北碚嘉陵江大桥腹板裂缝防治

陈栋梁，陈 实，张 拓

（重庆交通大学 土木建筑工程学院，重庆 400074）

1 工程背景

北碚嘉陵江大桥位于国道212线重庆至合川高速公路北碚段K30＋369处。桥梁全长860.0m，桥面单幅宽13.5m，采用C60混凝土。桥梁上部结构主桥部分布置为135.0m＋220.0 m＋135.0 m 预应力混凝土连续箱梁。箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，箱梁顶板宽12.1m，底板宽7m，外翼板悬臂长2.55m，箱梁顶板设置成2%单向横坡。箱梁跨中及边跨支架现浇段梁高3.5 m，墩与箱梁相接的根部断面和墩顶梁段高为11.5m 箱梁根部至中跨跨中，箱高以半立方抛物线变化。箱梁腹板在墩顶范围内厚120cm，从箱梁根部至跨中梁段腹板厚70cm，边跨梁段腹板厚60cm，腹板变厚处设100cm 渐变段过渡。每号梁段的腹板上设有抗剪齿口。桥型布置如图1所示。

图1 北碚嘉陵江大桥桥型布置

2 箱梁腹板裂缝研究

2.1 裂缝分布位置

从北碚嘉陵江大桥箱梁裂缝10年来观测数据来看，预应力混凝土箱梁裂缝发生的位置较集中。预应力混凝土箱梁腹板的裂缝分布形态有5种。

1）边跨腹板斜裂缝，主要产生于墩柱附近，斜裂缝与桥轴线夹角为35°～55°，裂缝走向如图2所示。

图2 边跨腹板斜裂缝

2）边跨的腹板水平裂缝，大部分在边端墩柱边沿与腹板上不发生，同时发现腹板下部也存在少量的水平裂缝，如图3所示。

图3 边跨腹板水平裂缝

3）中跨腹板斜裂缝，距支座1／4～3／4附近的部位相对集中，斜向裂缝与桥轴夹角为35°～55°，如图4所示。

图4 边跨腹板斜裂缝

4）中跨水平开裂一般发生在跨中中部，从跨中部向两侧延伸，水平裂缝靠近腹板上缘，有时腹板下部也可以发现少量水平向裂缝，如图5所示。

图5 边跨腹板水平裂缝

5）腹板顶板连接处纵向裂缝，大部分产生在墩柱附近和0号块的顶板与腹板交界处，裂缝走向与桥梁中轴线平行，如图6所示。

图6 腹板顶板连接处纵向裂缝

2.2 裂缝状态分析

根据《桥梁技术状况评定标准》（JTG／T H21－2011）中关于箱梁裂缝的描述，单条裂缝最宽处以0.2mm 作为临界值，以裂缝的条数和长度作为桥梁技术状况评定的重要依据。本文对北碚嘉陵江大桥箱梁历年来裂缝的数量和状态进行总结。

通过观测数据可发现：腹板斜裂缝和腹板顶板连接处纵向裂缝在裂缝总数中的比例接近，约为36%，腹板水平裂缝的比例为25%；箱梁腹板开裂主要发生在桥梁运营的3～5年，以后每年新增裂缝数逐年趋向平稳。裂缝数量趋势见图7。三类裂缝在运营6～8年后均趋向平稳，且腹板与顶板交界处裂缝始终占较大比例，见图8。大部分裂缝长度L在1.5m 以内，裂缝最宽处b在0.2mm 以内；在桥梁运营5年以后裂缝宽度和长度超出规定范围的数量逐年增加。

3 裂缝的成因分析

3.1 弯曲裂缝

由观测可知弯曲裂缝一般发生在剪力较小的跨中和支座负弯矩处，比如中跨腹板水平裂缝、斜裂缝以及腹板顶板连接处纵向裂缝属于弯曲裂缝，这类裂缝的产生主要弯曲正应力，并随着时间的推移不断向受压区发展，裂缝数不断增加，且开裂区逐渐向跨中两边扩展。箱梁在对称挠曲时，服从平截面假定原则，梁截面某点处的应力与到中性轴的距离成正比。箱梁腹板弯曲应力为

