预应力混凝土箱梁常见病害分析及设计对策

2011-07-30乔晋飞

铁道建筑 2011年12期

乔晋飞

(铁道第三勘察设计院，天津 300142)

近年来许多预应力混凝土箱梁桥在运营过程中出现了较多的工程病害，严重影响了结构安全。病害主要表现在裂缝和挠度两个方面。引起裂缝的原因是多方面的，从桥梁制造环节看，有施工方面的因素，也有设计方面的因素。本文着重从设计角度研究裂缝，特别是腹板斜裂缝的成因和控制，提出预应力混凝土箱梁在设计计算及构造细节方面的技术措施。

1 裂缝分类及成因

按照裂缝产生的外因主要分为荷载裂缝、温度裂缝、收缩裂缝和钢筋锈蚀裂缝。荷载裂缝是指梁体在常规的动静载作用下，由于混凝土承受的拉应力过大而产生的。其特点是裂缝宽度大、长度长。温度裂缝是指由于温度的作用，使混凝土发生热胀冷缩的变形受到约束而产生的应力。大量研究显示，温度应力常常很大甚至超过活载产生的应力，足以造成混凝土开裂。收缩裂缝是由混凝土不均匀收缩引起的，是一种常见的裂缝。其特点是裂缝宽度较细，纵横交错，呈龟裂状，没有任何规律。钢筋锈蚀裂缝是由于混凝土质量差、保护层厚度不足或混凝土开裂等因素，使钢筋锈蚀，对周围混凝土产生膨胀力，导致混凝土保护层开裂剥落。

按照裂缝的力学特性主要分为弯曲裂缝、剪切裂缝、扭曲裂缝、断开裂缝和局部应力裂缝。弯曲裂缝是由于受弯矩作用产生的，一般是垂直裂缝。剪切裂缝又称为斜裂缝，发生在剪应力大的位置，主拉应力太大是引起此类裂缝的直接原因，所以裂缝与中性轴多呈25°～45°的夹角。扭曲裂缝是构件受扭转和弯曲共同作用产生的。断开裂缝，混凝土构件受拉时截面上产生的裂缝为断开裂缝。局部应力裂缝，是由于局部应力过大产生的，主要出现在应力集中的部位。

按照裂缝发生的部位主要分为顶底板裂缝、腹板裂缝和横隔梁裂缝。顶底板横向裂缝，反映了正截面抗裂能力不足。造成原因主要有:①纵向预应力损失过大，实际提供的有效预应力不足。有大量资料证明，实测的预应力效应明显低于设计分析期望值。②实际发生的收缩徐变变形超过理论预测。一方面增大了收缩徐变二次力，另一方面增加了因收缩徐变产生的预应力损失。收缩徐变值的大小受收缩徐变终极值及其应力历时影响，也就是说除了对收缩徐变终极值有较为真实的认识外，对构件的受力必须有准确的估计，所有的荷载都将影响收缩徐变的大小。③对剪力滞效应考虑不够，截面应力峰值超过平均值较多。

顶底板纵向裂缝，反应了顶板横向抗裂能力不足。造成原因主要有:①横向预应力损失过大，实际提供的有效预应力不足。②横向预应力位置偏差。由于顶板厚度较薄，既要布置横向预应力束，又要布置非预应力钢筋。实际施工中，横向预应力钢束的“偏心距”较难精确控制，一旦偏心距的实际偏差较大时，极易在顶板下缘出现纵向裂缝。③纵向预应力横向平弯径向力考虑不足。④顺桥向预应力过大。在正交向极易产生由泊松比而引起的横向拉应变，甚至沿波纹管的方向产生规则性的纵向裂缝。管内积水锈蚀钢束，此类裂缝的危害性很大。⑤施工过程中水化热产生的温度自应力引起的纵向裂缝。

腹板斜裂缝，反映了斜截面抗裂性能不足。腹板主拉应力是腹板开裂的主要衡量标准，其计算复杂，影响因素众多，常规的平面有限元分析软件很难准确计算，是导致腹板斜裂缝产生的主要原因。目前主拉应力的计算都是基于平面的，平面计算的主拉应力值必然小于空间计算的值。T形、I形梁的空间效应不太明显，采用平面计算是能够满足结构安全的。但对箱形梁来说，特别是腹板间距较大的宽箱，再用平面的概念解决问题势必产生过大的误差。

