预应力砼箱梁裂缝成因分析

预应力砼箱梁裂缝成因分析

王海涛

中交二航局第四工程有限公司安徽省芜湖市241000

摘要：预应力砼箱梁由于具有结构轻盈、抗弯、抗扭性能优良等众多优点，在桥梁建设中得到了广泛的应用。本文探讨了预应力砼箱梁裂缝产生的成因及防治措施。

关键词：预应力砼箱梁；裂缝成因；防治措施

随着公路建设的迅猛发展，大跨径预应力砼连续箱梁桥由于其良好的受力性能和维修简便的特点而得到广泛的应用。同时，由于诸多原因，工程实际中的此类桥梁经常出现各种不同性质的裂缝，破坏了桥梁美观，影响了桥梁结构的承载安全性与使用耐久性。

一、裂缝产生的原因分析

1、腹板斜裂缝通常发生在支点至1/4跨之间，通常是因剪应力过大和张拉应力超过砼抗拉强度所致。造成这种情况的因素有设计计算、设计构造配筋施工工艺等。对预应力混凝土薄壁箱梁结构，造成腹板斜裂缝的主要原因是预应力损失，因预应力损失量估计不足或在实际张拉过程中操作不当引起预应力损失量增加等，致使预应力筋的有效预应力不能满足设计要求，导致腹板因主拉应力超过混凝土抗拉强度的允许值而开裂，当荷载进一步增大时，裂缝会逐渐向受拉区发展，开裂严重时缝隙可能沿腹板贯通。

2、梁底纵向裂缝的原因有如下几方面：1）箱梁内、外温差会导致箱梁纵向裂缝；2）在施工过程中，若砼强度未达到张拉条件的情况下进行构件张拉，很容易引起横向拉伸应变超过混凝土的实际极限拉伸应变，从而产生纵向裂缝；3）若底板出现错台而导致预应力束出现折角，则由于预应力束产生的径向力在折角处较为集中，这使底板容易产生纵向裂缝；4）箱梁横向刚度不足，横向挠度过大，在箱梁底板容易产生纵向裂缝；5）对合龙段，因对横向变形的控制不够重视，段内砼横向收缩比纵向大，新旧梁段的收缩差易产生纵向裂缝；6）在施工过程中，波纹管的偏差和顶、底板保护层厚度不够等也会产生纵向裂缝。

3、支撑处顶板或跨中底板横向裂缝产生的原因：1）预应力设计不合理，梁在收缩徐变和钢束松弛的影响下，预应力损失过大，致使腹板主拉应力过大。因纵向预应力损失的存在，部分预应力损失超过设计计算值，造成截面抗弯承载力严重下降，弯矩最大截面的混凝土抗拉区超过混凝土抗拉强度的应力，从而造成翼缘板或底板横向裂缝；2）预应力砼箱梁骨架钢筋多，施工较为困难，骨架钢筋安装位置，箍筋的制作和安装等很难满足设计要求，尤其是横梁处钢筋密度较大，制作和安装更难以满足设计要求，而且施工人员在施工中出现失误，这对今后箱梁产生裂缝埋下隐患，可能导致横向裂缝的形成；3）箱梁混凝土浇筑前没有按设计要求进行支架预压，在混凝土浇筑过程中，支架随着混凝土浇筑量的增加而发生不均匀沉降，导致箱梁梁体在张拉前在其自身梁体结构的自重下开裂；4）纵向预应力钢束张拉，张拉应力未达到设计张拉应力值，在拆除支架后，梁体出现横向裂缝。

4、箱梁底板崩裂。一般情况下，底板预应力引起的径向力大于箍筋所能承受的最大作用力，致使底板砼崩裂。而径向力的产生是在使用变高度预应力混凝土箱梁时，底板在竖向平面上有一定的曲率，预应力钢束必须根据曲率布置，一定曲率的钢束在张拉后，必然会产生一个向下的径向分力，这个力通常称为径向力。当径向力作用时，会受到两腹板之间底板横向弯曲的抵抗，当径向力大于底板阻力时，底板就可能产生崩裂现象。一般情况下，设计单位在设计变高度预应力混凝土箱梁时，通常会考虑使这个径向力小于箍筋所能承受的荷载。但在实际施工过程中，会因各种因素使梁底实际线形与理论线形产生一定的偏差。因预应力钢束是沿底板行走，底板的偏离必然会导致预应力钢束的偏离，从而导致径向力存在较大偏差。

