预应力预制箱梁底板与腹板纵向裂缝成因分析

郭杰

摘 要：预应力预制箱梁以其成熟的工艺和机械化程度高的特点，在保障桥梁质量的同时大大节约了工程成本和工期。但是在预应力预制箱梁生产过程中存在各种影响因素，使得预应力预制箱梁在理论设计、混凝土配比设计、施工工艺以及温度变化等因素下底板或腹板出现纵向裂缝。通过对纵向裂缝形成的原因进行分析，从而判断该预应力预制箱梁裂缝病害的危害程度，以达到保证桥梁使用安全和节约成本的目的。

关键词：预应力预制箱梁;纵向裂缝;非结构裂缝

0 引言

预应力预制箱梁通常在独立的梁场预制，采用整体钢模，混凝土集中供应，混凝土运距短，养护方便，易于预应力张拉作业;同时梁场采用起重机吊运，机械化程度高，质量有保证，生产效率高。预应力预制箱梁可与下部工程同时进行，在下部工程完成后进行架设，大大的缩短了工期，降低了施工成本。从而决定了预应力预制箱梁在桥梁施工中被广泛应用。

1 工程概况

广西融河高速的一座在建桥梁，全桥共2联，桥梁跨径组合为 2×（4×20.0 m），桥面宽度为2×（净-11.75+1）m，共8跨。桥梁上部结构采用先简支后连续预制小箱梁。预制小箱梁采用C50混凝土，腹板高度为105 cm，底板宽度为100 cm。波纹管采用高密度聚氯乙烯波纹管（SBG-50Y型）。单侧腹板纵向采用两束5*15.2钢绞线，底板纵向采用两束5*15.2钢绞线。

在桥梁外观检测中发现每跨中都有部分箱梁在底板或腹板位置出现纵向裂缝;裂缝宽度在0.05 mm～0.20 mm之间，长度在1.0 m～19.0 m之间。就同一箱梁而言，底板裂缝宽度大于腹板裂缝宽度。底板裂缝在距梁底边缘两边各20 cm～30 cm之间对称分布;腹板裂缝在梁中位置出现在距梁底边缘10 cm～20 cm处，在距梁端7 m～8 m处裂缝开始向斜上方发展，基本上是沿波纹管位置出现。部分裂缝虽未直接连通，但基本上沿波纹管位置延伸。

2 钢筋混凝土构件裂缝分类及成因

2.1 钢筋混凝土构件裂缝分类

（1）按产生原因可分为结构裂缝和非结构裂缝。

结构裂缝：由各种外荷载引起的裂缝，也称荷载裂缝。它包括由外荷载的直接应力引起的裂缝和在外荷载作用下结构次应力引起的裂缝。结构裂缝多由于结构应力达到限值，承载力不足引起的，是结构破坏开始的特征，或是结构强度不足的征兆，这是比较危险的。

非结构裂缝：由各种变形引起的裂缝，也称变形裂缝。它包括混凝土收缩、温度变化等因素引起的裂缝。这类裂缝是在结构的变形受到限制时引起内应力造成的，对结构承载力影响不大。从工程实践来看，混凝土构件的裂缝80%以上都是非结构裂缝。

（2）按裂缝形状划分，可分为纵向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝、X形裂缝和不规则裂缝等。

（3）按裂缝深度划分，可分为表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。其中表面裂缝对结构）、应力、耐久性和安全基本没有影响。深层裂缝和贯穿裂缝对混凝土结构影响较大。

2.2 钢筋混凝土构件非结构裂缝成因

钢筋混凝土构件出现非结构裂缝的原因很多，概括起来主要有以下几种：

（1）理论设计：一是钢筋配置不合理，在剪力滞后效应的影响下产生裂缝问题。二是设置钢筋保护层厚度设计值不合理、垫块位置设置不合理或者在施工中没有保护垫块位置的措施;使得保护层厚度过薄，从而在钢筋锈蚀膨胀时产生裂缝。

（2）混凝土原材料：混凝土的抗拉强度较低，由于材料的不均匀、水灰比不穩定及混凝土在运输和浇筑过程中产生的离析等，会使得混凝土内部抗拉强度的不均匀;在温度变化或养护不到位的情况下，易引起混凝土内部拉应力的产生，进而易在薄弱部位出现裂缝。

