东莞石龙南二桥裂缝成因分析

李济民

（东莞市交通工程质量监督站，广东东莞 523125）

0 前言

广东东莞石龙镇南二桥跨径组合：5×13 m＋3×30 m＋52 m＋80 m＋52 m＋5×30 m＋8×16 m，全长640 m。主桥结构为预应力钢筋混凝土三跨连续梁桥。桥宽：净12 m＋2×2.0 m（人行道）+2×0.25 m（栏杆），全宽16.5 m。设计荷载：汽车—20级，挂车—100，人群3.5 kN/m2。1997年竣工通车，运营后对该桥进行检测，发现主跨预应力箱梁两侧腹板出现大量的剪切裂缝，宽度多数超过0.2 mm，个别达0.5～0.65 mm，70%以上集中分布在80 m主跨距支座13～30 m的范围，并呈明显的对称性，对称于桥跨中线和路线中线。图1为南二桥主跨和典型截面图。

图1 石龙南二桥主跨和典型截面图（单位：cm）

1 主跨裂缝统计

（1）在52 m+80 m+52 m主跨裂缝统计中，从裂缝的宽度来看，在整个箱梁中共发现了2321条裂缝，其中宽度小于0.2 mm的裂缝有1721条，占裂缝总数的74.15%；宽度介于0.2～0.5 mm的裂缝有563条，占裂缝总数的24.27%；宽度大于0.5 mm的裂缝有37条，占裂缝总数的1.59%。其中，在箱梁腹板所发生的869条裂缝中，宽度小于0.2 mm的裂缝有647条，占裂缝总数的74.45%；宽度介于0.2～0.5 mm的裂缝有211条，占裂缝总数的24.28%；宽度大于0.5 mm的裂缝11条，占裂缝总数的1.27%。在箱梁顶板内表面和底板外表面所发生的1379条裂缝中，宽度小于0.2 mm的裂缝有1055条，占裂缝总数的76.5%，宽度介于0.2～0.5 mm的裂缝有317条，占裂缝总数的22.99%；宽度大于0.5 mm的裂缝有7条，占裂缝总数的0.51%。

（2）从裂缝总体走向上看，腹板中绝大多数裂缝为与水平线斜交的斜裂缝，箱内和箱外腹板的斜裂缝数量分别占到各自裂缝总数的95.13%和99.23%，其余裂缝基本为与水平线基本平行的水平纵向裂缝。裂缝在数量、走向两方面基本对称箱梁轴线分布。箱内顶板表面的裂缝绝大多数为顺桥向的纵向裂缝，占到了顶板裂缝总数的92.24%，存在少量斜裂缝，占顶板裂缝总数的7.45%。箱外底板裂缝多数为顺桥向的纵向裂缝，占箱外底板裂缝总数的55.39%，而斜裂缝的数量也不少，占底板裂缝总数的44.11%。

2 南二桥受力分析[1，2]

为了对南二桥进行分析建立下列模型：

（1）平面杆件模型。计算徐变、收缩对结构的影响：该模型共73个节点，72个单元，分15个施工阶段模拟施工程序。该模型考虑了徐变、收缩、预应力损失（见图2）。

图2 第15个施工阶段中跨合拢（平面）

（2）板壳模型。该模型有19319个节点，20898个板单元，6466个梁单元。该模型用梁单元模拟预应力钢筋，用降温的方法模拟预应力，从而进行施工分析，计算结构空间效应（见图3）。

图3 板壳模型

3 裂缝成因分析[3，4]

（1）温度对顶板裂缝的影响

温度对南二桥顶板裂缝的影响，主要计算横向温差应力，故采用下面几种模式。顶板温差按公路04规范（a）线性分布和（b）矩形分布、顶板温差按铁路规范三种模式模拟（见图4）。

图4 边跨截面顶板内表面温度分析比较

图4中的某些计算点出现异号现象。部分计算值在采用铁路规范计算时的主拉应力大于混凝土抗拉强度（2.65 MPa），会引起横向开裂。

（2）畸变和横向弯曲对顶板裂缝的影响

分析畸变和横向弯曲对顶板裂缝的影响，比较畸变和横向弯曲产生的横向应力大小。通过模型二剥离开畸变和横向弯曲产生的横向应力（见图5）。

图5 边跨截面畸变和横向框架效应产生的横向应力比较分析（单位:MPa）

从图5中可见，横向弯曲对裂缝的形成起主导作用，它产生的横向应力大小是畸变产生的4.8倍作用，最大可达到5.9倍,横向弯曲和畸变联合作用下所产生的横向作用更大，是桥梁产生顺桥向裂缝的原因。

（3）剪力滞对顶板裂缝的影响

在组合一（自重+预应力）作用下，顶板纵向正应力值分布不均匀，即剪力滞效应使得顶板腹板相交处纵向压应力增大，它对顶板裂缝产生起到一定的促进作用（见图6）。

图6 中跨截面剪力滞效应

（4）竖向预应力筋损失对腹板裂缝的影响

对于纵向配直线束的布束方式，对建立纵向有效预应力有利，而剪应力需通过配置密排竖向预应力束来克服，竖向预应力筋设置能显著地减少或消除主拉应力。

竖向预应力筋与纵向预力筋相比有两个显著的特点:第一，竖向预应力筋短，与轴向预应力筋相比达到相同的应力水平，其弹性变形要小得多；第二，竖向预应力筋锚固端沿腹板轴向排列，而纵向预应力筋的锚固端是排列在箱梁的某个截面上，充分考虑了纵向预应力的弹性压缩损失的计算，但对竖向应力的弹性压缩损失没有作特别的说明，纵向预应力的弹性压缩损失是基于一维杆件轴向压缩计算得出的。很明显，纵向预应力的弹性压缩损失计算方法不能用于竖向预应力弹性压缩损失计算。在确定竖向预应力筋张拉控制应力时必计算弹性压缩损失。但目前竖向预应力弹性压缩损失的计算大多参考纵向预应力的弹性压缩计算方法。据有关资料报导，竖向预应力损失达50%，近年来修建的多向预应力混凝土箱梁桥梁大多数在腹板产生了不同程度的裂缝，竖向预应力损失过大、腹板的竖向预应力弹性压缩损失估计不正确是产生裂缝的重要原因之一。

4 结语

（1）顶板和底板的裂缝，主要是横向弯距产生的，即横向弯曲和畸变的联合效应,其中横向弯曲起主导因素，它产生的横向应力大小是畸变产生的4.8倍，最大可达到5.9倍，建议施加横向预应力钢筋来平衡这些力。

（2）腹板裂缝主要是构造不合理和竖向预应力筋配置不足且损失过大而产生的。腹板纵向预应力筋布置方式和竖向预应力大小对腹板斜裂缝的产生影响较大。

（3）为控制箱梁的裂缝,除预应力配束合理外,还要在腹板内配置一定数量的箍筋与弯起钢筋,如双肢箍筋,并且腹板厚度不宜太薄。在箱梁的顶底板要设置一定数量的分布钢筋和收缩温度钢筋。

[1]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTGD62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.