大跨径PC箱梁桥腹板开裂与处治综述

郑博 梁军林 李丛 傅涛

摘要：文章在归纳总结国内外关于大跨径PC箱梁桥腹板裂缝研究的基础上，从混凝土和竖向预应力筋的施工性能两个方面分析他们对腹板裂缝的影响。结论显示：高强混凝土较大的自收缩和较高的脆性是造成腹板出现早期裂缝的重要原因;根部腹板大体积混凝土施工时过大的水化热会造成腹板在施工阶段出现贯通裂缝;竖向预应力筋采用性能优良的CFRP筋能有效降低竖向预应力损失;竖向预应力筋采用滞后张拉并保证竖向预应力筋间距与腹板半高比s/c<0.5，腹板截面不同高度处预应力效率均较高。

关键词：腹板;大体积混凝土;水化热;预应力损失;滞后张拉

0 引言

预应力混凝土（Prestressed Concrete，PC）连续箱梁桥和刚构桥具有整体性好、截面抗弯与抗扭刚度大、跨越能力强、适合多种现代施工方式（预制拼装、悬臂浇筑、顶推等）的优点。同跨越能力相近的斜拉桥和悬索桥相比，工程经济性也更加合理[1][2]。1952年，德国首次运用悬臂浇筑施工技术建成第一座跨径超过100 m的PC箱梁桥——Worms桥;1988年，我国建成第一座大跨径连续刚构桥——广东洛溪大桥。此后，短短几十年内，PC箱梁桥在我国得到了广泛的应用和飞速的发展。然而，投入使用的大跨径PC箱梁桥普遍出现不同程度的开裂，箱梁腹板斜裂缝是最为普遍和严重的裂缝类型之一[3]。梁体的开裂使原本由混凝土包裹的钢筋暴露在空气中，加速了钢筋的锈蚀，降低了结构的承载能力和刚度，使大跨径PC箱梁桥在恒载和活载作用下的挠度进一步增大，严重影响了桥梁的正常使用性能和耐久性能。

众多国内外学者针对箱梁腹板裂缝问题开展了大量研究，取得了一系列研究成果。本文从大跨径PC箱梁桥腹板裂缝基本特征、腹板混凝土和竖向预应力筋施工性能三个方面去论述大跨径PC箱梁桥腹板开裂与处治研究的现状和展望。

1 大跨径PC箱梁桥腹板裂缝基本特征

1.1 大跨径PC箱梁桥腹板裂缝类型

申时庵依据裂缝产生的原因将混凝土结构裂缝分为荷载裂缝和非荷载裂缝[4]。交通部公路科学研究院王国亮等人[5]则通过对全国公路系统主跨>60 m的近180座PC箱梁桥梁体裂缝进行了调查与分析统计工作，指出大跨径PC箱梁桥100%出现开裂且跨径>150 m的箱梁桥相对于其他跨度的开裂程度更严重，并依据裂缝出现的位置和原因将大跨径PC箱梁桥腹板裂缝形态和裂缝分布规律归纳如表1所示。

1.2 大跨径PC箱梁桥腹板裂缝形态特征

裂缝的形态特征包含裂缝的数量、长度、宽度以及深度等指标。大跨径PC箱梁桥腹板裂缝形态特征与施工质量、养护条件、箱梁截面形式与尺寸、荷载大小和作用形式以及外界环境影响等因素有关，其基本特征如下：一般对称分布于桥梁纵轴两侧，且腹板内侧数量多于外侧;裂缝宽度呈现为中间大、两端小的形态;已成型的腹板裂缝在夏季时的裂缝宽度较冬季时有所增大，约增长20%;沿预应力管道裂缝较长且不连续;弯剪裂缝宽度较大且常与腹板斜裂缝贯通[5-8]。

2 优化大跨径PC箱梁桥腹板混凝土的施工性能

混凝土是由水泥、沙、石拌和而成的组合材料，其内部存在气穴、微孔和微裂缝，并不是理想中的均质材料。混凝土收缩变形受到限制产生的拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，结构就会开裂。混凝土的收缩可分为五种类型：温度收缩、塑性收缩、碳化收缩、自收缩和干燥收缩[9]。

