预应力混凝土连续梁桥顶板纵向裂缝研究

王柳

（中设设计集团股份有限公司，南京 210000）

1 引言

作为常见结构，连续梁桥具有抗扭刚度大、稳定性好、适应性强等特点，在大跨径桥梁桥型选择中具有较大的优势。作为混凝土结构，使用过程中暴露出不少问题，尤其是裂缝问题最为突出。根据统计可知，所有混凝土箱梁存在不同程度的裂缝。根据混凝土结构的自身性质，混凝土均是带缝工作，但是关键部位裂缝的存在和发展，对于结构的承载能力造成较大程度的影响，伴随有钢筋锈蚀、保护层脱落、混凝土碳化和耐久性降低等病害，对桥梁结构的正常运营和服役寿命造成较大的影响【1，2】。针对预应力混凝土连续梁桥在服役过程中的裂缝问题，国内外专家和学者展开了相关研究，然而据可查文献，当前针对裂缝原因机理、处理方案仅局限在定性分析，相关处理方法的研究仍处于初级研究阶段【3】。本文在预应力混凝土连续梁桥外观调查分析的基础上，总结了箱梁顶板纵向裂缝的性质，并从设计和施工2 个方面进行了裂缝成因分析，最后提出了针对性的预防处治措施。本文系统研究了裂缝的成因和预防处治措施，对于连续梁桥的健康安全服役提供一定的保障作用。

2 工程概况

某连续梁桥，跨径布置为70m+120m+70m，分左右2 幅设置。箱梁支点处截面梁高为7.13m，跨中截面梁高为2.7m，单幅箱梁顶板宽度为12.7m，底板宽度为7.1m，翼缘板悬臂长度为2.8m。桥梁纵向布置见图1，箱梁截支点/跨中截面示意见图2。

图1 桥梁纵向布置图（单位：cm）

图2 箱梁支点/跨中截面示意图（单位：cm）

3 裂缝特征调查分析

根据JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》相关规定，针对本项目桥梁上部结构外观进行了检测，发现箱梁顶板存在不同程度的裂缝问题，箱梁顶板典型裂缝照片见图3。

图3 箱梁顶板典型裂缝布置图

根据全桥顶板纵向裂缝调查分析，裂缝存在以下规律：

1）裂缝多发于相对先浇段，向悬浇段自由端处宽度逐渐减小，甚至消失；

2）合龙段顶板的裂缝相较其他悬浇段，宽度更大，长度更长；

3）所有裂缝宽度均较小，宽度最大不超过0.12mm。

4 裂缝成因分析

鉴于箱梁顶板裂缝对结构耐久性和承载能力具有较大的影响，需要对结构裂缝进行加固处理。首先需要对结构裂缝产生机理进行分析，然后采取针对性的处治措施。以下针对设计和施工2 方面的因素对裂缝形成机理进行分析。

4.1 设计方面

针对箱梁顶板裂缝形成机理，主要是由于箱梁顶板有效截面不足、泊松效应和普通钢筋配筋率不足等原因，以下进行详细分析。

4.1.1 箱梁顶板有效截面不足

1）横向预应力布置

根据桥梁几何尺寸调查显示，箱梁顶板宽度为12.7m，底板宽度为7.1m，翼缘板的悬臂长度为2.8m，为了平衡上部恒载、活载在顶板翼缘板根部的负弯矩和顶板中轴线处正弯矩，采用横向预应力设计。由于箱梁顶板中轴线处较薄，横向预应力钢筋的布置进一步削弱了顶板厚度，对于跨中部位的正弯矩而言显然是不利的。由于横向预应力采用φS15.2mm 钢绞线，纵向间距为1.0m，造成箱梁顶板横向预应力分布相对不均，容易在预应力效应薄弱处产生拉应力，超过混凝土拉应力从而在箱梁顶板产生裂缝。

2）纵向预应力设置

根据设计图纸可知，该桥跨中位置箱梁顶板厚度较薄，仅为28.0cm，由于桥梁采用悬臂浇筑的方式施工，因此，沿顶板纵向预留了大量的预应力孔道。虽然在设计中采用抽真空的方式进行压浆作用，但是很难做到压浆饱满，同时，注浆材料的强度无法与顶板混凝土强度相比，无法保证箱梁顶板留有足够的抗压截面，大大削弱了箱梁顶板的有效抗压面积，造成顶板因压应力超限产生裂缝。

4.1.2 纵向预应力的泊松效应

根据连续梁桥悬臂浇筑工艺流程，横向预应力张拉是在纵向预应力张拉完成且挂篮移动完毕后进行的。由于桥梁跨径较大，为了平衡悬臂端在箱梁支点附近产生的负弯矩，顶板中设计了较多的纵向预应力，且张拉吨位相对较大，混凝土材料的泊松效应使得箱梁横向变形较大。考虑到纵向预应力束张拉时的混凝土龄期较短，多为6～7d，虽然混凝土强度达到了张拉要求，但弹性模量并不能保证达到设计值，因此，箱梁在纵向预应力作用下存在较大的横向变形。根据连续梁桥悬臂浇筑工序，在纵向预应力张拉时，横向预应力并未施加，因此，在上述2 种因素的耦合作用下，较大的箱梁顶板横向变形是顶板纵向裂缝的主要诱导因素之一【4】。

4.1.3 非预应力钢筋的配筋率不足

对于预应力混凝土箱梁桥而言，由于顶板尺寸有限，加上横向预应力和纵向预应力的设计，普通钢筋预留的空间受到了较大程度的挤压，使得箱梁顶板非预应力钢筋的配筋率较低，顶板容易因配筋率较低产生纵向裂缝。

