连续箱梁桥腹板斜裂缝的技术研究

张西丁，潘志强

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

连续箱梁桥腹板斜裂缝的技术研究

张西丁，潘志强

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

连续箱梁桥的腹板斜裂缝是近年来箱型桥梁的突出问题，本文围绕箱梁腹板斜裂缝的影响因素和控制措施，从设计和施工管养两个方面进行了分析，提出了计算模式、腹板厚度、预应力筋布置形式、温度、混凝土收缩徐变、施工不当是影响箱梁腹板斜裂缝的主要因素，并分别对它们进行了分析，得出了箱梁腹板斜裂缝的控制措施。

腹板斜裂缝；腹板厚度；预应力筋；温度应力；混凝土徐变

1　箱梁腹板斜裂缝简介

1.1连续箱梁桥存在的问题

近年来，我国公路桥梁建设飞速发展，桥梁的设计技术与施工技术日新月异，都已达到相当高的水平，尤其是预应力混凝土连续箱梁桥得到了广泛应用。但是，由于预应力混凝土连续箱梁桥在设计理论方面相对不完善，施工质量存在不同程度的缺陷，同时运营时经常会出现负荷超载对桥梁结构的破坏以及养护管理工作不力等，这些因素的综合作用使得这类已建桥梁大多出现了一系列病害，这些病害中的一个突出问题是箱梁部位的裂缝。

在这些已发生的裂缝当中，危害最大的是影响结构正常使用或者结构耐久性的箱梁腹板主拉应力裂缝，该腹板裂缝集中在25°～45°，为斜裂缝，主要出现在连续箱梁桥的边孔现浇段、L/4截面附近或者梁腹厚度变化区段。例如，河南省三门峡黄河公路大桥，该桥建成于1993年，仅仅运营了短短7年，主桥(连续刚构)箱梁很多梁段的腹板就出现了斜裂缝；风陵渡黄河公路大桥于1994年11月竣工通车，几年后，主桥(连续梁)箱梁梁体在一些部位出现了不同程度的腹板斜裂缝；黄石长江大桥(连续刚构)于1995年竣工，使用一年后便发现腹板出现斜裂缝；东明黄河大桥预应力混凝土箱梁在L/4截面附近梁腹板表面出现与顶板呈25°～50°的斜向裂缝，大多由顶板与腹板交界处开始，向下延伸至1/3～1/2梁高处，基本与主拉应力方向垂直。这些斜裂缝不仅会削弱桥梁结构的强度和刚度，还会加速钢筋锈蚀。而钢筋锈蚀则会引起体积膨胀，从而使混凝土开裂，破坏混凝土的受力性能，降低材料的耐久性能和桥梁的承载能力，影响桥梁的美观及使用寿命，严重时很可能引起交通事故。

1.2腹板斜裂缝的表现形式

斜裂缝又称主拉应力裂缝，它是预应力混凝土箱梁桥中主要的裂缝，与桥梁轴线夹角为25°～50°，出现在连续箱梁桥的边孔现浇段、L/4截面附近或者梁腹厚度变化区段，而且随着时间的推移裂缝不断发展，并逐渐向跨中发展，如图1所示。

图1　预应力连续箱梁桥中跨、边跨腹板斜裂缝示意

大量的工程实例调查分析和研究发现，悬臂节段施工的大跨度预应力混凝土箱梁桥腹板斜裂缝主要有以下几个特点：

（1）裂缝一般在L/4跨附近较早出现，数量密集，而后向跨中与支座方向发展。

（2）从竖向发展趋势可以将腹板斜裂缝分为三种典型类型：a.在中性轴附近发生向上下发展的斜裂缝；b.从顶板与腹板交界处发生而后向下发展的斜裂缝（最常见）；c.从底板锚固齿板后端发生而后向上发展的斜裂缝。

（3）裂缝开展宽度一般在0.15～0.5 mm，且夏季缝宽较冬季有所增大(增大约20%)，较宽裂缝贯穿腹板。

（4）裂缝与主轴线成大约45°(20°～60°)角，与主拉应力的方向基本垂直，在结构上呈良好的对称性，通常腹板内侧的数量较多。

（5）腹板裂缝不能自动闭合。

（6）腹板裂缝与跨中下挠同时发生。

腹板斜裂缝作为破坏性的结构裂缝，一旦出现，对箱梁桥的耐久性和运营安全将构成很大的威胁。腹板斜裂缝尤其是某些贯穿性裂缝的出现，不仅导致桥梁结构刚度和强度的降低，还会加速钢筋的锈蚀，而锈蚀的钢筋则会引起体积的膨胀，从而使混凝土开裂，进一步破坏混凝土的受力性能，降低材料的耐久性和结构的承载能力。

