浅析预应力混凝土连续箱梁裂缝成因及控制措施

于 伟，王正友

（无锡市政设计研究院有限公司,江苏无锡 214072）

0 引言

21世纪以来，随着我国国民经济的飞速发展，我国桥梁事业的发展也十分迅速。预应力混凝土连续梁桥由于具有结构轻盈、抗弯、抗扭性能优良等众多优点，在桥梁建设中得到广泛应用，且得到了迅速发展，但由于设计和施工等各种原因，经常出现不同性质的裂缝，不但破坏了桥梁美观，又影响了桥梁结构的承载安全性与使用耐久性。通常情况下，预应力混凝土连续箱梁桥裂缝主要分为顶底板纵向裂缝、弯曲裂缝、腹板斜裂缝、底板齿板裂缝以及横隔板裂缝等几大类，要想真正预防这些裂缝的出现，就必须认真分析出现裂缝的原因，并制定具有针对性的防治措施，从而保证桥梁工程的结构安全。

1 裂缝存在形式和成因

裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。总的来说，裂缝大致可分为两大类。一类是由外荷载引起的裂缝，也称结构性裂缝或受力裂缝，表示结构承载力可能不足或存在严重问题。桥梁设计时对设计计算工况进行全面考虑可以防止结构性裂缝。另一类裂缝是由变形引起的，也称非结构性裂缝，指变形得不到满足，在构件内部产生自应力，当该自应力超过混凝土允许应力时，引起混凝土开裂。此类裂缝往往是因为经验缺乏等问题造成，如设计时构造配筋不合理或者施工不当。在上述两类裂缝中，变形裂缝约占80%[1,2]。预应力混凝土桥梁裂缝产生的原因，大致可细分为如下几种。

1.1 荷载引起的裂缝

（1）设计阶段，由于考虑不充分，计算简化模式与实际受力状态不相符，结构安全系数采用不当，结构刚度不够或钢筋设置有误。

（2）施工阶段，没有按照设计图纸施工，随意变更结构施工顺序，未对桥梁结构做施工时的强度验算。

（3）使用阶段，超设计荷载的重型车辆通过，外力及自然灾害的影响。

1.2 温度变化引起的裂缝

混凝土亦具有热胀冷缩的特性，内外界发生温度变化时混凝土会变形，当外界约束产生的应力超过混凝土的抗拉强度时即会产生裂缝。

（1）由于四季温度的变化使桥梁在纵桥向产生位移，当位移受限时即会产生裂缝。

（2）当外界条件发生急剧变化时，结构物表面温度发生快速改变，而内部变化较慢，由于内外温差较大而产生裂缝。

（3）冬季施工时温度变化，内外温度变化不均引起结构产生裂缝。

1.3 基础变形引起的裂缝

（1）地基冻胀。由于基础位于冻胀土层内，冬季含水率较高的土冰冻膨胀，温度升高时冻土融化，地基出现沉降。北方地区此类情况比较严重。

（2）地质资料不准确或天然扩大基础作用在差异很大的土层内，由于地基土不均匀沉降而产生裂缝。

（3）道路二期工程扩建时，在原桥梁较近处重新修建新桥，新建桥梁基础处理时引起地基土重新固结而使原有桥梁基础产生较大沉降使结构产生裂缝。

（4）地质勘查及试验资料不准确，在这种情况下进行的设计、施工已不符合真实的地质状况，从而引起基础不均匀沉降使结构产生裂缝。

1.4 钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量不好或混凝土保护层过薄，二氧化碳的作用使钢筋周围的混凝土碱性降低引起钢筋表面的氧化保护膜被破坏，氧气、水、钢筋中铁离子发生锈蚀反应，使混凝土保护层开裂、剥落，沿钢筋纵向产生裂缝。由于钢筋锈蚀使钢筋有效面积减少，钢筋与混凝土的握裹力减弱，使结构承载力下降，将引起更多裂缝，钢筋锈蚀加剧，从而导致结构破坏。

