淺析預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁裂縫成因及控制措施

于 偉，王正友

（無錫市政設(shè)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(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國橋梁事業(yè)的發(fā)展也十分迅速。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋由于具有結(jié)構(gòu)輕盈、抗彎、抗扭性能優(yōu)良等眾多優(yōu)點，在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，且得到了迅速發(fā)展，但由于設(shè)計和施工等各種原因，經(jīng)常出現(xiàn)不同性質(zhì)的裂縫，不但破壞了橋梁美觀，又影響了橋梁結(jié)構(gòu)的承載安全性與使用耐久性。通常情況下，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫主要分為頂?shù)装蹇v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(yù)防這些裂縫的出現(xiàn)，就必須認真分析出現(xiàn)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(jié)構(gòu)安全。

1 裂縫存在形式和成因

裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)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(jié)構(gòu)性裂縫或受力裂縫，表示結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在嚴重問題。橋梁設(shè)計時對設(shè)計計算工況進行全面考慮可以防止結(jié)構(gòu)性裂縫。另一類裂縫是由變形引起的，也稱非結(jié)構(gòu)性裂縫，指變形得不到滿足，在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力，當該自應(yīng)力超過混凝土允許應(yīng)力時，引起混凝土開裂。此類裂縫往往是因為經(jīng)驗缺乏等問題造成，如設(shè)計時構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁裂縫產(chǎn)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(shè)計階段，由于考慮不充分，計算簡化模式與實際受力狀態(tài)不相符，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)采用不當，結(jié)構(gòu)剛度不夠或鋼筋設(shè)置有誤。

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

（3）使用階段，超設(shè)計荷載的重型車輛通過，外力及自然災(zāi)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(nèi)外界發(fā)生溫度變化時混凝土會變形，當外界約束產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時即會產(chǎn)生裂縫。

（1）由于四季溫度的變化使橋梁在縱橋向產(chǎn)生位移，當位移受限時即會產(chǎn)生裂縫。

（2）當外界條件發(fā)生急劇變化時，結(jié)構(gòu)物表面溫度發(fā)生快速改變，而內(nèi)部變化較慢，由于內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生裂縫。

（3）冬季施工時溫度變化，內(nèi)外溫度變化不均引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

1.3 基礎(chǔ)變形引起的裂縫

（1）地基凍脹。由于基礎(chǔ)位于凍脹土層內(nèi)，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(xiàn)沉降。北方地區(qū)此類情況比較嚴重。

（2）地質(zhì)資料不準確或天然擴大基礎(chǔ)作用在差異很大的土層內(nèi)，由于地基土不均勻沉降而產(chǎn)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(chǔ)處理時引起地基土重新固結(jié)而使原有橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生較大沉降使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

（4）地質(zhì)勘查及試驗資料不準確，在這種情況下進行的設(shè)計、施工已不符合真實的地質(zhì)狀況，從而引起基礎(chǔ)不均勻沉降使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

1.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)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(fā)生銹蝕反應(yīng)，使混凝土保護層開裂、剝落，沿鋼筋縱向產(chǎn)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(jié)構(gòu)承載力下降，將引起更多裂縫，鋼筋銹蝕加劇，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

1.5 凍脹引起的裂縫

吸水達到飽和狀態(tài)的混凝土，當外界大氣溫度低于0℃時，混凝土內(nèi)呈游離狀態(tài)的水凍結(jié)為冰，由于水變?yōu)楸鶗r體積會膨脹，混凝土會產(chǎn)生應(yīng)力使混凝土的強度降低而出現(xiàn)裂縫。特別是當混凝土中含雜質(zhì)過多，空隙較大時更容易產(chǎn)生裂縫。

1.6 施工質(zhì)量引起的裂縫

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑、運輸過程中，由于未嚴格按照操作規(guī)程，造成施工質(zhì)量低劣會產(chǎn)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(fā)過多，使混凝土塌落度降低，使混凝土表面出現(xiàn)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(chǎn)生裂縫。

（3）由于新技術(shù)的不斷開發(fā)應(yīng)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(chǎn)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(shè)的橋梁已超過了設(shè)計年限或原來的設(shè)計荷載較低，隨著設(shè)計荷載和交通量的不斷增加相對于原設(shè)計的超載。

