淺析預應力混凝土連續箱梁裂縫成因及控制措施

于 偉，王正友

（無錫市政設計研究院有限公司,江蘇無錫 214072）

0 引言

21世紀以來，隨著我國國民經濟的飛速發展，我國橋梁事業的發展也十分迅速。預應力混凝土連續梁橋由于具有結構輕盈、抗彎、抗扭性能優良等眾多優點，在橋梁建設中得到廣泛應用，且得到了迅速發展，但由于設計和施工等各種原因，經常出現不同性質的裂縫，不但破壞了橋梁美觀，又影響了橋梁結構的承載安全性與使用耐久性。通常情況下，預應力混凝土連續箱梁橋裂縫主要分為頂底板縱向裂縫、彎曲裂縫、腹板斜裂縫、底板齒板裂縫以及橫隔板裂縫等幾大類，要想真正預防這些裂縫的出現，就必須認真分析出現裂縫的原因，并制定具有針對性的防治措施，從而保證橋梁工程的結構安全。

1 裂縫存在形式和成因

裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因。總的來說，裂縫大致可分為兩大類。一類是由外荷載引起的裂縫，也稱結構性裂縫或受力裂縫，表示結構承載力可能不足或存在嚴重問題。橋梁設計時對設計計算工況進行全面考慮可以防止結構性裂縫。另一類裂縫是由變形引起的，也稱非結構性裂縫，指變形得不到滿足，在構件內部產生自應力，當該自應力超過混凝土允許應力時，引起混凝土開裂。此類裂縫往往是因為經驗缺乏等問題造成，如設計時構造配筋不合理或者施工不當。在上述兩類裂縫中，變形裂縫約占80%[1,2]。預應力混凝土橋梁裂縫產生的原因，大致可細分為如下幾種。

1.1 荷載引起的裂縫

（1）設計階段，由于考慮不充分，計算簡化模式與實際受力狀態不相符，結構安全系數采用不當，結構剛度不夠或鋼筋設置有誤。

（2）施工階段，沒有按照設計圖紙施工，隨意變更結構施工順序，未對橋梁結構做施工時的強度驗算。

（3）使用階段，超設計荷載的重型車輛通過，外力及自然災害的影響。

1.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土亦具有熱脹冷縮的特性，內外界發生溫度變化時混凝土會變形，當外界約束產生的應力超過混凝土的抗拉強度時即會產生裂縫。

（1）由于四季溫度的變化使橋梁在縱橋向產生位移，當位移受限時即會產生裂縫。

（2）當外界條件發生急劇變化時，結構物表面溫度發生快速改變，而內部變化較慢，由于內外溫差較大而產生裂縫。

（3）冬季施工時溫度變化，內外溫度變化不均引起結構產生裂縫。

1.3 基礎變形引起的裂縫

（1）地基凍脹。由于基礎位于凍脹土層內，冬季含水率較高的土冰凍膨脹，溫度升高時凍土融化，地基出現沉降。北方地區此類情況比較嚴重。

（2）地質資料不準確或天然擴大基礎作用在差異很大的土層內，由于地基土不均勻沉降而產生裂縫。

（3）道路二期工程擴建時，在原橋梁較近處重新修建新橋，新建橋梁基礎處理時引起地基土重新固結而使原有橋梁基礎產生較大沉降使結構產生裂縫。

（4）地質勘查及試驗資料不準確，在這種情況下進行的設計、施工已不符合真實的地質狀況，從而引起基礎不均勻沉降使結構產生裂縫。

1.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質量不好或混凝土保護層過薄，二氧化碳的作用使鋼筋周圍的混凝土堿性降低引起鋼筋表面的氧化保護膜被破壞，氧氣、水、鋼筋中鐵離子發生銹蝕反應，使混凝土保護層開裂、剝落，沿鋼筋縱向產生裂縫。由于鋼筋銹蝕使鋼筋有效面積減少，鋼筋與混凝土的握裹力減弱，使結構承載力下降，將引起更多裂縫，鋼筋銹蝕加劇，從而導致結構破壞。

