连续刚构桥箱梁底板裂缝成因分析及防治措施

陈　成

(咸宁市咸安区公路管理局　咸宁　437000)

连续刚构桥箱梁底板裂缝成因分析及防治措施

陈成

(咸宁市咸安区公路管理局咸宁437000)

摘要针对连续刚构桥混凝土开裂，特别是箱梁底板裂缝的病害成因，对连续刚构桥底板预应力筋进行受力分析，分别从设计、施工等方面讨论了裂缝的产生机理。针对不同的成因，提出了相应的防治措施，主要包括优化设计、材料选择、严格控制施工质量等。

关键词连续刚构桥底板预应力筋裂缝成因防治措施

连续刚构桥是一种应用较为广泛的结构，具有很多优点[1]。而梁体开裂则是影响连续刚构使用的病害之一。因此，需要调查和分析各种裂缝发生的原因，提出相应合理的解决措施减少这种病害，从而提高我国桥梁建设品质。

国内有不少学者以体外预应力在连续刚构桥加固中的应用为例，分析了裂缝情况和病害原因，运用了体外预应力加固方法，对箱梁结构的竖向位移和混凝土应力进行分析计算[2-3]。本文对连续刚构桥底板预应力筋受力和箱梁底板开裂的原因进行分析，并提出了相应的防治措施。

1底板预应力筋受力及裂缝成因分析

1.1　底板预应力筋受力分析

桥梁规范规定[4]：按正常使用极限状态设计时，预应力应作为荷载计算其效应。对于变截面连续刚构桥，在张拉预应力筋时，必然使截面产生与使用荷载作用方向相同的附加荷载即均布横向力，称为附加荷载效应，设计时应充分考虑。当钢束在平面或纵面上曲线布置时，具有横向或纵向曲率的纵向预应力筋束在张拉过程中会产生对腹板或底板混凝土的径向压力。下面来分析连续刚构桥按桥的立面线形布置的预应力筋对底板产生的效应。

取一小段底板预应力筋进行分析，其受力情况见图 1，在S-S轴上列力的平衡方程为

(1)

一般情况θ很小近似取sinθ≈θ，得

(2)

图1　微段预应力筋受力分析示意图

从式(2)可以得到：①径向力q(x)随变截面箱梁底板的预应力筋曲率半径的增大而减小；②若刚构桥的箱梁高度以及箱梁底板厚度按抛物线变化(见图2)，抛物线方程为y=axb，经过(l/2，h)时，得y=h(2x/l)b，根据半径公式R=( 1+y’2)2/y”, 代入式(2) 得：

(3)

图2　预应力筋张拉引起的径向力示意图

一般情况1

1.2　裂缝的成因

结合底板的预应力筋受力分析，连续刚构桥底板纵向裂缝主要是由于底板钢束沿梁底曲线布置，其对底板必然产生一个曲线径向力，当这个力过大时，就有可能产生裂缝[5]；另一方面，钢束出现转折时，对底板有应力集中的不利影响。

1.2.1设计方面

(1) 未采用横向预应力。箱梁底板在垂直平面处具有一定的弯曲率，因此，预应力钢束必须要按照这种曲率来布置。根据预应力的等效载荷原理，钢束的曲率会产生一个向下的载荷，这种载荷必然会受到腹板之间底板的横向弯曲的抵抗，见图3。此时，当横向预应力束不足或者底板截面尺寸过小时就会导致底板产生纵向裂缝。桥梁结构构件在承受轴向力时，轴向力长度会受到弹性压缩会缩短，在与其垂直的方向则会由于材料的泊松比而发生拉应力的变化。 当正应力的储备值过高时，其垂直方向的拉应力就会发生较大的变化，这时就有可能会沿着预应力管道出现裂缝，引起严重的后果。

图3　底板预应力筋受力简图

(2) 桥梁结构自重引起的上部结构内力是一定的，预应力的大小可以导致不同的内力分布，能改变上部结构内力分布。以往的桥梁设计中，设计人员一直忽视了上部结构弹性内力分布对桥梁运营时效弹性下挠的影响。目前连续刚构桥的分析计算多采用平面杆系程序。该类分析软件能够分析由预应力、收缩徐变及温度引起的结构纵向弯曲变形时结构的受力，然而，对于复杂的空间结构，剪力滞效应是会发生变化的，在整体分析计算时，平面杆系程序很难精确模拟这种变化，使得计算结果与实际受力情况存在一定偏差。设计理论、假设状态与箱梁实际受力状态不一致是普遍存在的问题，由此导致的应力把握不准，同样会造成箱梁发生开裂。