（2）車輛違規(guī)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(nèi)部損傷，改變了橋梁原有的工作狀態(tài)，無法保證其安全性。在超載作用下，橋梁可能發(fā)生開裂，由于橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部受損傷，可使結(jié)構(gòu)剛度下降，于是正常使用荷載作用下，原來不應(yīng)開裂的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或本來較小的裂縫加大成為超出規(guī)范容許的裂縫。

2 連續(xù)箱梁的主要裂縫形式成因分析

歸納現(xiàn)階段已建成的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，出現(xiàn)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(xù)箱梁橋，零號塊在拆模時腹板上半段會發(fā)現(xiàn)豎向裂縫，頂板發(fā)現(xiàn)與之對應(yīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的空間受力較復(fù)雜，而僅用現(xiàn)在的平面分析方法對預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理與實際情況偏差較大，預(yù)應(yīng)力無法均勻、有效地傳遞到底、腹板上，導(dǎo)致箱梁局部受小梁效應(yīng)而出現(xiàn)裂縫，并且按照常規(guī)理論無法分析裂縫原因。

（3）箱梁節(jié)段間施工接縫處腹板豎向裂縫。該豎向裂縫經(jīng)常處于兩施工節(jié)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(dǎo)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(xiàn)，多發(fā)生在跨徑1/4至端部范圍。主要是由于腹板內(nèi)主拉應(yīng)力超過混凝土極限拉應(yīng)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(qū)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(qū)，下緣受拉，通過在下緣張拉預(yù)應(yīng)力筋束產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消上述拉應(yīng)力，并使下緣保持必要的壓應(yīng)力儲備來防止開裂。當該壓應(yīng)力不足以抵消拉應(yīng)力時，箱梁下緣就會出現(xiàn)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(xiàn)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(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋或橫向預(yù)應(yīng)力筋未在板跨跨中下彎，導(dǎo)致頂板跨中截面產(chǎn)生正彎矩，引起混凝土開裂。底板縱向裂縫經(jīng)常是底板順縱向預(yù)應(yīng)力筋（管道位置）開裂，主要由于底板預(yù)應(yīng)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(xù)箱梁的合攏段頂、底板也會出現(xiàn)縱向裂縫，并且一般不向相鄰節(jié)段擴散。這種類型裂縫主要由合攏段混凝土與相鄰節(jié)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(shè)計中縱向呈曲線形，其縱向預(yù)應(yīng)力筋也呈曲線布設(shè)，當張拉預(yù)應(yīng)力筋時就會產(chǎn)生向下的徑向分力，如果底板未設(shè)置足夠數(shù)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(chǎn)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(dǎo)致局部應(yīng)力過大，則底板束應(yīng)盡可能靠近腹板。局部應(yīng)力過大的原因還有，預(yù)應(yīng)力傳遞需要一段時間，在剛張拉完4～6 h內(nèi)，壓力集中在局部而沒能擴散至整體截面承受而導(dǎo)致開裂現(xiàn)象發(fā)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(nèi)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(yù)應(yīng)力損失過大，從而產(chǎn)生更嚴重的破壞。

（11）齒板及其附近的裂縫。 根據(jù)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(xiàn)裂縫，甚至出現(xiàn)齒板尾部混凝土崩落。這是由于張拉預(yù)應(yīng)力筋束時，彎道內(nèi)筋束對混凝土產(chǎn)生徑向沖切力，預(yù)應(yīng)力筋束彎道結(jié)束段的混凝土太薄，鋼筋配置不足，導(dǎo)致混凝土沖切破壞。后者是在頂板或底板錨前出現(xiàn)順縱向預(yù)應(yīng)力筋束方向的裂縫，錨后出現(xiàn)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(yīng)力和剪切力的鋼筋。

從上述的裂縫分類可以看出，造成連續(xù)箱梁開裂的原因是多方面的，并且絕大部分箱梁出現(xiàn)裂縫都是由幾種應(yīng)力疊加引起的，因此在分析裂縫形成原因時，不僅要根據(jù)各種裂縫的特點分別研究構(gòu)件的受力、配筋是否合理，而且要根據(jù)實際情況綜合分析連續(xù)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(xù)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(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的裂縫可以從設(shè)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(shè)計中需要注意的問題