1.5 凍脹引起的裂縫

吸水達到飽和狀態的混凝土，當外界大氣溫度低于0℃時，混凝土內呈游離狀態的水凍結為冰，由于水變為冰時體積會膨脹，混凝土會產生應力使混凝土的強度降低而出現裂縫。特別是當混凝土中含雜質過多，空隙較大時更容易產生裂縫。

1.6 施工質量引起的裂縫

鋼筋混凝土結構在澆筑、運輸過程中，由于未嚴格按照操作規程，造成施工質量低劣會產生各種型式的裂縫。

（1）混凝土攪拌及運輸時間長，混凝土中水分蒸發過多，使混凝土塌落度降低，使混凝土表面出現裂縫。

（2）混凝土分段澆筑時，由于混凝土相接部位沒有處理好，新舊混凝土之間或施工縫處就會產生裂縫。

（3）由于新技術的不斷開發應用，混凝土施工時更多的采用泵送混凝土，此時為保證混凝土的運送，水及水泥的用量增加了，從而引起混凝土凝固時的收縮量增大而產生裂縫。

1.7 使用不當引起的裂縫

在使用上最主要的是由汽車超載造成的，汽車超載主要有以下幾種情況：

（1）早期建設的橋梁已超過了設計年限或原來的設計荷載較低，隨著設計荷載和交通量的不斷增加相對于原設計的超載。

（2）車輛違規超載，即車輛使用者違法超載運營。

超載可使橋梁疲勞幅度加大，造成橋梁內部損傷，改變了橋梁原有的工作狀態，無法保證其安全性。在超載作用下，橋梁可能發生開裂，由于橋梁結構內部受損傷，可使結構剛度下降，于是正常使用荷載作用下，原來不應開裂的結構產生裂縫或本來較小的裂縫加大成為超出規范容許的裂縫。

2 連續箱梁的主要裂縫形式成因分析

歸納現階段已建成的預應力混凝土連續箱梁，出現的裂縫形式和原因是多樣的，但主要有以下幾種[3,4]。

（1）零號塊的裂縫對于懸臂施工的連續箱梁橋，零號塊在拆模時腹板上半段會發現豎向裂縫，頂板發現與之對應的水平縫，甚至有的零號塊還在底板和橫隔板門洞附近出現裂縫。主要原因是由于零號塊體積大，一般分兩次或多次澆筑，相鄰層混凝土的收縮變形不一致，因而開裂。

（2）某些箱梁截面壁厚過小，但跨徑較大，這種薄壁結構的空間受力較復雜，而僅用現在的平面分析方法對預應力鋼筋的處理與實際情況偏差較大，預應力無法均勻、有效地傳遞到底、腹板上，導致箱梁局部受小梁效應而出現裂縫，并且按照常規理論無法分析裂縫原因。

（3）箱梁節段間施工接縫處腹板豎向裂縫。該豎向裂縫經常處于兩施工節段之間，開裂原因主要是由于懸臂澆筑移動支架的整體剛度不夠，澆筑過程中變形大，導致混凝土強度不夠裂開。

（4）箱梁腹板斜裂縫。該裂縫在主跨和邊跨都會出現，多發生在跨徑1/4至端部范圍。主要是由于腹板內主拉應力超過混凝土極限拉應力造成的。

（5）箱梁跨中腹板豎向裂縫和與其相連的底板水平裂縫跨中區域腹板下方豎向開裂，底板水平開裂，二者相連形成“L”形裂縫。一般來說，在恒載、活載諸因素作用下中跨跨中為正彎矩區，下緣受拉，通過在下緣張拉預應力筋束產生的壓應力來抵消上述拉應力，并使下緣保持必要的壓應力儲備來防止開裂。當該壓應力不足以抵消拉應力時，箱梁下緣就會出現這種裂縫。

（6）箱梁頂板和底板縱向裂縫。頂板縱向裂縫主要出現在頂板跨中或跨中至加腋終點下方。這些裂縫一般是由于頂板未設橫向預應力筋或橫向預應力筋未在板跨跨中下彎，導致頂板跨中截面產生正彎矩，引起混凝土開裂。底板縱向裂縫經常是底板順縱向預應力筋（管道位置）開裂，主要由于底板預應力筋束管道下方實際尺寸偏小或底板橫向鋼筋配置偏少偏小造成的。在懸臂施工時，連續箱梁的合攏段頂、底板也會出現縱向裂縫，并且一般不向相鄰節段擴散。這種類型裂縫主要由合攏段混凝土與相鄰節段混凝土之間的收縮差和水化熱降溫等因素引起。

