连续刚构桥箱梁L/4截面腹板裂缝成因分析

肖光宏，张秋陵

(重庆交通大学，重庆400074)

1 工程概况

连续刚构桥梁在我国修建了很多，箱梁上腹板出现裂缝的报道也不少，但大多连续刚构桥梁箱梁的腹板裂缝都是出现在0号块上，因为0号块的高度大，剪力也大，竖向预应力施加不足或施工不合理就极其容易在箱梁腹板上出现斜裂缝［1－2］。笔者介绍的箱梁腹板裂缝出现在大约1/4跨的地方，此处剪力不是很大，一般不应该出现斜裂缝，但由于现浇块段出现较长时间停工以及温度的作用从而导致裂缝产生。该桥位于重庆市南岸区，桥梁纵向布置115.5m+210m+115.5m，横向布置1.5m+9m+1.5m。主梁为单箱单室截面，箱梁翼缘宽度12.5m，箱底宽6m。箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工，2个墩的箱梁各分为23对块件平衡悬臂浇筑，箱梁块件长度分别为:1～6号块段，3.5m;7～13号块段，4m;14～23号块段，5m。

2 裂缝概况

在准备竣工验收阶段，对大桥进行了全面检查，发现主梁跨中L/4区段梁腹出现裂缝，裂缝高度大约在箱梁高度1/2处，图1为裂缝照片［3］。

图1 裂缝照片Fig.1 Photo of crack

裂缝具体分布情况如下:在1号桥墩中跨的第10号节段的上下游腹板、2号桥墩中跨9号节段的上下游腹板以及2号桥墩边跨的9号节段的上下游腹板均出现裂缝，各块件裂缝均出现在腹板高度的中部接近重心的地方，距箱梁底板2.5～3.7m，裂缝向节段编号增大方向发展，其与水平线的夹角约为10°～20°，裂缝长度 1.2 ～1.7m，最大宽度 0.5 mm，且裂缝箱梁的上下游腹板均只有一条裂缝，裂缝都是从现浇节段的施工接缝开始向后浇节段发展，裂缝位置示意见图 2［4］。

图2 裂缝位置示意Fig.2 Location of crack

3 裂缝成因分析

3.1 裂缝特征与引起开裂的主要因素

3.1.1 裂缝特征

本桥箱梁裂缝有以下特点:①全桥4个悬臂中的3个悬臂的箱梁上下游腹板均开裂，表明裂缝具有普遍性;②裂缝均出现在2个节段交接面施工缝处;③裂缝都是从施工缝处开始，往后浇节段发展;④裂缝都出现在腹板重心处附近;⑤裂缝前部(靠近施工接缝)宽，后边细。其中②～④条特征表明裂缝具有规律性。

3.1.2 裂缝产生的原因分析

引起混凝土结构产生裂缝的原因有荷载引起和非荷载引起2种。非荷载原因一般有混凝土温度变化、混凝土收缩与徐变、施工质量等各种因素。裂缝的出现必然是混凝土的拉应力超过了混凝土的抗拉强度，而拉应力往往是由几种因素共同作用的叠加［5－6］。分析和寻找裂缝发生的原因就是要找出引起混凝土拉应力大于其抗拉强度的主要因素，以便今后采取有效措施防止裂缝的再次出现。

从本桥箱梁腹板裂缝的特征来看，裂缝都出现在腹板中部，都开始于施工接缝，规律性较强，这表明裂缝是系统因素引起的，而不会是由于偶然因素引起。

由于本桥箱梁裂缝发现是在通车之前，而且通车后继续观察未发现进一步发展，说明裂缝不是由于外荷载引起的，而是非荷载因素引起的。常见的非荷载因素有温度变化、混凝土收缩以及混凝土徐变。徐变不应该是本桥腹板裂缝的主要因素，因为产生徐变必须有力的作用才会发生，而开裂部位为梁高1/2处，接近重心，拉应力接近为0，因此不考虑徐变因素。可以认为温度变化和混凝土的收缩是产生裂缝的主要因素。

3.2 裂缝的产生

混凝土浇注后，其后浇注节段在施工缝处受到前一节段混凝土的约束，从而产生收缩约束拉应力和变形能;另一方面，后浇注节段混凝土在水化结硬时产生水化热，节段块体温相对较高，而先前浇注的节段已经结硬，混凝土梁体体温较低。两节段体温相差较大，二者温度将趋于一致，因而前一节段吸收的热量要大于后一节段吸收的热量，于是造成节段存在膨胀变形差，前一段膨胀大，而后一阶段膨胀小。因此，前一节段对后一节段会产生胀裂作用，这样胀裂作用使后一节段受拉，产生拉应变，且在升温季节与夏季不会消除。