1.2.2施工方面

(1) 混凝土的强度未达到设计要求。这主要是施工工艺上的原因。还有可能是因为工期过于紧张，施工单位需要抢工期，而在混凝土龄期未达到设计要求时就张拉预应力钢束，导致了箱梁底板纵向裂缝的产生。

(2) 钢束定位成折线形。预应力管道在梁段上的位置与设计图纸理论位置不符， 很可能将原先设计的圆弧形或抛物线形钢束定位成线形，导致折点处应力集中，产生远大于设计要求的应力，使底板局部开裂。

(3) 合龙时存在合龙高差。对悬浇施工的桥梁，设计者往往是按理想状态对桥梁进行设计，桥梁合龙时两悬臂端合龙高差为0。由于施工中存在不确定影响因素， 加上没有进行严格的施工控制， 实际合龙时两悬臂端都存在一定的合龙高差，有时甚至达到几厘米。此时如不采取相应的措施进行处理就合龙，则很可能出现上述第二点的情况，使底板局部剥落或开裂。

2防治措施

2.1　设计方面

底板裂缝会使主梁刚度降低，挠度加大，从而进一步引起梁体开裂。高跨比是影响主梁受力的主要参数，适当地增大粱高，可以加大主梁刚度，使主梁应力状态明显改善[6]。

鉴于连续刚构桥l/4跨截面剪应力较大，可优化梁底线形，适当减小抛物线次数，以增加该处截面高度，这对于避免出现裂缝十分有利。

适当增加箱梁底板的厚度和合龙段附近的底板横向钢筋，使底板有足够的强度抵抗底板所受的最大弯矩，同时底板应配置抵抗径向力的箍筋，即上下2层钢筋之间增设强劲的蹬筋连接，以增强上下层钢筋的整体性。

2.2　施工方面

连续刚构桥的施工主要是采用挂篮施工，在施工中控制施工质量是非常重要的，主要采取以下措施：

(1) 施工单位应重视钢束的定位，适当加密波纹管的定位钢筋，防止钢束成折线形布置。

(2) 预应力在张拉前，混凝土的强度应达到90%以上，有条件的情况下，混凝土强度应达到100%再完成张拉。

(3) 大跨连续刚构桥施工过程中一定要进行严格的施工监控，保证两悬臂端的合龙精度，减小因合龙段高差带来的钢束转折， 同时密切关注底板是否有纵向裂缝，以便尽早发现并解决问题。

3结语

通过对连续刚构桥底板预应力筋进行的受力分析，总结了底板裂缝在施工方面和设计方面的主要成因，并提出了相应防治措施。关键是设计时应认真验算，合理布置底板构造钢筋和预应力束，确定合理的底板厚度；施工时，精确定位波纹管的理论设计位置，尽量减少两悬臂端的合龙高差，确保施工质量。

参考文献

[1]马保林．高墩大跨连续刚构桥[M]．北京：人民交通出版社，2000．

[2]王勇.某连续刚构桥病害分析及加固方法的研究[J]．山西建筑，2007，33(31)：314-315．

[3]冯鹏程.连续刚构桥设计关键技术问题的探讨[J].桥梁建设，2009(6)：46-49．

[4]万国朝,黄邦本.预应力混凝土桥梁分段施工和设计[M]．北京：人民交通出版社，1984．

[5]杨古新，杨吉旺，李克银.预应力空心板数值分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007(5)：827-830.

[6]JTGD62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004．

Causes Analysis and Treatment Measures of Crack on

Box Bottom Slab of Continuous Rigid Frame Bridges

ChenCheng

(Highway Management Department of Xian'an District, Xianning 437000, China)

Abstract：According to the concrete cracking of continuous rigid frame bridge, especially the causes of crack of box girder floor, bottom prestress tendon of continuous rigid frame is analyzed with mechanics. Mechanisms of crack formation are discussed from the aspects of design, construction respectively. According to different causes, the corresponding prevention measures are put forward, including optimized design, material selection, and control construction quality, etc.

Key words:continuous rigid frame bridge; bottom prestress tendon; causes of crack; treatment measures

收稿日期：2015-03-09

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.017