比较表1中各规范C50混凝土主拉应力限值，各规范之间差异很大，即使是同一系列的《公路规范》，在2004版和1985版之间差异达一倍以上。而我国铁路规范在两版之间是相同的，没有调整其限值。从规范的演变看出，公路建设在过去的十几年内出现的腹板斜裂缝存在普遍性和严重性。而铁路桥梁却没有出现大面积开裂的类似情况。反观其限值，铁路规范限值与公路1985版的规范大致相当，这其中的原因值得深思。与公路箱梁相比铁路箱梁一般不需要很宽的桥面，腹板之间的距离较小，横向效应对主应力计算影响相对较小。箱宽小的箱梁按照平面计算出来的主拉应力值相对可靠一些，这是铁路桥梁开裂现象没有公路桥梁广泛和严重的主要原因之一，其它原因这里不再详述。

横隔梁裂缝，主要是由于支座布置不合理及横隔梁计算模型中，外荷载考虑不周造成的。

表1 国内各种规范主拉应力限值(混凝土等级C50)

2 裂缝对挠度的影响

许多桥梁实例显示，梁体的下挠与裂缝开展的程度有密切的关系，下挠最快的时刻也正是裂缝大量开展和发生的时刻。梁体裂缝对挠度的影响主要表现在:①增加了几何变形、降低梁体的刚度，致使下挠不断增加;②开裂断面处所释放的能量一部分转移至该截面所配置的钢筋，另一部分转移至未开裂梁段，导致梁体内力重分布，使未开裂梁段的应力增大，促使新的裂缝产生;③交变荷载作用使得裂缝不断扩展，挠度不断增加。

3 设计对策

3.1 结构计算方面

3.1.1 准确模拟实际施工状态

计算中应模拟出实际结构可能出现的不利施工状态，例如对悬臂施工的桥梁，应该模拟出这种施工状态:该节段混凝土浇筑完毕，锚固于该节段的预应力钢筋尚未张拉，挂篮尚未前移，顶板混凝土无桥面铺装受日照正温差或日照反温差影响的情况。

3.1.2 荷载组合时应区分运营前后期

运营前期，此时收缩徐变尚未全部完成就与运营荷载组合。运营后期，此时收缩徐变均已全部完成再和运营荷载组合。有时是运营前期控制，以往习惯只计算运营后期，可能会造成漏算。

3.1.3 综合考虑主应力的空间效应

规范中对主应力的计算公式都是针对早期设计的I形梁、T形梁而言的，因为这两种梁式应用平面计算出来的主拉应力是可靠的，能够控制斜裂缝的开展。但是对于箱梁主应力计算并没有明确的公式。对于箱梁，特别是腹板间距较大的箱梁，横向框架效应对主拉应力的影响非常显著。荷载作用下，箱梁腹板内外侧竖向正应力σy不是均匀分布的。原来按照平面计算时σy还有一定压应力，在考虑横向效应后可能出现拉应力，这就导致腹板内外侧主拉应力有很大差异。考虑空间效应与平面计算的主拉应力，二者的差异主要与腹板之间的距离有关。其距离越大，差异也越明显，按照平面计算的值也就越不可靠。鉴于目前的计算手段，采用空间实体单元或板单元模型尚有困难。因此通常做法都是纵向计算采用平面杆系模型，横向计算则按平面框架考虑。实施的理念是:纵横分算，综合考虑。这里特别强调一下计算时必须综合考虑。

主应力计算时，除综合考虑横向框架效应的影响外，还必须重视温度自应力对主拉应力的影响。主应力计算公式中，主应力计算点处由荷载产生的沿纵向的正应力计算公式应为公式最后一项σs为沿截面温度变化的非线性梯度温度产生的自约束应力。此应力用截面内力是无法计算出来的，设计分析容易遗漏，以至于造成主应力计算值偏小。

斜腹板箱梁抗剪计算时，应采用腹板垂直厚度，而不应取腹板水平截线宽度。这点在以往的主应力计算中也经常被忽视。

3.1.4 预应力损失计算参数应取规范容许值的上限

有大量资料证明预应力的有效性实测值，明显低于设计分析的期望值。其中一个很重要的原因就是规范中预应力损失计算参数取值偏低。如管道偏差系数K，实测值经常比规范值大6倍左右。K值是反映管道线形平顺度的，与施工质量有很大关系，存在很大的变数。美国桥规中对K的取值比我国规范要大。鉴于以上原因，设计计算时预应力损失计算参数均应取规范值的上限。

3.1.5 考虑腹板箍筋双向受力

对于预应力混凝土箱梁，腹板箍筋既要参与纵向抗剪又要承受横向抗弯。设计中如果把箍筋100%进行纵向斜截面抗剪计算，强度满足要求，再把箍筋100%进行横向框架计算也满足要求。看似所有验算都通过了，实则不然。箍筋不能在参与一个方向受力的同时再100%地在另一个方向发挥作用。