（7）箱梁底板保護層劈裂破壞。這種裂縫破壞是因為箱梁底板一般在設計中縱向呈曲線形，其縱向預應力筋也呈曲線布設，當張拉預應力筋時就會產生向下的徑向分力，如果底板未設置足夠數量抵抗此徑向分力的防崩鋼筋或混凝土保護層厚度不夠，便會產生劈裂破壞。

（8）底板較薄。如果底板布束過多過密，且都集中于底板中部，會導致局部應力過大，則底板束應盡可能靠近腹板。局部應力過大的原因還有，預應力傳遞需要一段時間，在剛張拉完4～6 h內，壓力集中在局部而沒能擴散至整體截面承受而導致開裂現象發生。

（9）由于底板挖空后有效截面小，抗彎剛度較小，底板在橫向更易彎曲變形，使底板混凝土上表面首先開裂。

（10）錨下混凝土開裂這種情況一般是錨墊板周圍混凝土開裂，錨墊板內凹，主要是由于混凝土強度不夠或錨下配置局部加強鋼筋不夠造成的。它會引起預應力損失過大，從而產生更嚴重的破壞。

（11）齒板及其附近的裂縫。 根據裂縫的位置又有齒板尾部裂縫和齒板前、后的裂縫兩種情況。前者主要是齒板尾部及與之相連的頂板底板出現裂縫，甚至出現齒板尾部混凝土崩落。這是由于張拉預應力筋束時，彎道內筋束對混凝土產生徑向沖切力，預應力筋束彎道結束段的混凝土太薄，鋼筋配置不足，導致混凝土沖切破壞。后者是在頂板或底板錨前出現順縱向預應力筋束方向的裂縫，錨后出現水平向或斜向裂縫。主要是由于齒板未緊貼腹板，錨前和錨后未配置足以抵抗局部拉應力和剪切力的鋼筋。

從上述的裂縫分類可以看出，造成連續箱梁開裂的原因是多方面的，并且絕大部分箱梁出現裂縫都是由幾種應力疊加引起的，因此在分析裂縫形成原因時，不僅要根據各種裂縫的特點分別研究構件的受力、配筋是否合理，而且要根據實際情況綜合分析連續箱梁橋的整體受力，判斷其是否有多種因素造成混凝土開裂。

通過對連續箱梁橋主要裂縫種類和成因的認識，筆者認為如何減少和防止預應力混凝土箱梁橋的裂縫可以從設計和施工兩個方面進行嚴格控制[5,6]。

3 減少和防止開裂的措施

3.1 在設計中需要注意的問題

（1）邊跨與主跨的跨徑配置比例應適當，連續梁受力才合理。若比例過大，邊跨支架施工梁段長度偏長，相對于中跨，邊跨結構的整體剛度偏小，與中跨結構的剛度比和內力比不協調，邊跨受力不利；若邊跨與主跨跨徑之比過小，則邊跨支點可能會出現向上的拉力，同時連續梁各跨的剛度會有較大的差異。

（2）適當增加腹板厚度，截面的正應力、剪應力和主拉應力都會有良好的改善。

（3）通過計算分析，配置合理的預應力鋼束和普通鋼筋。連續箱梁的預應力鋼束的配置與橋梁的結構體系、受力情況、構造型式以及施工方法等有著密切的關系。在布置時，應盡量避免預應力束筋"大而稀或小而密"，導致受力不均勻的情況發生；避免使用反向曲率的連續束，這樣會引起很大的摩阻損失，降低預應力束筋的效益。

（4）鋼束應盡量靠近腹板布置，從而可使預應力以較短的傳力路線分布在全截面上，有利于降低預應力傳遞過程中局部應力的影響。在配置普通鋼筋時，由于箱梁的頂底板與肋是共同受力的，受力主筋不宜過分集中在梁肋內，設計時主筋的布置最好根據連續箱梁的肋、板剛度比與其剛度變化情況來考慮。