（3） 收缩：一是水泥化学收缩，水泥水化产物体积较反应前水泥-水体系体积缩小，产生收缩。这种收缩不能恢复，会在混凝土结构内部产生微细裂缝，对混凝土结构强度没有破坏作用。二是混凝土自收缩裂缝，在混凝土硬化阶段，由于水泥水化时矿物组分与混凝土中水分结合，导致混凝土内部自由水分减少，从而产生毛细管张力造成体积收缩。三是塑性收缩裂缝，主要是水泥水化终凝前因水分蒸发速率过大而在混凝土表面产生的收缩裂缝;即混凝土失去塑性能力而强度较低时，无法抵抗体积收缩而产生塑性开裂。四是干缩裂缝，混凝土结构表面水分蒸发，产生毛细张力，变形较大;而内部水分湿度变化较小，对表面干缩形成约束，产生较大拉应力，从而产生裂缝。

（4）温度：水泥水化产生大量水化热或者拆模前后表面温度变化大，加上混凝土不是热的良导体，使混凝土结构内部温度高，而表面散热快，温度低，形成混凝土内外温度差。较大的温差造成内外热胀冷缩的程度不同，从而在混凝土表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面产生裂缝。其中水泥水化热是引起温度裂缝的主要原因。

（5）施工工艺：一是混凝土振捣不密实，或出现过振、漏振。二是养护不到位，出现温度裂缝或收缩裂缝。三是张拉预应力时混凝土龄期偏小或未按设计要求进行张拉。四是波纹管定位不准确，在施工过程中出现偏位。

3 原因分析

在发现底板和腹板存在纵向裂缝后，对出现纵向裂缝的预应力预制箱梁进行了注水试验，并对该跨进行静载试验。注水24 h后未发现裂缝有渗水现象，静载试验时裂缝未扩展。由此可知底板和腹板出现的纵向裂缝属于表面纵向非结构裂缝，对预制箱梁的结构承载力影响不大。

由非结构裂缝产生的原因，结合该预应力预制箱梁施工技术情况及与该工程其他桥梁情况对比可知：底板与腹板产生纵向裂缝的原因可排除理论设计因素和原材料因素。通过施工过程分析可知底板与腹板产生纵向裂缝的主要原因有以下几点：

（1）该批预应力预制箱梁的混凝土配合比中水泥用量偏多，水泥水化热较大，造成混凝土内外温度差较大，在混凝土表面产生拉应力。同时由于水泥浆体含量偏大，出现了较大的收缩变形。由于箱梁结构的内约束，包括波纹管对混凝土收缩的约束作用，导致出现较大的收缩应力，出现沿波纹管的纵向裂缝。从该批箱梁的混凝土施工配合料单上得到了验证。

（2）预应力管道布置存在偏位。依据张勇[1]等在相关论文中的分析，板底纵向裂缝出现的原因主要是预应力管道偏位越大，预应力径向力使箱梁底板产生的横向拉应力越大，使得箱梁底板出现沿着预应力管道方向纵向裂缝的可能性越大。从施工现场了解到预应力管道定位确实存在偏差。

（3）由于该工程工期较紧，存在拆模或预应力张拉时混凝土龄期偏小的情况。

4 结论

通过上述分析可知，该桥中预应力预制箱梁底板和腹板出现沿预应力管道的纵向裂缝是表面纵向非结构裂缝。主要成因是水泥用量过多、预应力管道偏位或混凝土未达拆模、张拉龄期。从其裂缝宽度较小且静载试验后裂缝未扩展的情况来看，底板和腹板的纵向裂缝对该批预应力预制箱梁的承载力影响不大。对于该批箱梁出现的裂缝，因其宽度较小，可通过在裂缝外表涂抹环氧类封缝胶或张贴碳纤维布的方法，增强箱梁防水性及耐久性。同时应密切观察营运后该桥梁裂缝的发展情况，保证桥梁的使用安全。

参考文献：

[1]张勇，梁志广，胡强，等.简支小箱梁底板纵向裂缝原因分析[J].铁道建设，2008（1）：31-33.

[2]范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]杨岳华，李运喜.预应力连续箱梁腹板裂缝成因分析[J].中国科技论文，2008.

[4]闫青华.浅谈桥梁裂缝产生的原因[J].甘肃科技，2008（21）：75-77.

[5]王卫锋，叶敬彬，林致胜，等.施工过程箱梁腹板斜裂缝成因分析[J].桥梁建设，2010（1）：32-35.

[6]贾益，安江龙，杨卫东.预应力小箱梁腹板纵向裂缝成因分析[J].技术探讨，2015（20）：5602-5603.