2.1 温度收缩

余文涛[10]指出，日照温差、骤然降温、蒸汽养护或冬季施工养护不当、施工气候炎热以及水化热等原因均会引起腹板的温度收缩。大跨径PC箱梁桥根部腹板尺寸较大、水泥用量较多，腹板混凝土由于水泥水化反应产生的水化热较多、绝热温升大且温度峰值高，是造成腹板出现温度收缩裂缝的主要原因[11][12]。腹板混凝土内部温度在水化反应初期较高，外侧由于混凝土的导热性不好而温度较低，此时腹板混凝土内部产生压应力，而外侧混凝土产生拉应力，腹板混凝土内部温度随着水化反应的进行迅速下降，其由早期受压状态转变为受拉状态，腹板有产生贯通裂缝的风险。此类裂缝在预应力尚未张拉、拆模检查时就可能出现，并且只在当前施工梁段内发展。汪建群和方志[13]通过对实桥进行测试，指出0#块及其附近厚度较大处腹板存在贯通裂缝，而距离根部较远的较薄腹板处未出现裂缝，并通过实时监测指出腹板厚度为0.7 m的2#块腹板混凝土外侧在水化反应初期由于内外温差产生的拉应力最高可达2.05 MPa，大于腹板外侧混凝土的即时抗拉强度1.25 MPa;腹板混凝土内部在水化反应后期由于温度迅速下降产生的拉应力大于混凝土的即时抗拉强度2.46 MPa。

大跨径PC箱梁桥根部腹板出现早期裂缝的本质是腹板单次水化反应生成的水化热过多导致腹板混凝土内外变形不协调。因此，可掺加适量粉煤灰和矿粉来减少水泥用量从而降低腹板温度峰值，或在根部腹板浇筑前埋设通水管，浇筑时通水降温并采用保温保湿的养护措施，降低腹板内外温差峰值，从而预防腹板早期温度收缩裂缝的产生。

2.2 塑性收缩

塑性收缩是指混凝土终凝前，水化反应、水分蒸发以及重力作用等因素造成处于塑性狀态的混凝土发生沉降收缩[14]。在浇筑大跨径PC箱梁桥节段混凝土时，下料过快或振捣不均匀会导致粗骨料沉浆，造成在钢筋表面只有水泥砂浆，最终会由于塑性收缩过大以及局部强度较低而出现沿预应力管道表面方向的裂缝。

腹板沿预应力管道的裂缝使纵向预应力筋发生移位，增大了预应力损失，还降低了腹板有效截面面积，使腹板有产生斜向裂缝的风险。因此，浇筑大跨径PC箱梁桥节段腹板时应缓慢下料并振捣均匀，从而减小混凝土塑性收缩值。

2.3 碳化收缩

混凝土碳化指混凝土水泥水化物中的Ca（OH）2结晶体与空气中的CO2等酸性气体在有水的条件下发生化学反应，使混凝土趋于中性化。碳化收缩量级不大，对大跨径PC箱梁桥腹板裂缝的影响可不计[10]。

2.4 干燥收缩和自收缩

大跨径PC箱梁桥普遍采用高强混凝土，水胶比或水灰比较低且掺有大量的活性矿物掺合料与高效减水剂。低水胶比或水灰比使混凝土内部含水量较少，随着水泥水化反应的进行，水泥石毛细管压强由于失水而升高导致水泥石承受负压，混凝土发生自收缩。同时，矿物掺合料比表面积较大且具有较高的火山灰活性加速了水化反應，水泥石毛细孔饱和度逐渐降低发生自干燥收缩[15]。高强混凝土较高的脆性降低了抗断裂性能，使PC箱梁桥由于混凝土温度收缩和自收缩引起的早期裂缝在后期荷载的作用下迅速发展延伸。近几十年来，我国对混凝土的早期强度要求越来越高，水泥比表面积和C3S与C3A含量的增大加剧了混凝土的温度收缩和干燥收缩。早期高强混凝土的弹性模量较高而徐变变形较小，混凝土早期徐变变形不足以释放约束条件下腹板较大收缩产生的高应力，腹板有早期开裂的风险[16]。因此，PC箱梁桥施工时，在保证强度满足条件的情况下，应尽量选用比表面积小且C3S与C3A含量低的水泥，从而减小混凝土的自收缩值和干燥收缩值。

综上所述，混凝土温度收缩、塑性收缩、干燥收缩及自收缩是引起PC箱梁桥腹板早期裂缝形成与发展的重要原因。同时，现行规范[17]中计算收缩徐变的公式是以试验室缩尺模型的试验结果为依据确定，不能真实地反映大跨径PC箱梁桥腹板所处的复杂实际情况。汪剑和方志[18]以衡昆高速公路沿线两座大跨径预应力混凝土箱梁桥为依托，通过实测与对比分析指出，对实际PC箱梁桥中混凝土收缩徐变作用及其效应认识的不足是造成箱梁腹板开裂的重要原因之一，建议在缺乏实际资料的情况下，采用GL2000模型进行箱梁桥的收缩徐变效应计算并进行针对性的加固，为现场施工人员提供了实用的建议。