2　连续箱梁桥腹板斜裂缝的影响因素

对于预应力混凝土腹板开裂现象，国内外学者和工程师总结了很多影响腹板出现斜裂缝的原因。实际上，腹板裂缝的成因复杂繁多，有时多种因素相互影响，每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。总体而言，腹板斜裂缝的产生无外乎由设计、施工和养护管理两方面引起。

2.1设计因素

2.1.1计算模式

现在对连续箱梁桥的计算大多采用平面杆系模型，较少采用三维实体单元模型。对于宽跨比较大的桥梁，将空间结构简化为平面结构，则扭转、畸变效应产生的剪应力不能忽视，以抗弯横向分布系数代替抗剪横向分布系数也导致误差增大。此外，对于受力复杂而且集中的区段，往往缺少必要的手工计算和理论判断。若采用的力学模型与实际结构不符，则理论计算结果与实际受力情况偏差较大。斜裂缝通常出现在支点附近，而支点设置有横隔板、预应力锚头等使构造复杂、受力集中，更容易使计算偏差过大。

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）对预应力混凝土受弯构件的计算仅考虑了竖向预应力作用，与结构实际应力状态有差异。实际上，不仅竖向预应力效应会导致腹板产生竖向应力，而且存在顶板和腹板上锚固的纵向索局部锚固效应、横向预应力横向效应、自重效应、活载偏载效应和温度横向效应等，这些因素均会导致腹板产生竖向应力，在计算中这些应力值往往也是不能忽略的。

2.1.2腹板厚度

腹板厚度采用不同的变化形式，将对主拉应力产生较大的影响。腹板全桥采用同样的厚度时，梁根部主拉应力最大，最容易导致腹板斜裂缝。然而，腹板厚度由桥墩处向跨中变化过快也将造成比较不利的主拉应力情况出现。因此，必须合理设计箱梁腹板厚度的变化形式，在腹板内不造成较大的主拉应力。

2.1.3纵向预应力筋布置方式

大跨径后张桥梁结构的预应力配筋多为曲线形式，有些情况下，这种配筋方式会引起混凝土结构开裂。例如，箱梁底板上的预应力筋在端部弯曲到腹板上锚固时，将在底板产生拉应力；同样，斜腹板内的曲线力筋锚固到顶板上后也会对底板产生横向拉力，这些都容易造成底板的纵向开裂。同时，曲线预应力筋在径向对混凝土产生的压力能起到线荷载的作用，从而在与曲线预应力筋平面垂直的方向上产生拉力即劈裂应力。大跨径桥梁的主预应力筋产生的劈裂应力是相当可观的，常常导致混凝土结构出现纵向开裂。通过对设置顶板下弯钢筋束和不设置顶板下弯钢筋束两种情况的比较，发现设置顶板下弯钢筋束的腹板主拉应力明显小于不设置顶板下弯钢筋束的主拉应力。因此，是否设置预应力顶板下弯钢筋束对控制腹板斜裂缝的形成有较大的影响。

2.1.4竖向预应力筋布置方式

腹板斜裂缝出现的常见位置是边跨现浇段、梁端附近和跨中处，而这些位置的梁高在大跨变高度梁桥的全桥来看是最小的区段。由于梁高较小，竖向预应力筋的长度比较短，张拉时高强精轧螺纹粗钢筋的伸长量有限，如果锚固时稍有不慎，将造成钢筋回缩量偏大，预应力损失可达近50%。此外，竖向预应力筋的布置一般要求顺桥向间距在0.5～0.7 m，预应力效应从端头按26°扩散角传递，在相邻力筋之间会形成预应力的不连续，即预应力空白区。如果竖向预应力筋间距过大或梁高过小，则预应力空白区可延伸至腹板上部，可能引起腹板斜裂缝。

2.1.5温度应力

在桥梁设计中，目前的习惯是将体系温差和日照温差（温度梯度）分别考虑，日照温差对混凝土梁式桥的影响远远大于体系温差。箱梁的温度梯度的作用，相当于在箱梁上作用一个附加弯矩，该弯矩增加了腹板的剪应力和正应力，进而影响主拉应力，所以温度应力对预应力混凝土桥梁设计的重要性是显而易见的。如果在设计时温度梯度模式的选取有问题，可能计算得到的温度应力相差很大，甚至计算结果是异号，这可能导致在结构设计上出现问题，此时即使是增大温度应力设计值，也无法保证结构的抗裂性。