（5）注意腹板的抗剪驗算和配筋。在通常設計中大多能很好地控制預應力連續箱梁縱向正應力及主拉應力，但往往忽視抗剪極限強度驗算及抗剪截面尺寸驗算，用主拉應力的驗算代替抗剪驗算。正常使用極限狀態在主拉應力滿足規范要求的情況下，抗剪截面尺寸不一定滿足規范要求，跨徑20～60 m的等截面連續箱梁中特別突出，容易出現腹板過薄或抗剪不夠而出現斜裂縫的現象。

（6）不可忽略齒板、防崩鋼筋等局部鋼筋的布置。在齒板設計時同一斷面錨固的預應力鋼束噸位不能太大，錨固斷面底板應有一定的壓應力儲備，最好避免在拉應力區中錨固預應力鋼束，錨固斷面最好能跨過箱梁斷面接縫處等受力薄弱處，還應配置足夠的普通鋼筋，防止齒板發生沖切破壞。另外，為防止頂、底板劈裂破壞，應按預應力筋的線型配置足夠多的防崩鋼筋，并保證混凝土保護層厚度。

（7）重視溫度、收縮徐變等因素引起的應力計算。在設計計算中，應建立合理的計算模型，根據現有規范和施工的實際環境考慮溫度、收縮徐變模型參數的選取和計算。

（8）結合實際施工情況考慮連續箱梁橋的設計。有些設計者只考慮理論計算可以通過，而未考慮施工是否能夠做得到。比如有些鋼筋布置過密，導致骨架鋼筋內的混凝土難以振實，混凝土強度不均勻，從而影響鋼筋與混凝土的粘結力以及箱梁的整體剛度。

（9）為防止底板開裂，設計時應在底板配置抵抗徑向力的箍筋，箍筋能將底板上下兩層鋼筋連成整體共同受力，這能有效改善混凝土局部受力。需選取合適的底板厚度，底板不宜過薄。底板縱向鋼筋不宜過弱。在波紋管的附近可適當加密布設箍筋，若底板箍筋施工不便可設計成鉤筋，可以提高上下層鋼筋骨架的整體性。

（10）全預應力構件設計時應留有一定的最大壓應力儲備，一般可保留2～3 MPa。

3.2 施工應注意的問題

必須嚴格按照設計要求和施工技術規范執行，在具體施工中還應注意幾個問題[7]。

（1）注意混凝土水化熱對施工的影響。應盡量改善骨料級配，摻加活性劑，外加劑，減少水泥用量，以降低混凝土的水化熱溫度；同時，采用措施降低混凝土的澆筑溫度。

（2）安排合理的施工方法和順序。如果方法和工序不對就會造成箱梁某些局部受力不均，引起施工裂縫而導致結構的承載能力降低。

（3）波紋管間距不能過小，應滿足規范要求，施工中應盡量按設計圖紙準確放置波紋管，放置張拉預應力時波紋管上下浮動與混凝土脫離。

（4）把好各道工序施工質量關，嚴禁偷工減料，嚴禁為趕施工進度而草率施工。

4 結語

通過以上的論述，我們對預應力混凝土連續箱梁橋裂縫產生的原因及裂縫的控制措施兩個方面的內容進行了較為詳細的分析和探討。混凝土連續箱梁的裂縫控制是一個系統工程,影響因素眾多,且有許多不確定因素，同時裂縫是既有預應力混凝土連續箱梁橋結構中普遍存在的現象，但并不是所有的裂縫都會直接影響結構安全。因此，要對橋梁混凝土裂縫的成因進行認真研究，并根據裂縫對結構功能的影響予以防治及控制。

[1]范立礎.預應力混凝土連續梁橋[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]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.

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[4]張建軍.預應力混凝土連續箱梁橋腹板裂縫分析研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[5]彭衛.預應力混凝土連續箱梁橋裂縫分析與防治[J].公路交通技術，2007(6):66-70.

[6]袁銅森.預應力混凝土連續箱梁橋裂縫成因分析與維修加固[D].長沙：湖南大學，2006.

[7]耿會勇.預應力連續箱梁施工過程中腹板斜向裂縫產生原因及防治[J].橋梁，2011(4):24-27.