1.5 冻胀引起的裂缝

吸水达到饱和状态的混凝土，当外界大气温度低于0℃时，混凝土内呈游离状态的水冻结为冰，由于水变为冰时体积会膨胀，混凝土会产生应力使混凝土的强度降低而出现裂缝。特别是当混凝土中含杂质过多，空隙较大时更容易产生裂缝。

1.6 施工质量引起的裂缝

钢筋混凝土结构在浇筑、运输过程中，由于未严格按照操作规程，造成施工质量低劣会产生各种型式的裂缝。

（1）混凝土搅拌及运输时间长，混凝土中水分蒸发过多，使混凝土塌落度降低，使混凝土表面出现裂缝。

（2）混凝土分段浇筑时，由于混凝土相接部位没有处理好，新旧混凝土之间或施工缝处就会产生裂缝。

（3）由于新技术的不断开发应用，混凝土施工时更多的采用泵送混凝土，此时为保证混凝土的运送，水及水泥的用量增加了，从而引起混凝土凝固时的收缩量增大而产生裂缝。

1.7 使用不当引起的裂缝

在使用上最主要的是由汽车超载造成的，汽车超载主要有以下几种情况：

（1）早期建设的桥梁已超过了设计年限或原来的设计荷载较低，随着设计荷载和交通量的不断增加相对于原设计的超载。

（2）车辆违规超载，即车辆使用者违法超载运营。

超载可使桥梁疲劳幅度加大，造成桥梁内部损伤，改变了桥梁原有的工作状态，无法保证其安全性。在超载作用下，桥梁可能发生开裂，由于桥梁结构内部受损伤，可使结构刚度下降，于是正常使用荷载作用下，原来不应开裂的结构产生裂缝或本来较小的裂缝加大成为超出规范容许的裂缝。

2 连续箱梁的主要裂缝形式成因分析

归纳现阶段已建成的预应力混凝土连续箱梁，出现的裂缝形式和原因是多样的，但主要有以下几种[3,4]。

（1）零号块的裂缝对于悬臂施工的连续箱梁桥，零号块在拆模时腹板上半段会发现竖向裂缝，顶板发现与之对应的水平缝，甚至有的零号块还在底板和横隔板门洞附近出现裂缝。主要原因是由于零号块体积大，一般分两次或多次浇筑，相邻层混凝土的收缩变形不一致，因而开裂。

（2）某些箱梁截面壁厚过小，但跨径较大，这种薄壁结构的空间受力较复杂，而仅用现在的平面分析方法对预应力钢筋的处理与实际情况偏差较大，预应力无法均匀、有效地传递到底、腹板上，导致箱梁局部受小梁效应而出现裂缝，并且按照常规理论无法分析裂缝原因。

（3）箱梁节段间施工接缝处腹板竖向裂缝。该竖向裂缝经常处于两施工节段之间，开裂原因主要是由于悬臂浇筑移动支架的整体刚度不够，浇筑过程中变形大，导致混凝土强度不够裂开。

（4）箱梁腹板斜裂缝。该裂缝在主跨和边跨都会出现，多发生在跨径1/4至端部范围。主要是由于腹板内主拉应力超过混凝土极限拉应力造成的。

（5）箱梁跨中腹板竖向裂缝和与其相连的底板水平裂缝跨中区域腹板下方竖向开裂，底板水平开裂，二者相连形成“L”形裂缝。一般来说，在恒载、活载诸因素作用下中跨跨中为正弯矩区，下缘受拉，通过在下缘张拉预应力筋束产生的压应力来抵消上述拉应力，并使下缘保持必要的压应力储备来防止开裂。当该压应力不足以抵消拉应力时，箱梁下缘就会出现这种裂缝。