二、预应力砼箱梁裂缝防治措施

1、对预应力混凝土连续箱梁桥，应考虑支座开裂后的内力重分布，正确计算跨中及支座处的弯矩，根据弯矩合理配置纵向预应力钢筋，防止顶底板弯曲开裂。

2、对支座附近的腹板，应保守考虑竖向预应力钢筋弹性压缩损失，合理配置竖向预应力钢筋，加上构造钢筋和纵向预应力钢筋在支座处的弯起段一起抵抗主拉应力，避免腹板斜向开裂。

3、对箱梁畸变和横向弯曲产生的附加应力，可以通过加厚顶底板，加密横隔板或采用布置横向预应力钢筋来抵抗，以免造成纵向开裂。对垂直平面处具有一定曲率的变高度预应力混凝土连续箱梁的底板，可以通过布置横向预应力钢筋，或加厚底板截面尺寸来抵抗纵向预应力钢筋的曲率引起的向下径向荷载，避免顶、底板纵向开裂。大跨度预应力混凝土连续箱梁桥压应力储备不应大于2MPa，避免因压应力储备过大造成顶、底板纵向开裂。

4、对底板保护层混凝土劈裂裂缝，设计时应参考规范要求，保证混凝土保护层的厚度。变高度预应力混凝土连续箱梁的底板，在垂直平面处具有一定的曲率，若底板的混凝土保护层过薄，应根据径向分布荷载设置平衡箍筋，将这部分力通过平衡箍筋传递于上层钢筋，使全底板共同参与受力，防止底板保护层混凝土劈裂。

5、设计预应力钢筋砼箱梁（特别是大跨度、薄壁结构）时，借助有限元分析软件进行全面细致的空间分析，以此全面了解桥梁的受力情况，合理配置钢筋，确保预应力钢筋砼箱梁拉应力和剪应力主要由钢筋承担。另外，在结构设计时，应严格遵守规范对裂缝宽度的要求，并考虑混凝土与周围环境的关系，注重普通钢筋对控制裂缝的影响，纵向预应力钢筋对裂缝的作用，以及结构与载荷状态之间的关系，这些都对裂缝控制有较大的影响，应给予重视。同时，针对变高度预应力连续梁立面设计时，截面应尽量采用相对平缓的曲线，尽量避免使用大吨位预应力筋束，以减小径向力，防患于未然，同时应合理设置底板箍筋，进而起到“防崩”作用。

6、采取对砼保温，防止砼水分蒸发措施，研究制定专门的砼箱梁桥梁的施工规范，防止砼箱梁桥早期开裂，推广高性能砼技术，降低水泥用量，防止砼箱梁早期开裂。全面加强砼质量控制，确保砼质量稳定，从而满足钢筋砼箱梁抗拉性能要求。

7、加强对钢筋制作与安装的质量管理，使钢筋制作与安装符合设计要求，提升施工人员队伍素质，严格执行施工规范，按设计施工控制指标对整个施工过程进行严格控制，全面加强预应力钢筋砼箱梁施工质量管理，进而确保施工质量。

另外，在混凝土配合比设计时，设计人员应综合考虑各种因素对混凝土裂缝的影响，正确合理地设计混凝土配合比，减少水泥用量，降低水灰比，从而达到降低混凝土体积收缩。尽量避免使用碱性骨料，由于碱骨料出现在混凝土内部时，会引起其发生膨胀，导致出现裂缝现象。同时，在浇筑混凝土时，应分层对称进行浇筑，振捣及时并到位，合理控制浇注间隔时间，预防前后混凝土凝结时间存在较大差异，导致混凝土收缩变形不一致，致使混凝土裂缝的产生。

8、在工期允许的情况下，拆架时间尽量延迟，拆架的顺序一定要注意。拆架时一定要先翼板后底板，并必须从跨中对称往两边拆。当跨度大于20m时，支架拆除宜分两阶段进行，先从跨中对称往两端松一次架，再对称从跨中往两端拆，而且在整个拆架过程中，必须有技术人员跟班指挥与检查；多跨连续箱梁应同时从跨中对称拆架，如单跨拆架，需进行施工应力验算。

三、结语

混凝土裂缝是一个较为复杂的问题，它涉及到混凝土的材料性质、施工和环境、结构和构造等因素，多种因素相互影响。当前，我国大跨度预应力混凝土连续箱梁桥大多按全预应力结构设计，即理论上要求结构不需要拉应力。然而，在已建桥梁中，已发现一些桥梁产生裂缝，并且裂缝产生的性质和特征不同，因此研究其裂缝成因具有重要的意义。

参考文献

[1]何海.变高度预应力混凝土箱梁桥底板纵向裂缝成因分析及防治[J].中南公路工程，2015.

[2]毛怀谋.预应力混凝土连续箱梁裂缝成因分析[J].交通科技，2015.

[3]雷文军.预应力混凝土的裂缝控制[J].昆明理工大学学报，2016.