大跨径连续刚构桥裂缝分析及处理方法研究

王玉龙

【摘 要】连续刚构桥是指墩梁固结、主梁连续的新型桥梁形式，在结构上其具有更好的受力性、经济性，在实际运营方面，其具有更好的经济性，在外观上，更加协调美观，但是，随着我国连续刚构桥的普遍使用，我国在建的服役期内的大跨径连续刚构桥出现了各种形式的箱梁裂缝问题。产生这类问题的原因很多，涉及到结构理论、桥梁规范、设计计算、施工工艺、建筑材料等多个方面。本文对常见桥梁裂缝进行分类、并分析其产生的原因、根据分析的原因对其处理方法进行研究。

【关键词】连续刚构桥；裂缝；裂缝治理

0 引言

连续刚构桥是指墩梁固结主梁连续的桥梁形式，是在T形刚构的基础上，减薄粗厚桥墩而转变为柔性墩，形成的一种新型的主梁连续的桥梁结构体系。其部分梁体结构的混凝土收缩徐变、温缩变形可以通过柔性墩的水平位移来消除，相较于其他结构形式的梁体，连续刚构桥的受力状态更为合理；连续刚构桥的跨中梁高较小。在结构上相比与连续梁，在施工阶段不需要对桥墩临时固结，因此连续刚构梁在结构上更为合理，更具有经济性。在以往的工程实际中的统计得知，对于同一跨度桥梁，采用连续刚构桥要比采用混凝土斜拉桥的工程造价降低20%～30%。而在同样100年的服役期间，需要对斜拉桥进行3次换索，而换索的费用已经达到新建桥梁的费用，同时连续刚构桥在服役期间所需要的维护费用相较于其他形式梁体的维护费用也较为经济。连续刚构桥的综合建造费用约为拉索桥的造价的一半左右。

但是，随着我国连续刚构桥的普遍使用，我国在建的服役期内的大跨径连续刚构桥出现了各种形式的箱梁裂缝问题。且由于出现箱梁裂缝病害问题的桥梁较为普遍，已成为大跨径悬臂施工刚构桥的技术通病。产生这类问题的原因很多，涉及到结构理论、桥梁规范、设计计算、施工工艺、建筑材料等多个方面，因此有必要对连续刚构桥的裂缝必要的研究和探讨。

1 箱梁裂缝分类及其产生原因

1.1 桥梁裂缝分类

箱梁裂缝从安全性分类可以分为结构裂缝和非结构性裂缝，其中结构性裂缝对结构的安全性影响较为大，而非结构性裂缝对结构的安全性影响较小，对桥梁结构的耐久性影响则较为巨大，对于作为预应力结构的连续刚构桥，非结构性裂缝也存在着不容忽视的危险性。因此，在对连续刚构桥的裂缝分析中，结构性裂缝和非结构性裂缝都需要给与足够的重视度。

裂缝按照其形态可以分为纵向裂缝、横向裂缝及斜裂缝；按照裂缝开展因素分类，可以将裂缝分为：行车荷载引起裂缝、温度变化引起裂缝、收缩变形引起裂缝、桥梁基础变形裂缝、施工材料质量引起的裂缝、施工工艺质量引起的裂缝。

