服役连续刚构桥腹板开裂分析与控制

厉晓燕

(中铁大桥局第七工程公司，湖北武汉 430050)

0 引言

连续刚构桥是一种应用较为广泛的结构，具有很多优点[1]。但是，已有调查发现相当一部分此类桥在运营一段时间之后其箱梁腹板会开裂[2，3]，这给桥梁的继续服役带来一定的不利影响，需对其引起重视。

国内的一些研究学者已开始对腹板开裂进行研究。刘山洪等[4]从设计、施工方面对如何控制腹板裂缝进行了探讨，给出了在建的连续刚构桥纵向筋的部分预应力测试结果。王勇[5]以体外预应力在一座连续刚构桥加固中的应用为例，分析了裂缝情况和病害原因，提出体外预应力加固方法，对箱梁结构的竖向位移和混凝土应力进行了计算。刘小燕等[6]采用空间有限元建模方法对腹板应力进行分析。崔琨[7]以一座三跨连续箱梁为背景，采用平面框架模型和空间板壳模型研究了裂缝的成因及加固方法。文献[8]～文献[10]根据实例中开裂问题提出了一些预防措施。

本文在已有研究的基础上，从设计、施工、材料及温度等方面分析了连续刚构桥腹板开裂的原因，并提出了一些防治的建议。

1 裂缝产生原因

混凝土是一种混合材料，由水、水泥、砂石及其他外加材料组成，弹性模量较高，但是抗拉强度较低。由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题，硬化成型的混凝土中存在着相当多的孔隙和微裂缝，在温差、荷载等作用下，微裂缝会慢慢地扩展甚至会相互连通，久而久之，就会形成人们肉眼可见的宏观裂缝。

1.1 材料引起的裂缝

在实际的服役桥梁中，因混凝土收缩所引起的裂缝特别常见。水灰比、坍落度过大或使用过量粉砂等，将致使混凝土产生裂缝，而采用含泥量较大的粉砂配制的混凝土收缩性大。塑性收缩发生在混凝土浇筑后5 h～6 h，此时水泥水化反应较大，逐渐出现泌水和水分蒸发现象，混凝土骨料因自重而下沉，若受到钢筋的阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀，将发生表面的顺腹板方向裂缝。泵送混凝土为了能够满足流动性好、坍落度大的泵送条件，容易产生局部粗骨料少、砂浆多的现象，此时混凝土脱水干缩就会产生表面裂缝。

1.2 施工造成的裂缝

我国已经建造了数座震惊中外的特大跨桥梁，如虎门大桥、黄石长江大桥等，取得了显著的成果，但总体说来，施工质量水平不高，尚未达到精细化施工，管理制度欠完善，如常出现预应力波纹管的定位与设计有较大偏差，改变了预应力束的偏心矩，使其难以建立足够的预应力;另外，预应力孔道灌浆时，常发生孔道中水泥浆未充满、有空隙的现象。

在混凝土拌和时未对各种成分做精确计量，粗细骨料质量控制不严格，含泥量过高等。预应力混凝土刚构桥腹板钢筋骨架多、间距小，造成内部混凝土难以振实，导致混凝土强度可能没有达到设计标号。施工过程中还存在拆模早，竖向接缝处混凝土的密实度差，凿毛的深度和力度不够等，这会降低主梁的整体刚度。另外，过早施加施工荷载、超载也是导致混凝土开裂的原因。

1.3 分析计算

桥梁结构自重引起的上部结构内力是一定的，预应力的大小可以导致不同的内力分布，能改变上部结构内力分布。以往的桥梁设计中，设计人员一直忽视了上部结构弹性内力分布对桥梁运营时效弹性下挠的影响。目前连续刚构桥的分析计算多采用平面杆系程序。该类分析软件能够分析由预应力、收缩徐变及温度引起的结构纵向弯曲变形时结构的受力，然而，对于复杂的空间结构，剪力滞效是会发生变化的，在整体分析计算时，平面杆系程序很难精确模拟这种变化，使得计算结果与实际受力情况存在一定偏差。

设计理论、假设状态与箱梁实际受力状态不一致是普遍存在的问题[11]，由此导致的应力把握不准，同样会造成箱梁发生开裂。

1.4 温度裂缝

当混凝土的边界受到约束时，由温度应变所引起的裂缝几乎是不可避免的。温度应变包括水化热引起的早期温度应变和季节降温引起的长期温度应变，前者可以用下式来表示[12]:

其中，α为混凝土线膨胀系数;ΔT为温差。

温度梯度同样会引起结构产生裂缝。既有的混凝土桥梁由于自然环境温度及太阳光的照射，桥面温度迅速变化，而结构内部仍处于原来的状况，这就形成较大的温度梯度。大体积混凝土浇筑后水化放热也有这类问题。温度作用下，应力应变会增加由温度导致的应变项，可用下式来表示[13]:

1.5 预应力损失

加到混凝土构件上的初始预应力，由于种种原因会随时间的增长而发生预应力损失。在先张构件中，预应力损失的原因有:混凝土的弹性压缩、收缩、徐变以及预应力钢筋的松弛;在后张构件中，还有摩阻力和锚具造成的损失。弹性压缩、摩阻力和锚具损失是瞬时性的，而钢筋松弛损失、混凝土收缩和徐变则是随着时间变化的。