（1）邊跨與主跨的跨徑配置比例應(yīng)適當，連續(xù)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(jié)構(gòu)的整體剛度偏小，與中跨結(jié)構(gòu)的剛度比和內(nèi)力比不協(xié)調(diào)，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(xiàn)向上的拉力，同時連續(xù)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(yīng)力、剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力都會有良好的改善。

（3）通過計算分析，配置合理的預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋。連續(xù)箱梁的預(yù)應(yīng)力鋼束的配置與橋梁的結(jié)構(gòu)體系、受力情況、構(gòu)造型式以及施工方法等有著密切的關(guān)系。在布置時，應(yīng)盡量避免預(yù)應(yīng)力束筋"大而稀或小而密"，導(dǎo)致受力不均勻的情況發(fā)生；避免使用反向曲率的連續(xù)束，這樣會引起很大的摩阻損失，降低預(yù)應(yīng)力束筋的效益。

（4）鋼束應(yīng)盡量靠近腹板布置，從而可使預(yù)應(yīng)力以較短的傳力路線分布在全截面上，有利于降低預(yù)應(yīng)力傳遞過程中局部應(yīng)力的影響。在配置普通鋼筋時，由于箱梁的頂?shù)装迮c肋是共同受力的，受力主筋不宜過分集中在梁肋內(nèi)，設(shè)計時主筋的布置最好根據(jù)連續(xù)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(shè)計中大多能很好地控制預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁縱向正應(yīng)力及主拉應(yīng)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(yīng)力的驗算代替抗剪驗算。正常使用極限狀態(tài)在主拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求的情況下，抗剪截面尺寸不一定滿足規(guī)范要求，跨徑20～60 m的等截面連續(xù)箱梁中特別突出，容易出現(xiàn)腹板過薄或抗剪不夠而出現(xiàn)斜裂縫的現(xiàn)象。

（6）不可忽略齒板、防崩鋼筋等局部鋼筋的布置。在齒板設(shè)計時同一斷面錨固的預(yù)應(yīng)力鋼束噸位不能太大，錨固斷面底板應(yīng)有一定的壓應(yīng)力儲備，最好避免在拉應(yīng)力區(qū)中錨固預(yù)應(yīng)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(yīng)配置足夠的普通鋼筋，防止齒板發(fā)生沖切破壞。另外，為防止頂、底板劈裂破壞，應(yīng)按預(yù)應(yīng)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(yīng)力計算。在設(shè)計計算中，應(yīng)建立合理的計算模型，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和施工的實際環(huán)境考慮溫度、收縮徐變模型參數(shù)的選取和計算。

（8）結(jié)合實際施工情況考慮連續(xù)箱梁橋的設(shè)計。有些設(shè)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(dǎo)致骨架鋼筋內(nèi)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(jié)力以及箱梁的整體剛度。

（9）為防止底板開裂，設(shè)計時應(yīng)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(shè)箍筋，若底板箍筋施工不便可設(shè)計成鉤筋，可以提高上下層鋼筋骨架的整體性。

（10）全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)留有一定的最大壓應(yīng)力儲備，一般可保留2～3 MPa。

3.2 施工應(yīng)注意的問題

必須嚴格按照設(shè)計要求和施工技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，在具體施工中還應(yīng)注意幾個問題[7]。

（1）注意混凝土水化熱對施工的影響。應(yīng)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力降低。

（3）波紋管間距不能過小，應(yīng)滿足規(guī)范要求，施工中應(yīng)盡量按設(shè)計圖紙準確放置波紋管，放置張拉預(yù)應(yīng)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(zhì)量關(guān)，嚴禁偷工減料，嚴禁為趕施工進度而草率施工。

4 結(jié)語

通過以上的論述，我們對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋裂縫產(chǎn)生的原因及裂縫的控制措施兩個方面的內(nèi)容進行了較為詳細的分析和探討。混凝土連續(xù)箱梁的裂縫控制是一個系統(tǒng)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)中普遍存在的現(xiàn)象，但并不是所有的裂縫都會直接影響結(jié)構(gòu)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(jù)裂縫對結(jié)構(gòu)功能的影響予以防治及控制。

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