1.2 桥梁裂缝成因

1.2.1 顶板横向裂缝

顶板横向裂缝在预应力连续刚构桥的服役期中出现较少，其有以下几个原因：

（1）在箱梁负弯矩峰值附近，由于弯曲应力过大超过混凝土开裂极限应力而导致的局部横向裂缝。

（2）在沿着箱梁高度方向的日照温度梯度变化，在设计中考虑不足，在日间温度升高后，随着夜间温度的下降，可能在顶板产生横向裂缝。

1.2.2 顶板纵向裂缝

在跨中合拢段的顶板位置一般出现纵向裂缝。常见的导致裂缝的原因如下：

（l）合拢段顶底板纵向裂缝，主要是由于温度及收缩作用引起的沿合拢段顶底板薄弱部位通长分布出现的裂缝。

（2）在顶板没有设置横向预应力筋产生的纵向裂缝。

（3）顶板横向弯矩主要受行车荷载影响，对于行车荷载的考虑不足，道路运营期间超载很容易导致纵向裂缝。

（4）箱梁内外温度变化不同，由于内外温差，产生次应力也会导致开裂。

（5）设计过大的纵向预应力，其造成横向拉应力超过混凝土的抗拉强度。

1.2.3 底板斜向裂缝

底板斜向裂缝在工程中也是比较少见的，根据以往的研究认为其产生的主要原因有以下两种：

（l）由箱梁扭转所引发，虽然箱梁具有强大的抗扭刚度，在设计中假使未考虑弯剪扭共同作用就有可能由于箱梁之间的协同扭转而出现裂缝。

（2）由底板齿板局部集中受力所引发的裂缝。

1.2.4 底板横向裂缝

底板横向弯曲裂缝是结构性裂缝的一种，出现的原因包括：

（l）预应力布设不当，跨中底板预应力储备不足或存在过大的拉应力。

（2）施工荷载超重，混凝土模板或支架变形。

（3）箱梁高度方向的日照温度梯度，考虑不慎，升温时可能在底板产生横向裂缝。

（4）预应力张拉不到位或运营中超重车辆过多或对二期恒载估计不足导致配筋或截面不足。

（5）齿板设计不当，导致齿板前底板拉裂。

1.2.5 腹板水平裂缝

腹板水平裂缝多见于主跨L/4～3L/8之间的腹板，出现的原因主要有：

（l）在设计中没有考虑所设计的箱梁实际变形不符合计算理论采用的刚性周边假定，对扭转变形的约束设置太弱，出现截面变形。

（2）在设计中箱梁内外部温度差未充分考虑，并未采取有效的措施预防。

1.2.6 腹板竖向裂缝

腹板的竖向裂缝有多种形式，结构性的和非结构性的都有。其产生机理主要有以下几点：

（l）腹板收缩裂缝多出现在箱梁的现浇施工中，由于未充分考虑模板对腹板的摩擦约束，使混凝土收缩受到阻碍。

（2）竖向拼接裂缝易见于各节段的拼接缝处，即腹板拼接缝开裂，通常伴随顶板或底板的横向开裂。

2 对箱梁裂缝的处理与整治措施

2.1 设计和施工中应注意的问题

2.1.1 消除温度对梁体的影响的措施

消除温度影响的办法有：一是，减少水化热温，可以通过降低水泥用量实现，或者采用低水化热特种水泥；二是，做好养护过程中的保温工作。

2.1.2 严格控制水灰比

局部收缩裂缝在工程中较为常见，普遍的是由于局部水灰比过大引起的，提高混凝土振捣质量和同时严格控制施工中的水灰比是预防此类裂缝的主要措施。在实际施工中，正常的混凝土配合比的水灰比是小于0.5的。为了减少收缩量，水灰比可以控制在0.35～0.45之间，并采取掺减水剂等措施。

2.1.3 控制水泥用量

由于水泥用量偏大可以引起较有规律的收缩裂缝。这种收缩是整体的，因此经常造成有规律的长裂缝。施工时应尽可能降低水泥用量。此外，可以在混凝土中添加一些粗骨料，以减少水泥用量。

2.2 消除预应力引起的裂缝问题

2.2.1 竖向预应力的问题竖向预应力钢筋的张拉锚固工艺存在很大缺陷时，当锚垫板与预应力钢筋不垂直、锚固螺母拧紧的力度因无标准而随意性很大。锚固后造成较大的变形，引起预应力损失。因此在施工阶段，推行二次张拉工艺，即第一次张拉到设计拉力并锚固，7d后再进行第二次张拉。这些措施都可以有效的减小预应力的损失。

2.2.2 横向预应力束张拉引起的裂缝问题

在进行横向预应力束张拉时，箱梁悬臂板相应部分有向上的变形，如果这种变形过大，会在张拉点附近产生横桥向裂缝。对此采取的预防措施是至少滞后两个节段张拉横向预应力束。

2.2.3 沿纵向预应力管道裂缝

沿纵向预应力管道裂缝的处理预防措施是合理布置预应力束，如底板束尽量靠近腹板或改善截面，让管道两侧在一定的施工误差的情况下仍有足够的混凝土层。

3 结语

预应力连续刚构桥的裂缝产生的原因是复杂的多因素的，是各种因素综合作用的产物。要想有效的减少裂缝的产生，应该从设计、施工和运营管理等几个方面综合进行治理。本文对避免或减少开裂采取的技术措施进行了归纳总结。主要从温缩变形、收缩徐变和预应力影响等因素的影响对裂缝的成因进行分析，从设计阶段、施工阶段和运营阶段提出减少开裂的数项措施，此外还对因为混凝土龄期和纵向预应力横向变形引起的裂缝进行了讨论。综上所述，采用更先进的设计理论和设计方法，施工中严格进行施工监控，运营阶段加强健康监测，是能够达到避免或减少大跨径连续刚构桥裂缝的目标的。

[责任编辑：刘展]