縫的控制研究［J］．重慶交通學院學報，2005(4):19-22．

［2］中國交通部公路規劃設計院．預應力混凝土梁橋裂縫成因分析研究綜合報告［R］．北京:中國交通部公路規劃設計院，1998.

［3］周國祥，張曉東．預應力箱梁外側腹板張拉槽口裂縫分析及預防措施［J］．鐵道建筑，2002(6):17-20.

［4］長安大學．預應力混凝土連續彎箱梁橋的預應力孔道摩擦損失參數研究報告［R］．西安:長安大學，2000.

［5］朱漢華，陳孟沖，袁迎捷．預應力混凝土連續箱梁橋裂縫分析與防治［M］．北京:人民交通出版社，2006．

［6］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］．北京:中國鐵道出

版社，2005.

［7］中華人民共和國鐵道部．TB 10002.3—1999 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，1999．

［8］中華人民共和國交通部．JTG D62—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．

［9］中華人民共和國交通部．JTJ 023—85 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，1985．

［10］黃棠，王效通．結構設計原理(上)［M］．北京:中國鐵道出版社，1989．

［11］李國平．預應力混凝土結構設計原理［M］．北京:人民交通出版社，2002.

［12］張樹仁，黃僑，鮑衛剛．鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁結構設計原理［M］．北京:人民交通出版社，2004.

［13］鐵道部大橋工程局橋梁科學研究院．茅嶺江大橋工地簡支梁徐變試驗報告［R］．武漢:鐵道部大橋工程局橋梁科學研究院，1987.