预应力混凝土现浇桥梁几种裂缝成因及防治措施

李 斌

(广东省南粤交通投资建设有限公司,广东 广州 510101)



预应力混凝土现浇桥梁几种裂缝成因及防治措施

李 斌

(广东省南粤交通投资建设有限公司,广东 广州 510101)

介绍了预应力混凝土现浇桥梁常见的四种裂缝，针对各种裂缝的特点，分析了不同裂缝的产生原因，并提出了相应的防治措施，有利于提高预应力混凝土现浇桥梁结构的安全性与耐久性。

现浇桥梁，结构裂缝，腹板，顶板，质量控制

现浇预应力混凝土结构桥梁结构裂缝影响结构安全和耐久性。桥梁结构裂缝种类繁多，各种不同的裂缝的形态、出现部位、发展规律不同，产生的原因也不尽相同，对结构的影响程度不一，因而防治方法也不一样，必须针对其成因采取相应的防治措施。

1 腹板斜裂缝

1.1 裂缝特点

腹板斜裂缝属结构裂缝。腹板斜裂缝一般首先发生在剪应力大而截面抗剪能力不足的区域，集中在1/8跨～3/4跨之间，其中距支座L/4附近腹板斜裂缝数量较多，裂缝开展宽度一般在0.1 mm～0.5 mm之间,与梁轴线呈25°～50°开裂。随时间的推移，斜裂缝不断向受压区发展，数量增加，裂缝区向跨中方向发展。斜裂缝的另一个特征是箱内腹板斜裂缝要比箱外腹板斜裂缝严重(见图1)。

1.2 裂缝成因分析

腹板斜裂缝产生的根本原因是腹板混凝土主拉应力值超过混凝土抗拉极限强度导致开裂，从设计、施工到最后成桥的营运阶段，都存在着很多使得腹板所受的主拉应力增大的因素，且往往不是由某一单一因素引起，主要受如下几个方面的影响：

1)设计方面考虑不足。桥梁采用箱形截面，扭转、翘曲、畸变会使腹板中的剪应力加大，从而增大主拉应力。过去大跨径梁桥出现较多斜裂缝，重要原因之一是没有进行三维受力分析，不考虑横向应力的影响，必然使计算的主拉应力值偏小。

2)腹板主拉应力对预应力筋布设方式及竖向预应力大小影响非常敏感。现浇梁设计一般采用纵向弯起束或增设竖向预应力束的方式来提高梁体抗剪和增加腹板竖向预压应力储备。竖向预应力的大小对腹板主拉应力影响较大，计算表明，当竖向有效预应力仅为张拉控制力的30%,0%时，与有效预应力按50%考虑相比，腹板主拉应力分别增大40%和100%。

3)竖向预应力体系及施工质量控制问题。传统的竖向预应力设计施工中，采用的是精轧螺纹钢YGM锚固体系来提供竖向预应力，该体系存在较大的缺陷：a.张拉放张时回缩损失大；b.该预应力体系为刚性体系，对施工安装锚固螺母、预应力粗钢筋、锚垫板三者安装精度要求相当高，极易造成放张时锚固螺母拧不到位而导致永存预应力不足；c.张拉易发生断束，难以补救；d.压浆质量难以控制，压浆不饱满造成截面削弱。也有采用传统锚具预应力钢绞线作为竖向预应力的，但由于预应力筋长度短，仍存在锚固回缩值较大造成结构永存竖向预应力值不足的问题。

1.3 防治措施

从上述分析结果看出，竖向预应力的大小是影响腹板斜裂缝的关键因素之一，解决问题的关键就是要确保结构永存竖向预应力值。

1.3.1 设计措施

1)设计过程应该进行三维分析，充分考虑扭转、翘曲、畸变、日照温度等因素的影响，计算各种作用对箱梁主拉应力的影响，合理布置预应力束，使腹板剪应力在纵向和竖向预压力作用下产生的主拉应力不致过大。

2)方案措施。采用波形钢腹板结构，用波形钢腹板替代混凝土腹板，提高腹板抗剪承载力和抗裂性能。波形钢腹板箱梁典型截面图见图2。

1.3.2 工艺措施

从竖向预应力体系方面来解决是一种非常有效的方法。

二次张拉钢绞线预应力筋(如图3所示)是一种新型预应力体系，能从根本上解决该问题，该体系具有如下特点：

1)采用二次张拉工艺。第一次张拉钢绞线，使锚杯内的夹片夹紧预应力筋；第二次张拉锚杯，直至设计张拉力后，拧紧锚杯外螺母固定。通过二次张拉，极大程度地减小了张拉回缩损失，从根本上解决了短束预应力筋放张后由于夹片回缩值较大而降低了预应力效率的问题。实测表明，二次张拉锚固回缩值能控制在1 mm以内，以5 m长的钢绞线为例，经二次张拉后，回缩损失由24%降为5%。