随着时间的推移，收缩还在不断发生，收缩量总量也越来越大，由于前一节段龄期较大，收缩量逐渐变小，后一节段龄期小，收缩变形较大。所以前后节段的收缩量差也越来越大，在后一节段体内聚集的受拉变形能越来越大，产生的拉应力也越来越大，当拉应力超过腹板混凝土的抗拉强度时，腹板便出现裂缝。由拉应力分布图(图3)可知，在靠近交界面处拉应力最大，远离交界面处拉应力较小，因此，裂缝总是从交界面处开始向后浇节段延伸。

图3 块件收缩约束变形与应力分布Fig.3 Constraint shrinkage deformation and stress distribution of block pieces

3.3 裂缝的发展阶段

3.3.1 开裂初期阶段

腹板一旦开裂，开裂截面的应力得到释放，开裂截面混凝土不再承担拉力，变成为自由边，节段被分裂为上下两部分，自由边分别向上下两部分的中心收缩，使裂缝越来越宽。同时，开裂截面应力释放后，应力场发生根本改变，在开裂截面上由开裂前的应力均匀分布改变为开裂后应力向裂缝尖端集中，裂缝尖端拉应力过大导致裂缝迅速向裂缝尖端方向发展。

3.3.2 悬臂浇筑裂缝发展阶段

本桥在裂缝出现时，大桥仍处在悬臂浇筑施工阶段，箱梁还是一个悬臂梁，后浇节段的恒重会对裂缝处产生剪力，随着箱梁各后续节段不断施工，裂缝处的剪应力也不断增加，而截面重心处的拉应力则无明显变化，因此裂缝不是水平发展而是出现倾斜。另外，混凝土的收缩也仍在不断发生，它也是裂缝发展的主要因素，两个因素的共同作用使得裂缝延着后浇节段不断延伸和变宽。

3.3.3 箱梁合龙后及运营阶段

通过以上分析可知，裂缝的发生和发展是在大桥施工阶段完成的，但它是否会在使用荷载下的使用运营阶段进一步扩展，也值得关注［7－8］。

当箱梁合龙后，桥梁体系发生转换，由原来的悬臂静定结构转变成了连续刚构的超静定结构。为了分析全桥竣工通车后的应力状态，笔者利用大型有限元软件ANSYS建立大桥计算模型(图4)，对大桥主梁腹板应力进行计算分析。

图4 大桥有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation model of bridge

经计算，在运营阶段开裂截面处的应力列于表1。

运营阶段主要是箱梁底板束的集中力引起开裂面的剪应力使裂缝进一步开展。此阶段前期由于节段混凝土连续收缩以及底板束施加的预应力使裂缝进一步开展，后期随着节段龄期达到200 d以上，收缩基本稳定，裂缝随之稳定，不再开展。

4 结语

1)此大桥箱梁腹板出现的裂缝具有规律性，是有系统因素引起。

2)混凝土收缩是引起裂缝的主要原因。经查阅施工记录，在裂缝出现节段的前一节段与后一节段的施工由于资金原因停工了约40 d，造成前后节段收缩差大。块件混凝土收缩时，开裂节段受到前一节段的约束作用以及由该两个块件龄期差异导致的收缩量差的附加约束作用产生的拉应力。

3)温度变化也是引起裂缝的原因之一。前后两节段从大气中的吸热量差产生的前一块件对开裂块件的胀裂作用的拉应力。

4)收缩和温度变化综合因素导致裂缝发生。收缩约束拉应力各块件均存在，吸热量差拉应力仅出现在春季的快速升温时季，虽然由两种拉应力组合在一起使腹板开裂。

5)裂缝目前已经稳定没有进一步发展。

6)建议在箱梁悬臂浇注期间不可停工过长，以免前后两个浇注节段连面收缩差过大而产生裂缝。

［1］罗凤林，谢帮珠.预应力混凝土连续刚构的几个问题探讨［J］.中国公路，2004(20):131－133.

［2］田槐湘，周晋超.预应力砼连续箱梁腹板开裂研究［J］.公路与汽车，2010(7):189－192.

［3］王建民，肖光宏.连续刚构大桥箱梁裂缝调查分析报告［R］.贵阳:贵州桥梁公司，2008.

［4］肖光宏，潘峰.连续刚构大桥箱梁受力计算分析报告［R］.重庆:重庆钢力公司，2008.

［5］周履，陈永春.收缩、徐变［M］.北京:铁道出版社，1994.

［6］周志祥.高等钢筋混凝土结构［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［8］JTG D 62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.