计算和实际工程观测表明，温度应力产生裂缝最多最常见的部位是支座附近和跨中处。这就要求在设计时应加强支点附近和跨中附近截面在多种荷载组合下的组合应力验算，特别是主拉应力的校验，确保控制主拉应力满足规范的有关规定。与此同时，还需采取一些适当的构造措施，常规的做法是在验算控制截面附近布置一定数量的非预应力筋，以使裂缝分布均匀，控制温度裂缝的发展。

2.1.6混凝土收缩、徐变

混凝土收缩、徐变是混凝土结构中的基本问题之一，影响混凝土结构的长期使用性能。现代施工技术的发展使得钢筋混凝土桥梁结构工程能够快速地施工，钢筋混凝土受力构件在施工期的内力，可能等同于或大于结构的成桥受力(如大跨度连续刚构桥在边跨合龙前的悬臂状态)。由于混凝土裂缝的出现及其较低的早龄弹性模量，这些结构(构件)在施工期荷载的作用下会产生较大的瞬时挠度，同时由于收缩及伴随高强应力而发生的徐变，结构的时效变形可能会大得无法接受。因此，在桥梁结构设计中，收缩和徐变的影响是不可忽视的。徐变带来的应力重分布和预应力损失都可能导致桥梁运营过程中主拉应力的增大，进而影响腹板斜裂缝的产生。

2.2施工和养护管理因素

2.2.1施工组织不合理引起微裂缝

施工组织不合理或不协调常导致梁体产生微裂缝，这些微裂缝削弱了截面的有效面积，导致裂缝处的剪应力骤然增大，引起斜裂缝。

（1）混凝土浇筑顺序不当。混凝土的浇筑顺序对于大跨度桥梁的施工质量至关重要。例如悬臂施工时，在挂篮上浇筑混凝土由里向外；满堂红支架浇筑时，从支点到跨中浇筑混凝土。这些不合理的浇注顺序，由于挂篮和支架不均匀沉降与变形，会引起初凝的混凝土产生极微小的垂直裂缝。

（2）箱梁底板、腹板、顶板分层浇筑，间隔时间过久。后浇筑的混凝土因降温收缩等产生的收缩力，不足以压缩前一层混凝土，从而产生微小差动裂缝。

（3）模板和底座约束产生差动裂缝。箱梁浇筑后，腹板两侧的侧模若不及时拆除(曾出现某桥运营后，发现内模没有拆除)，则模板和混凝土间的摩擦力阻止腹板收缩，引起微小差动裂缝。预制梁若在底座上存放过久，而没有及时合理存放，则收缩与徐变也可引起腹板微小差动裂缝。

2.2.2预应力束张拉

预应力筋张拉时没有达到设计要求的张拉力。预应力筋张拉力达不到设计值和波纹管就位时偏离了设计的坐标值，对腹板内力造成不利影响。预应力筋张拉完毕后，没有按设计要求灌浆,有时甚至不灌浆，导致预应力筋锈蚀或预应力筋的有效预应力降低。竖向预应力束通常采用精轧螺纹钢筋，但一般缺乏严格检查和特殊控制措施，从锚板、垫板放置到张拉工艺，重视程度也显不足，回缩及松弛可能使其实际预应力只有设计预应力的75%左右。另外，竖向预应力束张拉时间上往往滞后悬臂预应力束较多，未能使腹板较早呈双向受压状态，而可能使短龄期的腹板混凝土在较大悬臂活载及恒载作用下形成“暗伤”。

2.2.3管理养护

桥梁运营期的管理养护也是影响桥梁病害的一个很重要方面。这其中需要避免的一点就是运营期的使用荷载超限。超载是公路交通中普遍存在的问题，当汽车荷载超载时，活载产生的应力也会相应增加。如对于（146+256+146）m连续刚构桥，当汽车活载超载50%时，活载在L/4位置的腹板中产生的主拉应力就会增加0.176 5 MPa（未考虑扭转效应）,如果同时考虑扭转效应，则超载引起的主拉应力值则达0.337 MPa。