4.2 施工方面

预应力混凝土箱梁顶板产生纵向裂缝，施工方面影响因素较多，主要有龄期差异、施工阶段受力差异和施工工艺等方面的原因，以下进行详细分析。

4.2.1 龄期差异

由于预应力混凝土连续梁桥的悬臂浇筑工艺，相邻两块梁段至少存在9d 的龄期差异。对于混凝土结构而言，收缩徐变与龄期存在较为密切的关系，尤其是凝结初期，混凝土收缩变形发展较为迅速，14d 左右可以完成全部收缩量的25%，30d 左右可以达到50%。鉴于相邻梁段之间的龄期差异，后浇段梁段的收缩量会远远大于先浇梁段，由于先浇段与后浇段之间的耦合连接作用，使得后浇段的收缩受到先浇段的限制，从而产生较大的横向拉应力，远离先浇段的混凝土受到的影响较小，产生的拉应力相对较小，这也是纵向裂缝宽度向自由端逐渐减小的原因。对于合龙段而言，无论是边跨合龙段还是中跨合龙段，其准备时间均远远大于悬浇梁段，尤其是中跨合龙段，这也与合龙段顶板裂缝无论是数量还是宽度均较普通悬浇段严重的结论相吻合【5】。

4.2.2 施工阶段受力差异

对于连续梁桥采用悬臂浇筑施工时，其在悬臂浇筑阶段和成桥阶段下，恒载作用产生的弯矩是完全不同的，具体见图4。如果在施工过程中产生较大的施工误差，则会由于强制合龙造成较大的跨中弯矩，从而造成纵向弯曲裂缝。

图4 连续梁不同阶段的弯矩图

4.2.3 施工工艺方面

由于连续梁桥的现场悬臂浇筑，因此在现场混凝土振捣过程中，振捣不当、漏振和过振均会对混凝土的密实性和均匀性造成较大的影响，这也是裂缝产生的诱导原因之一。由于混凝土浇筑过程中，水化热造成的内外部温差均会导致混凝土产生表面裂缝。

5 裂缝的控制措施

箱梁顶板裂缝的存在使得桥面板的横向刚度极大地减小，因此，在活载作用下容易造成裂缝继续扩展，造成内部钢筋的锈蚀，钢筋锈胀进一步加剧裂缝扩展。裂缝与钢筋锈蚀的耦合作用会大大降低桥梁的安全性和服役寿命，因此，应根据裂缝成因分析从设计和施工2 个方面进行裂缝控制。

5.1 设计方面预防措施

根据连续梁桥箱梁顶板由于设计因素产生裂缝的原因分析，建议采取以下措施进行裂缝的预防处理。

5.1.1 优化预应力筋布置

根据连续梁桥悬臂浇筑阶段的受力情况，在箱梁顶板合理增设横向预应力筋和竖向预应力筋，对于箱梁顶板进行精细化的分析和设计，可以从根本上避免箱梁顶板纵向受力裂缝的产生。

5.1.2 改善受力截面性质

鉴于顶板厚度较薄，纵、横向预应力筋的布置会在一定程度上削弱箱梁顶板受力面积，因此应合理增加箱梁顶板厚度。根据受力分析，针对箱梁顶板受力薄弱位置加强局部配筋和增大薄弱部位构件尺寸。

5.1.3 已存裂缝封闭处理

从增强桥梁结构耐久性方面考虑，对于已成型存在的裂缝，为了避免水分和空气的存在造成预应力筋锈蚀，应采取黏结性能、密闭性和防水性好的材料进行裂缝的封闭处理，延缓裂缝锈蚀和混凝土的碳化进行，从根本上提高结构的耐久性。

5.2 施工方面预防措施

根据连续梁桥箱梁顶板由于施工因素产生裂缝的原因分析，建议采取以下措施进行裂缝的预防处理。

1）改善材料性能。采用适合连续梁桥悬臂浇筑的混凝土配合比，采用标准化、系列化和通用化的模板支架系统，避免在混凝土浇筑过程中发生沉降；优化混凝土的浇筑施工工序，严格执行浇筑工艺和养护方法。对于梁段龄期引起的收缩量不同的问题，考虑通过混凝土材料的性能改善来降低混凝土收缩量。同时，可以考虑在顶板底面设置钢丝网来抑制裂缝的出现。

2）由于连续梁桥悬臂浇筑施工工期较长，因此，应针对不同施工工期中的温度梯度变化进行针对性的研究和分析，并采取必要的应对措施，避免因温差效应产生裂缝。

3）鉴于我国设计和施工规范均缺少对抗裂钢筋的布置说明，因此，应在施工过程中针对结构受力薄弱的位置，提高配筋率和钢筋的均匀分布程度来提高混凝土的抗裂性能。

6 结语

连续箱梁桥得到了越来越广泛的应用，顶板纵向裂缝的存在对于混凝土连续梁桥的健康服役造成了较大的影响。本文在某连续梁桥外观调查的基础上，分析了箱梁顶板裂缝的影响，然后从设计和施工方面进行了裂缝成因分析，最后从设计和施工2 个方面提出了针对性的处理措施。本文系统分析了预应力混凝土连续梁桥裂缝的产生原因和处理措施，对于预应力混凝土连续梁桥裂缝的处治提供了一定的经验，对于预应力混凝土连续梁桥的健康安全服役起到了较大的促进作用。