（6）箱梁顶板和底板纵向裂缝。顶板纵向裂缝主要出现在顶板跨中或跨中至加腋终点下方。这些裂缝一般是由于顶板未设横向预应力筋或横向预应力筋未在板跨跨中下弯，导致顶板跨中截面产生正弯矩，引起混凝土开裂。底板纵向裂缝经常是底板顺纵向预应力筋（管道位置）开裂，主要由于底板预应力筋束管道下方实际尺寸偏小或底板横向钢筋配置偏少偏小造成的。在悬臂施工时，连续箱梁的合拢段顶、底板也会出现纵向裂缝，并且一般不向相邻节段扩散。这种类型裂缝主要由合拢段混凝土与相邻节段混凝土之间的收缩差和水化热降温等因素引起。

（7）箱梁底板保护层劈裂破坏。这种裂缝破坏是因为箱梁底板一般在设计中纵向呈曲线形，其纵向预应力筋也呈曲线布设，当张拉预应力筋时就会产生向下的径向分力，如果底板未设置足够数量抵抗此径向分力的防崩钢筋或混凝土保护层厚度不够，便会产生劈裂破坏。

（8）底板较薄。如果底板布束过多过密，且都集中于底板中部，会导致局部应力过大，则底板束应尽可能靠近腹板。局部应力过大的原因还有，预应力传递需要一段时间，在刚张拉完4～6 h内，压力集中在局部而没能扩散至整体截面承受而导致开裂现象发生。

（9）由于底板挖空后有效截面小，抗弯刚度较小，底板在横向更易弯曲变形，使底板混凝土上表面首先开裂。

（10）锚下混凝土开裂这种情况一般是锚垫板周围混凝土开裂，锚垫板内凹，主要是由于混凝土强度不够或锚下配置局部加强钢筋不够造成的。它会引起预应力损失过大，从而产生更严重的破坏。

（11）齿板及其附近的裂缝。 根据裂缝的位置又有齿板尾部裂缝和齿板前、后的裂缝两种情况。前者主要是齿板尾部及与之相连的顶板底板出现裂缝，甚至出现齿板尾部混凝土崩落。这是由于张拉预应力筋束时，弯道内筋束对混凝土产生径向冲切力，预应力筋束弯道结束段的混凝土太薄，钢筋配置不足，导致混凝土冲切破坏。后者是在顶板或底板锚前出现顺纵向预应力筋束方向的裂缝，锚后出现水平向或斜向裂缝。主要是由于齿板未紧贴腹板，锚前和锚后未配置足以抵抗局部拉应力和剪切力的钢筋。

从上述的裂缝分类可以看出，造成连续箱梁开裂的原因是多方面的，并且绝大部分箱梁出现裂缝都是由几种应力叠加引起的，因此在分析裂缝形成原因时，不仅要根据各种裂缝的特点分别研究构件的受力、配筋是否合理，而且要根据实际情况综合分析连续箱梁桥的整体受力，判断其是否有多种因素造成混凝土开裂。

通过对连续箱梁桥主要裂缝种类和成因的认识，笔者认为如何减少和防止预应力混凝土箱梁桥的裂缝可以从设计和施工两个方面进行严格控制[5,6]。

3 减少和防止开裂的措施

3.1 在设计中需要注意的问题

（1）边跨与主跨的跨径配置比例应适当，连续梁受力才合理。若比例过大，边跨支架施工梁段长度偏长，相对于中跨，边跨结构的整体刚度偏小，与中跨结构的刚度比和内力比不协调，边跨受力不利；若边跨与主跨跨径之比过小，则边跨支点可能会出现向上的拉力，同时连续梁各跨的刚度会有较大的差异。

（2）适当增加腹板厚度，截面的正应力、剪应力和主拉应力都会有良好的改善。

（3）通过计算分析，配置合理的预应力钢束和普通钢筋。连续箱梁的预应力钢束的配置与桥梁的结构体系、受力情况、构造型式以及施工方法等有着密切的关系。在布置时，应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；避免使用反向曲率的连续束，这样会引起很大的摩阻损失，降低预应力束筋的效益。