3 优化大跨径PC箱梁桥腹板竖向预应力筋的施工性能

主拉应力和剪切应力超限产生的腹板斜向裂缝是大跨径PC箱梁桥中出现最多的腹板裂缝类型[19][20]。在腹板中设置竖向预应力筋可限制剪切应力，使腹板在纵向预应力和竖向预应力的共同作用下处于双向受压状态，能有效抑制腹板斜向裂缝的出现[21]。然而，腹板开裂问题在大跨径PC箱梁桥设置竖向预应力筋后并未得到有效控制[22]。赵宝俊[23]通过试验研究与数值模拟指出，其本质原因是腹板竖向预应力损失过大，腹板截面混凝土的抗拉强度以及有效竖向预应力与纵向预应力的耦合作用不足以抵抗截面主拉应力。腹板截面有效竖向预应力过小主要有以下四个方面的原因：（1）施工时，竖向预应力筋的张拉时间不合理导致预应力损失过大或早期主拉应力过大在腹板中造成开裂;（2）混凝土的收缩徐变与温度变化等非荷载因素造成的竖向预应力损失值难以计算准确;（3）竖向预应力筋较短且伸长量较小造成锚具回缩和接缝压缩等引起的相对回缩比例较高，预应力损失比例较大;（4）未充分考虑竖向预应力筋的锚下扩散效应和应力空白区以及腹板的应力分布状态。

鉴于以上对造成腹板竖向有效预应力过小的原因的分析，本文分别从竖向预应力筋的施工技术、竖向预应力筋的材料种类及锚具体系、腹板截面的应力分布状态三个方面论述大跨径PC箱梁桥腹板的开裂与处治研究。

3.1 优化竖向预应力筋的施工技术

目前，国内工地普遍采用后张法竖向预应力体系，其传力锚固时的预应力损失主要包括预应力筋与管道壁间的摩擦损失σl1，锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的损失σl2及混凝土弹性压缩引起的损失σl4[17]。

无粘结预应力筋是带防腐隔离层和外护套的专用预应力筋，其不与混凝土直接接触的特点能消除σl1的影响。相比于后张法预应力筋，其施工简便、抗疲劳性能和抗震性能更加优越。刘山洪等[24]通过对大跨径PC连续刚构桥裂缝的研究指出，采用无粘结竖向预应力技术能有效降低竖向预应力损失。实际施工时，预应力筋的张拉普遍集中在较短时间内，对结构的早期受力性能要求较高。铁道部基于钢束与带有螺纹套管之间缓凝材料（超效缓凝砂浆或环氧树脂）逐步固化的性质提出了缓粘结预应力混凝土技术，改善了预应力筋的张拉时间限制，从而可错开作业的高峰期，能有效改善腹板的早期受力性能。缓粘结预应力混凝土技术施工简单，具有良好的粘结性能和结构性能，能有效降低σl1和σl4。同时，姚日高[25]指出，采用真空辅助压浆技术能显著改善浆体的流动性能，从而避免预应力管道内出现空洞，能大幅提高浆体的密实效果，降低预应力筋回缩引起的竖向预应力损失。

3.2 优化竖向预应力筋的材料种类及锚具体系

竖向预应力筋伸长量较短造成相对回缩所占比例较高以及锚具性能较差是造成预应力损失σl2大的主要原因，因而选用性能更加优良的预应力筋材料和锚具体系是改善竖向预应力损失的有效途径。国际工程界从20世纪80年代后期就开始研究将碳纤维增强塑料（CFRP）作为预应力钢筋的替代材料。CFRP筋是由CFRP纤维丝通过树脂胶合而成，具有轻质、高强、高模量、抗腐蚀以及抗震性能优越等优点[26]。陈露晔等人[27]通过对比试验，指出CFRP筋用于大跨径PC箱梁桥竖向预应力筋能显著降低预应力损失。

CFRP筋是一种各向异性材料，其横向强度与纵向强度之比可达1∶20。将传统夹片式锚具用于CFRP筋的锚固会因CFRP筋的横向强度较低而过早失效。Nanni等人通过试验研究指出：配置CFRP力筋的混凝土结构，锚具系统的锚固性能是决定其极限承载能力大小的主要影响因素[28]。方志等人则通过试验对比分析CFRP筋在超高性能混凝土、环氧铁砂、环氧石英砂和普通混凝土四种粘结介质中的不同锚固性能，指出超高性能混凝土可使具有表面压纹的CFRP筋具备最为有效的锚固性能[29]，为CFRP筋用于大跨径PC箱梁桥腹板竖向预应力筋的施工提供了科学的理论依据。

同时，相比于传统预应力钢绞线锚固体系，低回缩预应力钢绞线锚具体系通过对钢绞线进行两次张拉（第一次张拉使锚杯内夹片夹紧钢绞线，第二次张拉锚杯直至设计张拉力），加强了钢绞线与锚具之间的锚固性能，能有效降低预应力筋回缩引起的预应力损失σl2，从而提高短索的预应力效率[30]。

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作者简介：郑 博（1995—），硕士研究生，主要从事公路桥梁防灾减灾研究工作;

梁军林（1965—），博士研究生导师，主要从事结构安全性能研究工作;

李 丛（1982—），从事高速公路建设管理工作;

傅 涛（1993—），博士研究生，主要从事混凝土损伤性能研究工作。