箱梁腹板裂缝的机理分析及预防措施

王　蔚,杨　凯（兰州交通大学,兰州　730070）

箱梁腹板裂缝的机理分析及预防措施

王蔚,杨凯
（兰州交通大学,兰州730070）

摘要：随着预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝成为一个普遍而复杂的问题，人们给予了越来越多得重视，并设法通过采取措施将其控制在一个容许的裂缝宽度之内。本文总结了预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝出现的规律，对其作用机理进行了简要的分析，并对腹板裂缝的预防和控制提出了针对性的建议。

关键词：裂缝;作用机理;预防控制

1　腹板斜裂缝

（1）边跨现浇段和支座附近至L/4跨范围两侧腹板25°～50°斜向裂缝。如图1所示。分析认为，这种裂缝属于结构性裂缝，出现这种裂缝主要是承受了较大的剪应力而腹板抗剪能力又不足以满足所产生的过大主拉应力要求所引起的。

图1　预应力连续箱梁桥腹板斜裂缝示意图

在忽略腹板厚度方向的应力状态情况下，将箱梁桥复杂的空间应力状态简化为双向应力作用下的平面应力状态，忽略横向正应力，在双向应力状态下，主应力计算公式为：

由式（1）可知，竖向预应力的存在，能大大减小主拉应力。设计中首先计算出箱梁桥腹板的主拉应力，然后通过合理的调整竖向预应力筋的数量和间距来减小甚至完全消除主拉应力，使得第一第二主应力均为负值（压应力），不超过混凝土的极限抗拉强度，以此来控制腹板斜裂缝。

可对于变截面箱形梁桥，边跨直线段箱梁高度较小（高跨比通常为1/25），导致竖向精轧螺纹钢筋长度较小，施工中往往由于孔道布设不合理和张拉压浆质量难以保证，导致竖向精轧螺纹钢筋中的永存预应力损失过大，往往主拉应力大于极限拉力，裂缝难以避免的出现。为了避免预应力混凝土连续箱梁的弯起束摩擦损失较大，也为了方便施工，现在的箱形梁桥多采用纵向预应力束和竖向预应力粗钢筋的组合布索方式来取代弯起束，通过调整竖向预应力，把主拉应力减小到一定范围之内，进而控制裂缝的产生，这在理论设计计算中是可行的，可实际上取消弯起束采用这种组合布索方式的预应力箱梁还是不可避免的出现了与水平方向呈45°的斜裂缝。

在设计中对于不同布索方式的选择要充分考虑由于施工难度大，施工质量难以证引起的预应力尤其是竖向预应力损失，进行充分的论证，不可盲目的为了施工方便而采用纵向预应力束和竖向预应力粗钢筋的组合布索方式，必要时可以增设弯起束，调整竖向预应力筋的间距，增加腹板的厚度，加密箍筋；同时为了消除主应力空白区，应对箱梁斜截面的抗裂能力进行考虑，适当增加非预应力钢筋尤其是弯起钢筋来配合预应力钢筋提高斜截面抗裂承载能力；由于梁高的限制边跨梁端抗剪能力差，为了避免梁端剪应力过高，设计中应选择合适的边跨和中跨的比例。施工中要对预应力的孔道布设和压浆工艺进行优化，以保证较短的预应力筋在施工完成之后有充足的有效预应力，从而将主拉应力控制在不超过极限抗拉强度的范围内，避免腹板斜裂缝的出现。

（2）锚固区出现的的腹板斜裂缝。西南交大结构所通过试验研究，建议对箱梁分段施工的湿接缝混凝土抗拉强度取0.53的折减系数予以折减；美国《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》也规定在计算接缝混凝土强度时，应分别乘以抗弯和抗剪基本强度折减系数，这样接触面只存在很低的混凝土抗拉强度。而采用后张法的悬臂浇筑预应力混凝土箱梁桥在悬臂施工中，预应力筋往往锚固在接触面上，由于预应力筋的锚固所形成的局部高压应力会在锚头后会产生拉应力，而锚固区的混凝土抗拉强度折减后很小，如果设计时这一区域的受拉钢筋配置又不合理，在接缝面上的锚固区往往会形成粗裂缝。

因此对锚固区进行分析，计算锚后拉应力，合理布设间接钢筋和闭合式箍筋，是预防锚头处附近产生开裂的有效措施。

2　腹板水平裂缝

该类水平裂缝主要发生在箱梁桥腹板上缘，位于边跨支座附近和中跨L/4～3L/4之间，分析认为，这主要是竖向正应力超过应力限值所引起的裂缝。

现代混凝土箱梁桥跨度越来越大，特别是对于腹板间距大，横隔板较少的箱梁，由于采用经典梁理论周边刚性假定分析箱梁桥的变形，而对箱梁桥空间畸变变形考虑不足，箱梁腹板会产生较大的竖向正应力，甚至大大超过设计应力，这是导致箱梁桥腹板产生水平裂缝的主要原因之一。因此，设计时重视对连续箱梁桥空间畸变变形的分析和研究，能很好地预防控制箱梁桥腹板水平裂缝的产生和发展。

3　腹板水平、斜向组合裂缝

该类组合裂缝：腹板上缘水平裂缝，腹板45°斜向裂缝，位于边跨支座附近L/4跨范围和中跨L/4～3L/4之间。分析认为，由于边跨支座附近是预应力钢筋锚固集中区，受力复杂，往往由于主拉应力而出现斜裂缝；同时跨中和边跨直线段由于梁高的限制抗剪能力差，竖向精轧螺纹钢筋较短，预应力损失严重，竖向正应力作用下出现水平裂缝，如图2所示。鉴于梁高较小区段竖向预应力损失过大，设计时可以考虑采用平行刻痕钢丝，墩头锚体系来代替精轧螺纹粗钢筋。

从预应力混凝土连续箱梁桥腹板裂缝形成的机理来看，混凝土裂缝是一个复杂的问题，是多种因素相互作用的结果。正确的认识腹板裂缝，应根据环境和混凝土的具体情况，首先分析裂缝产生的位置、特征和规律，随后分析裂缝产生的机理，最后有针对性地从多方面采取预防控制措施。

图2　腹板水平斜向组合裂缝

参考文献：

[1]范立础主编.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社，1988.

[2]中华人民共和国行业标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62-2004）[S].北京：人民交通出版社,2004.

[3]吕建鸣,陈可.预应力混凝土箱梁腹板主应力分析[J].公路交通科技,2005(10).