（4）钢束应尽量靠近腹板布置，从而可使预应力以较短的传力路线分布在全截面上，有利于降低预应力传递过程中局部应力的影响。在配置普通钢筋时，由于箱梁的顶底板与肋是共同受力的，受力主筋不宜过分集中在梁肋内，设计时主筋的布置最好根据连续箱梁的肋、板刚度比与其刚度变化情况来考虑。

（5）注意腹板的抗剪验算和配筋。在通常设计中大多能很好地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20～60 m的等截面连续箱梁中特别突出，容易出现腹板过薄或抗剪不够而出现斜裂缝的现象。

（6）不可忽略齿板、防崩钢筋等局部钢筋的布置。在齿板设计时同一断面锚固的预应力钢束吨位不能太大，锚固断面底板应有一定的压应力储备，最好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等受力薄弱处，还应配置足够的普通钢筋，防止齿板发生冲切破坏。另外，为防止顶、底板劈裂破坏，应按预应力筋的线型配置足够多的防崩钢筋，并保证混凝土保护层厚度。

（7）重视温度、收缩徐变等因素引起的应力计算。在设计计算中，应建立合理的计算模型，根据现有规范和施工的实际环境考虑温度、收缩徐变模型参数的选取和计算。

（8）结合实际施工情况考虑连续箱梁桥的设计。有些设计者只考虑理论计算可以通过，而未考虑施工是否能够做得到。比如有些钢筋布置过密，导致骨架钢筋内的混凝土难以振实，混凝土强度不均匀，从而影响钢筋与混凝土的粘结力以及箱梁的整体刚度。

（9）为防止底板开裂，设计时应在底板配置抵抗径向力的箍筋，箍筋能将底板上下两层钢筋连成整体共同受力，这能有效改善混凝土局部受力。需选取合适的底板厚度，底板不宜过薄。底板纵向钢筋不宜过弱。在波纹管的附近可适当加密布设箍筋，若底板箍筋施工不便可设计成钩筋，可以提高上下层钢筋骨架的整体性。

（10）全预应力构件设计时应留有一定的最大压应力储备，一般可保留2～3 MPa。

3.2 施工应注意的问题

必须严格按照设计要求和施工技术规范执行，在具体施工中还应注意几个问题[7]。

（1）注意混凝土水化热对施工的影响。应尽量改善骨料级配，掺加活性剂，外加剂，减少水泥用量，以降低混凝土的水化热温度；同时，采用措施降低混凝土的浇筑温度。

（2）安排合理的施工方法和顺序。如果方法和工序不对就会造成箱梁某些局部受力不均，引起施工裂缝而导致结构的承载能力降低。

（3）波纹管间距不能过小，应满足规范要求，施工中应尽量按设计图纸准确放置波纹管，放置张拉预应力时波纹管上下浮动与混凝土脱离。

（4）把好各道工序施工质量关，严禁偷工减料，严禁为赶施工进度而草率施工。

4 结语

通过以上的论述，我们对预应力混凝土连续箱梁桥裂缝产生的原因及裂缝的控制措施两个方面的内容进行了较为详细的分析和探讨。混凝土连续箱梁的裂缝控制是一个系统工程,影响因素众多,且有许多不确定因素，同时裂缝是既有预应力混凝土连续箱梁桥结构中普遍存在的现象，但并不是所有的裂缝都会直接影响结构安全。因此，要对桥梁混凝土裂缝的成因进行认真研究，并根据裂缝对结构功能的影响予以防治及控制。

[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]朱汉华，陈孟冲，袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]叶俊，吴小军.预应力混凝土连续箱梁跨中横向裂缝原因分析[J].公路交通科技，2012(12):243-244.

[4]张建军.预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝分析研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[5]彭卫.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[J].公路交通技术，2007(6):66-70.

[6]袁铜森.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝成因分析与维修加固[D].长沙：湖南大学，2006.

[7]耿会勇.预应力连续箱梁施工过程中腹板斜向裂缝产生原因及防治[J].桥梁，2011(4):24-27.