桥梁运营时间越长，预应力钢束的松弛效应越明显。施工中的纵向预应力钢筋多用低松弛钢绞线，结合规范中规定的张拉前、张拉中的操作工艺等减少预应力损失。但在大跨度梁预应力施工中，一般规范规定往往与具体情况难以较好吻合。较大的应力松弛也降低了腹板的有效预加力，这也是箱梁腹板开裂的主要原因[14]。

1.6 运营管理方面

由于运营管理的不到位，致使桥梁上车辆超载、超限的现象非常普遍，交通量过大和超载等原因而使中跨梁体产生下挠，箱梁腹板出现大量斜裂缝。

2 裂缝的防治

2.1 设计方面

无论是斜裂缝还是垂直裂缝，都会使主梁刚度降低，挠度加大，从而进一步引起梁体开裂，二者相互影响。高跨比是影响主梁受力的主要参数，适当的增大梁高，可以加大主梁刚度，使主梁应力状态有明显改善[9]，如2008年通车的贵遵高速公路乌江大桥，腹板没有产生斜裂缝。另外，鉴于连续刚构桥1/4跨截面剪应力较大，可优化梁底线形，适当减小抛物线次数，以增加该处截面高度，这对于避免斜裂缝的出现十分有利。

连续刚构桥在预应力和竖向荷载的共同作用下，可视为一种偏心受压结构，因而结构的徐变可以分解为轴向徐变和弯曲徐变，如果结构各截面沿梁高方向的应力梯度均为零，则结构中只有轴向应力和轴向徐变，而轴向徐变的不利影响很小;弯曲徐变是由沿截面高度的应力梯度引起的，可以通过增加顶板负弯矩预应力筋和增加中支点区域底板厚度的方法来解决。

文献[15]结合湖北龙潭河特大桥，通过对比布置下弯钢束和不布置下弯钢束两种情况，发现前者能够减小截面剪力及主拉应力，可有效预防腹板开裂。从虎门大桥辅航道桥起，连续刚构桥的预应力布束方案发生了很大变化[16]，采用大吨位预应力束，以纵向预应力和竖向预应力的合理配置控制主拉应力，取消弯起索和下弯束，采用平、竖弯相结合的空间曲线，纵向预应力索应尽量靠近腹板布置。

2.2 材料和施工方面

应严格控制水灰比，尽量减少混凝土的单位用水量，在必要时可掺加高效减水剂和优质粉煤灰，以减少收缩，提高混凝土的和易性、耐久性。骨料应进行定性检验，防止采用碱活性骨料;掺合料要合理，避免为追求某一方面的性能而过量采用，且不应选用带氯离子的掺合料。

控制施工裂缝的产生还有以下措施:

1)确保钢筋绑扎和模板质量，安装支撑系统并确保支撑位置正确。

2)混凝土浇筑时，考虑天气因素，振捣棒要快插慢拔。

3)对拌制的混凝土原材料严格计量，使配合比符合标准要求，拌好的混凝土停滞时间不要超过4 h。

4)严格控制施工临时荷载、构件的堆放。

2.3 温度方面

为减轻温度应力的影响，可从温度的控制方面着手。改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加入引气剂等措施，可用低水化热的普通硅酸盐水泥掺15%的一级粉煤灰，尽量减少水泥用量。进行合理养护，采取保温措施，控制混凝土温降速度，以减小由于温度梯度而出现的温度应力。

混凝土拆模时间应考虑气候、环境等条件，应有利于强度的正常增长，并防止混凝土开裂，故规定拆模时混凝土的温度差要满足式(3)[17]:

式中各参数的含义见文献[17]。

除此之外，运营管理部门还要对超载、超限现象进行严格管制，并对桥梁进行定期检测或健康监测，以保证桥梁的良好使用。

3 开裂的处理

裂缝的存在会造成结构刚度降低，加速钢筋锈蚀，致使结构内力重分布，进而造成裂缝进一步扩展，影响桥梁的耐久性。所以，一定要结合裂缝的特点、性质及桥梁自身情况，进而采取不同的处理措施，保证结构能继续安全服役。

对腹板裂缝采用混凝土粘着剂、裂缝灌注剂进行修复。混凝土粘着剂用于裂缝表面的密封，防止水及酸碱气体进入裂缝内部。裂缝灌注剂用于粘结开裂混凝土面，使开裂混凝土重新成为整体[18]。具体施工工艺如下:打磨→清除杂物→混凝土粘着剂堵缝→硬化后低压持续注射灌入裂缝灌注剂。对于那些已经严重损坏的裂缝，应该对该部位的混凝土进行置换，工程中比较常用的置换材料有普通混凝土、聚合物混凝土、改性聚合物混凝土。

由于裂缝对原混凝土及结构已造成一定损伤，腹板裂缝修补完毕后，应用碳纤维布对腹板进行补强:沿裂缝方向粘贴一条300 mm宽碳纤维布条，并在裂缝两端均向外延伸500 mm，然后沿垂直于裂缝方向粘贴300 mm×1 000 mm，间距300 mm的碳纤维布条，以抵抗主拉应力。

4 结语

连续刚构桥是一种极有生命力的桥梁结构形式，随着桥梁施工技术水平的提高，对混凝土收缩、徐变、温度变化、预应力作用、墩台不均匀沉降等因素所引起的附加内力的研究日益深入，大跨度预应力混凝土连续刚构桥已成为目前大跨桥梁主要采用的结构体系之一。而裂缝的出现不仅影响结构的整体性和刚度，还会引起钢筋的锈蚀、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲劳性。因此，提前采取必要措施对预防混凝土裂缝十分重要。

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