一般理论中弯曲应力式为

式中：b为计算剪应力处梁宽度，为静矩，其范围是端部表面到所剪应力处。由于箱梁截面中无法预先确定剪应力零点，不能直接用式（2）计算弯曲剪应力。单箱截面上弯曲剪应力分析见图9。

图9 单箱单室截面弯曲剪应力分析

如图9所示箱梁中，在截面的任一点切开，假设未知剪力流为q1，对已切开截面用计算箱梁截面上所有点的剪力流q0，由剪力流q1和q0的作用，在截面切开处相对剪切变形为0，即∮sγds＝0此处的ds沿截面周边量取的微分长度，∮s符号为积分一周，对应的剪应变为

剪力流q＝q1＋q0联立求解

3.2 腹板斜裂缝

箱梁腹板斜向开裂，预应力混凝土连续箱梁桥中较为常见，其中边跨和中跨腹板的斜向开裂均由主拉应力引起。剪应力太大会导致这类裂缝的产生，裂缝走向与梁轴线25°～50°，在受压区裂缝数会持续增加。

单箱箱梁为受力复杂的空间结构，但二维应力模式在箱梁腹板受力中适用，二维平面内的水平正应与剪切力，在二维作用力下，主拉应力计算为

从式（5）可看出，一维纵向收缩的分析模型通常运用到竖向作用的弹塑性计算中去，轴向作用弹塑性计算模型往往在轴向作用的预应力损失的计算中存在缺陷。在准确估算弹性预应力时需要首先确定塑性预应力筋的损失参数，参数的采用经常参照竖向预应力在箱梁腹板施工中的经验取得，由于设计人员的经验不同，导致腹板斜向开裂。

3.3 腹板水平裂缝

腹板水平裂缝的产生可以用弹性梁模拟分析，箱梁扭转因素导致梁弯曲，其扭曲应力为

与翘曲应力对应的剪应力计算式为

水平向扭曲作用力的计算式为

在箱梁壁较厚时，可以用简单梁模型指导，假设腹板在翘曲时边界的尺寸不变，许多设计人员在设计中考虑扭转引起的内力，但是在腹板尺寸较小的情况下，边界截面不翘曲的前提条件，在正负对立的前提下，相关截面不仅有扭转现象，而且会引起扭转的剪应力，箱梁腹板发生竖向扭曲现象。竖向扭曲和腹板扭转的应力使箱梁腹板水平开裂。因此，如果不采用横向预应力钢筋，容易产生与桥轴平行的裂缝。

4 结束语

通过对北碚嘉陵江大桥箱梁腹板裂缝的观测，总结裂缝分布和发展的规律，归纳出预应力腹板裂缝的力学成因，找出预防该类裂缝的措施。在设计预应力混凝土箱梁桥时可以改进：

1）在进行预应力混凝土连续箱梁桥设计时，要考虑箱梁腹板开裂后新的内力情况，需要重新计算跨中、墩柱处的内力，通过内力的状况分配剪应力较小的负弯矩处纵向腹板预应力筋，防止腹板弯曲裂缝。

2）对墩柱边的箱梁腹板上部，应预留50%的竖向预应力钢筋损失，加强腹板上缘斜裂缝集中处的预应力筋分布。同时，增加腹板上部构造钢筋与中部竖向预应力筋在墩柱处的预留段共同抵抗腹板的主扭应力，减少桥梁运营中的腹板斜向开裂。

3）由于箱梁腹板扭转和横向变形产生的额外内力，需要通过增加横隔板数量或者分布横向预应力筋才能抵抗腹板与板顶结合处纵向开裂。当垂直平面处具有一定的曲率时，通过布置横向预应力筋来抵抗纵向预应力钢筋的曲率产生的径向作用力，以避免顶腹板纵向开裂。

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