3　连续箱梁桥腹板斜裂缝的控制措施

上文已经从设计和施工运营两个方面就影响箱梁腹板斜裂缝的因素进行了详细分析，连续箱梁桥腹板斜裂缝的控制主要集中在这两个方面。

3.1设计方面

（1）探索合理的箱形桥梁计算模式。采用整体计算和局部计算相结合的方式来进行箱梁的设计。对全桥结构内力的分析，可建立平面杆系整体模型，从整体上把握桥梁结构的受力。对局部受力不明确的地方，需要建立三维实体结构模型，这样才能更准确地掌握局部的受力情况。

（2）选择合理的腹板厚度。腹板厚度的变化形式对主拉应力的影响很大，所以截面腹板厚度的变化处理方式应慎重考虑，应尽量采用较为缓和的变化形式。箱梁的腹板厚度不宜太薄，除了应当满足预应力束管道通过的要求外，还必须有足够的空间布置普通钢筋。

（3）选择合理的预应力筋的布置方式。顶板纵向预应力钢筋束应设置一定数量的预应力下弯钢筋束，以提高箱形梁的斜截面承载能力。竖向预应力筋的间距应根据具体桥型经计算比较确定。在形式上可采用U形竖向预应力筋，单排或双排交错布置，这种竖向预应力钢筋束可以增加竖向预应力筋的拉伸量、减少锚头数量以及减小预应力空白区。

（4）合理布置非预应力筋。箱梁骨架钢筋设计时,应考虑箱体的顶板、底板共同参与抗弯、抗压、抗扭、抗剪作用,骨架钢筋不宜多而杂。通常情况下，骨架每肋以3～4排为宜，主筋的重叠最好不超过3排。在箱梁腹板内应设置一定数量的箍筋(如双肢箍筋)和弯起钢筋，可以降低箱梁的纵向预压应力，避免出现纵向裂缝，减小反拱度，改善结构使用性能。

（5）考虑温度、混凝土收缩和徐变的影响。现在大多数设计软件都能考虑温度、混凝土收缩和徐变，正确地模拟它们是关键。

3.2施工和养护方面

（1）加强管理，严格按照设计要求的水灰比配制混凝土。

（2）注重混凝土的振捣，确保混凝土的密实度；，同时要注意混凝土的养护，要有专人管理。

（3）注重混凝土的浇筑顺序，灌注闭合箱梁的次序和时间，首先浇筑底板、横隔板、腹板及两侧部分顶板；然后现浇剩余顶板及翼缘板，新老混凝土浇筑的时间差控制在3～6 d。

（4）在挂篮悬臂施工法中，挂篮布置位置的确定需进行局部验算，浇筑混凝土前，应对挂篮进行预压重，并由外向内浇筑混凝土。

（5）预应力筋的张拉严格按设计进行，预应力筋孔道定位偏差应控制在规范允许范围内，预应力筋张拉时应有质检人员全过程旁站，确保张拉力达到设计要求。一般采用分束张拉大吨位群锚的张拉工艺才能保证各根钢丝或钢绞线受力均匀。

（6）加强桥梁运营期间的养护管理。定期对桥梁的结构进行检查，发现问题及时解决，使桥梁的结构状态保持良好。

4　结语

本文从设计和施工管养两个方面对箱梁腹板斜裂缝的影响因素和控制措施进行了分析，得出了计算模式的选择、腹板厚度、预应力筋布置形式、温度、混凝土收缩和徐变、施工等是影响箱梁腹板斜裂缝的主要因素，并对它们一一进行了分析，得出了箱梁腹板斜裂缝的控制措施，对连续箱梁设计和施工具有一定的指导意义。

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重庆万兴路隧道明年建成通车

重庆市级重点项目万兴路隧道工程进展顺利，将于2017年建成通车，形成江北区观音桥商圈南侧区域东西向的一条分流通道。

万兴路隧道工程起于建新西路三期，终于兴竹路，与北滨路基本平行，长约1 048 m，是一条城市主干路，双向6车道，总投资约3.68亿元，项目于2015年8月开工建设。目前，隧道外土石方已完成90%，左线隧道开挖完成200 m，各项工作按计划推进，预计2017年底实现完工投用目标。

万兴路是位于观音桥商圈南侧区域的东西向城市主干路，西接建新西路四期终点，向东止于渝澳大桥下的华福路，依次分为万兴路隧道段、万兴路兴竹路至金源路段、万兴路金源路至华福路段。此前，兴竹路至金源段、金源路至华福路段已完工投用，唯有万兴路隧道段尚未建设。

U445.7+1

B

1009-7716（2016）03-0072-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.021

2015-12-09

张西丁（1989-），男，河北人，硕士研究生，助理工程师，从事桥梁与结构设计工作。