浅谈预应力混凝土连续箱梁裂缝成因与预防

2011-08-15张龙刚

黑龙江交通科技 2011年5期

张龙刚，康仲，田罡

(1.河北承德承朝高速公路管理处;2.北京泰克华诚技术信息咨询有限公司)

1 引言

连续箱梁桥由于其桥面行车舒适、受力合理、用材节约、造型美观、养护工程量小、抗震能力强等优点，在高速公路和城市道路高架桥得到了广泛的应用。但其结构受力和施工工艺复杂，设计及施工质量较难控制等原因造成部分桥梁刚施工完毕或投入运营不久就出现较多裂缝，严重影响了桥梁的正常使用。

2 裂缝产生成因分析

2.1 常见裂缝类别

(1)结构裂缝:温度收缩裂缝、钢筋保护层过小产生的裂缝等。

(2)受力裂缝:纵向弯曲裂缝、弯曲剪应力裂缝、力筋未能覆盖而截面又未经验核处的裂缝、支撑处箱梁横隔板和腹板中的裂缝、锚下裂缝、桥面铺装层裂缝、翼悬板贯通裂缝、底板裂缝等。

2.2 裂缝成因分析

2.2.1 设计因素

(1)设计模式的选用

①T形梁承受荷载时，实际受力情况与假设相近。箱梁则不然，承受荷载时，肋与肋之间由于箱梁顶底板的作用，力的传递变化很大，顶板、底板、肋板承受的荷载不仅有弯矩、剪力、还有扭矩。

②T形梁结构简单，每一单梁均设一支座，横向荷载影响小。而连续箱梁前后跨的荷载对箱梁顶板、底板、肋板的受力状态既有纵向影响又有横向影响;由于剪力滞效应，在弯曲荷载作用下，腹板附近翼板中的实际应力比初等梁理论应力大。

(2)设计的理想化

设计考虑理论计算，而未考虑施工过程中的受力状况。如:钢筋间距小施工骨料通不过、骨架钢筋过密使制作、安装达不到设计要求、振捣影响、钢筋束突破材料安全系数等影响。

2.2.2 施工因素

(1)对设计图纸的理解不够

施工人员对结构受力理解不够，对受力钢筋、重要构造钢筋不重视、自行调整钢绞线位置、张拉顺序不注意，导致结构受力受影响，从而出现裂缝。

(2)施工工序的控制不严

施工人员忽视预应力钢束定位钢筋、拆除支架顺序不合理、支架地基强度不够、支架强度差、预压重量不够、混凝土配合比、材料质量控制不严、通气孔未打开导致积水等。

2.2.3 管理因素

只注意前期的施工质量控制，忽视了后期的养护和管理、过早开放交通，使桥面铺装产生顺桥向45°裂缝。

2.2.4 结构变形因素

温度变化、混凝土的收缩、不均匀沉降等因素产生裂缝。

桥面板集中吸收阳光的辐射，与温度较低的底板形成温度梯度差。一般情况下，上下翼缘的等效温差可达10～15℃。

对目前普遍采用的大跨度、变高度箱梁，随着梁高变化幅度的增大及箱梁长度和支撑处约束的增加，温度梯度应力会有较大的增长。有关分析表明，温度应力的数值可能大于活载应力，这一点已经越来越引起工程设计人员的重视。

混凝土的收缩、不均匀沉降等因素也是使连续箱梁产生裂缝的重要原因。

3 连续箱梁裂缝产生机理分析

3.1 连续箱梁腹板裂缝的产生

设计时大多能很好的控制预应力连续箱梁纵向正应力及主拉应力，但往往忽视抗剪极限强度验算及抗剪截面尺寸验算，用主拉应力的验算代替抗剪验算。正常使用极限状态在主拉应力满足规范要求的情况下，抗剪截面尺寸不一定满足规范要求，跨径20～60m的等截面连续箱梁中特别突出，容易出现腹板斜裂缝。

3.2 斜裂缝的产生

设计人员对斜截面剪压破坏分析不够准确，我国公路桥规规定斜截面剪压破坏临界位置为距支座中心h/2(梁高一半)处，而这一规定与美国桥规AASHTO(1997)规定剪切应力临界断面在L/4处有所不同，可能出现剪压破坏。

3.3 锚固区裂缝的产生

大跨径箱梁由于设计齿板而造成中支点附近范围内下缘压应力储备较小或是拉应力区，在与锚后局部拉应力的组合下(齿板前面的板处于受压状态，但齿板后面为受拉状态)，容易引起底板开裂并向腹板开展。

3.4 预应力通过区裂缝的产生机理

钢束在平面或纵面上曲线布置时，纵向预应力筋束在张拉过程中会产生对腹板或底板混凝土的径向压力，当钢束曲率的作用力与箱梁恒载应力相叠加，相应的弯曲应力可能比单独的恒载产生的应力大3～4倍，同时可能还存在钢束线形的偏位而使受力更加不利，严重时集中力可导致腹板混凝土局部剥落或崩裂。

4 减少与防止连续箱梁裂缝的措施

4.1 设计中要注意的问题

(1)合理确定截面尺寸

等厚度腹板的连续箱梁满足主拉应力和斜截面抗剪强度的要求，而忽视抗剪截面尺寸验算。实际上，抗剪钢筋的配筋率达到一定得程度后(达到超筋时)，再增加钢筋，梁的抗剪能力不会继续增加，破坏时箍筋的应力也达不到屈服强度。这时，应加大截面尺寸或提高混凝土标号，而不能用增加钢筋来提高梁的抗剪。

(2)锚固截面的处理

同一断面上截断的预应力钢束不宜太多;避免在拉应力区中锚固预应力钢束;锚固断面最好能跨过箱梁断面接缝处(施工缝);顶底板锚固之间水平方向距离应在有较多重叠的基础上错开距离。

(3)防崩的处理和钢筋设置

设计时应采取:尽量加厚箱梁底板厚度;钢束平面布置时尽可能的靠腹板布置;箱梁底板配置足够的横向钢筋及防崩钢筋;施工中严格控制合拢高差;

防崩箍筋可按下式估算:钢束曲率传递给混凝土凡人径向荷载对圆曲线为F/R，如为折角则为Fθ。A=Fθ/[σg](σg为钢筋的容许应力)。

(4)合理布置束型

设计时，连续梁的预应力钢束的配置对不同跨径的梁桥结构，要选用合理的预应力束筋布置型式，尽量避免预应力束筋“大而稀或小而密”导致受力不均匀的情况发生;尽量避免使用反向曲率的连续束，注意钢束的平、竖弯曲线的配合及钢束之间的空间位置;小边跨梁端一定范围内可现浇为实体;负弯矩较大时，可配置一定量的顶板束;不宜采用较长的连续通长束。

(5)合理布置钢筋

箱梁受力主筋不宜过分集中在梁肋内，设计时主筋的布置应根据连续箱梁的肋、板刚度比与其刚度变化情况来考虑;翼板上宜增设纵向受力钢筋。选择连续箱梁的截面形式时，应注意翼板的悬臂长度不宜过大。

(6)加大连续箱梁横向刚度

连续梁桥的横向刚度也应当充分重视，仅在宽度较小的尺寸范围内配置多层普通钢筋，根本无法使钢筋充分发挥作用，应加大横梁尺寸或将横梁设计成预应力结构。