3.1.6 重视横隔梁处的受力分析

以往预应力混凝土箱梁设计中往往重视纵向的平面计算和横向框架计算，对于横隔梁的分析计算重视程度不够。高而短的横隔梁，一般只有两个支座，且支座离腹板较近，横隔梁一般不控制设计。但对于矮而长的横隔梁，当支座距离腹板较远，或者个别腹板下面没对应设置支座时，需要特别注意。这时需要将横隔梁简化为工字梁来进行计算。简化模型的外荷载中不要把腹板传来的巨大集中剪力漏掉。

3.1.7 局部计算时需要考虑预应力径向力影响

横向计算以及锯齿块或预应力钢束弯曲处局部计算时，不能遗漏预应力钢筋弯曲产生的径向分力对计算结果的影响。

3.2 构造细节方面

3.2.1 合理确定箱室构造

前面提到由于箱梁的空间效应，平面计算的主拉应力往往低于箱梁腹板实际产生的主拉应力。且二者的差异主要与箱梁腹板之间的距离有关，箱梁腹板间距越大，按照平面计算的主拉应力值就越不可靠。建议预应力混凝土箱梁腹板间距不宜太大，当需要较宽的桥面时，可采用单箱多室的箱形截面。梗腋布置在顶底板与腹板连接的部位，起均匀过渡力线、增加横向刚度以抵抗扭转、畸变应力。形式上可分为竖承托和横承托。竖承托对腹板受力有利;横承托对顶底板受力有利。一般而论，受抗剪、主拉应力控制的宜设置竖承托;受纵横向抗弯控制的宜设置横承托。对于需要布置竖向预应力的箱梁，其梗腋高度不能太小，避免竖向预应力锚头空白区延伸至腹板，导致靠近翼板加腋处的腹板出现主拉应力裂缝。

3.2.2 优化钢束布置

预应力混凝土箱梁设计时不单要重视仿真计算，还必须进行合理的钢束布置。在许多设计图纸中，经常会看到钢束随意布置的现象。预应力钢束的布置应引起高度重视。

顶底板纵向预应力钢束锚固位置应尽量布置在靠近截面厚实部位附近，锯齿块应尽量与腹板连成一体或靠近腹板。让锚固力传至全截面的区段尽量短，同时有利于克服剪力滞效应。

悬臂施工的变高度箱梁，腹板束下弯锚固角度尽量大一些，分批下弯锚固的腹板束需有前后重叠部分，避免出现没有预剪力的空白区。在梁端需要配置向上弯起锚固的钢束。

纵向预应力钢束平弯时，必须妥善处理平弯与腹板箍筋位置重叠的问题，避免过分削弱腹板抗剪能力。预应力钢束弯曲处，会在弯曲平面内产生垂直预应力钢束的径向分力。在布置纵向预应力钢束时应尽量避免这个力对结构局部造成不利影响。

由于桥面板较薄，横向预应力一般采用扁波纹管。在实际工程中常用钢束根数为4束或5束。其锚圈口的损失，5束大于4束，且比圆锚时要大，其锚固效率系数也难保证达到95%。同时在穿束过程中也极易纠缠在一起，建议每管内不宜超过4束。扁波纹管的高度不宜太小，太小不利于饱满灌浆和可靠握裹。

竖向预应力钢筋应布置在腹板中心线上。经常会看到竖向预应力钢筋沿腹板布置在一条直线上，以利构造和施工。但是对于跨径较大的箱梁，腹板厚度一般会设计几个梯度进行变化，且均在腹板内侧加厚。因而上述这种构造，将会导致在腹板中存在一个预偏心而产生附加弯矩，使腹板内外侧竖向正应力σy不均匀分布，加剧腹板主拉应力裂缝的发生和发展。

3.2.3 支座布置

支座布置不合理及横隔梁计算模型中外荷载考虑不周是造成横隔梁裂缝的主要原因。支座应尽量靠近箱梁腹板布置。对于单箱双室的箱梁，横向应设置三个支座，分别对应三道腹板。

3.2.4 其它构造措施

顶底板纵向预应力钢束不应在受拉区同一断面上集中锚固，避免出现锚后局部受拉裂缝。与腹板连成一体的齿块，除在顶底板锚后设置抗裂钢筋外还应在腹板设置锚后抗裂钢筋。箱梁截面纵向普通钢筋应采用小直径的 HRB335钢筋，间距不宜超过10 cm，以利于防止混凝土表面收缩裂缝等非受力裂缝的产生。