2)试验证明，采用该型预应力体系，竖向预应力终值损失可以控制在20%以内。

3)采用柔性索体系，张拉过程易控制，有效减少了断束情况。

1.3.3 施工质量控制

在良好的设计和工艺的基础上，施工质量控制是关键。

1)混凝土质量。应特别注意混凝土强度、密实、分层浇筑时间控制。

2)预应力施工。a.管道定位一定要准确，与设计一致；b.竖向预应力张拉质量控制是关键，无论采用何种竖向预应力体系，结构永存竖向预应力必须予以保证，而对于竖向预应力筋长度较短，关键是要采取措施减少锚固回缩值；c.管道压浆必须饱满，减少对截面的削弱。

2 变截面梁底板纵向崩裂

2.1 裂缝形态及特点

该类裂缝为结构受力裂缝。一般在变截面连续梁、连续刚构桥合龙后张拉底板束的时候出现，最初在底板沿钢束布设方向出现纵向裂缝，随着张拉力不断增加，底板混凝土局部出现崩裂、掉块现象，情况严重的会发生底板整层沿着波纹管水平面崩裂现象。

工程实际中也发现，有的桥梁在施工过程中已经发生了轻微崩裂和层间剥离现象，但外观上无明显征兆而未进行处理，在通车几年才会出现底板崩裂(见图4)、掉块的现象。

2.2 裂缝成因分析

该类裂缝出现在变截面连续梁或者连续钢构桥底板，因底板预应力钢束与桥梁底板在立面内存在一定的曲率，正是由于这种曲率的存在，沿波纹管纵向方向存在径向力(见图5)。

该径向力作用下，底板横向跨中及梗肋处产生弯矩，波纹管道下部混凝土到局部受冲切力。如果结构底板抗力不足，就会发生受力破坏：底板跨中出现受弯拉应力裂缝、梗肋处呈剪切破坏形态、底板波纹管底部混凝土呈冲切破坏形态并伴随波纹管与底板上部混凝土剥离现象。

以某128 m跨连续梁为例，底板跨中配束26束φ15.24-15纵向预应力筋，竖弯半径R=380 m，等效荷载q=N/R=7.65 kN/m，采用平面框架法计算得到，底板跨中、底板梗肋处的混凝土拉应力达3.2 MPa和5.54 MPa。

2.3 防治措施

1)设计方面。

a.设计时底板尽量采用平缓的曲线，且尽量减少底板预应力束预应力的吨位。

b.加强设计验算。一是需对底板径向力效应进行专项分析计算；二是底板横向正截面配筋、斜截面配筋设计要进行验算；三是孔道间距布设形式应进行比选，控制最小间距；四是波纹管底部混凝土局部抗冲切验算，设置有效的防崩钢筋、勾筋等措施筋。

c.施工过程中，加强设计交底和对施工单位的指导，确保设计意图贯彻到施工中。

2)加强施工质量控制。

a.严格按图施工，施工过程中严格控制管道定位、底板厚度和线型、防崩钢筋及勾筋的数量和位置。

b.混凝土达到凝期和强度后再进行张拉，在张拉过程中应注意巡查，发现问题应立即停止施工，并采取相应的补救措施进行处理。

3 节段悬臂浇筑梁底板纵向裂缝

3.1 裂缝形态及特点

部分节段悬臂浇筑施工预应力混凝土箱梁，在挂篮模板前移后，即可发现底板纵向裂缝(见图6)，并呈一定的规律性：1)自节段根部向自由端延伸；2)底板靠跨中的裂缝基本为顺桥向方向，靠近底板边部裂缝端部往两侧稍微倾斜；3)在靠近0号块的节段，阶段内裂缝数量相比靠跨中节段要多；4)大部分裂缝宽度小于0.15 mm，裂缝上下贯通，有白色钙化物析出。

3.2 裂缝产生的原因

该类裂缝主要为混凝土在温降和收缩过程受到约束造成的。后浇节段混凝土在横桥向方向受到先浇段的混凝土约束作用不能自由收缩，导致混凝土内部产生拉应力超过混凝土抗拉强度而开裂,通过以下算例进行简化计算：

底板受约束温缩和干缩影响的计算模型可以简化如图7所示。

1)计算混凝土水化热绝对温升值。如采用425号普通硅酸盐水泥，每立方水泥用量为300 kg，在混凝土养生过程中绝对升温值为(假定水泥水化热在7 d基本释放)：Tmax=(W·Q)/(c·γ)=(300×300×103)/(0.96×103×2 400)=39.06 ℃。其中，W为每立方米水泥用量,kg/m3;Q为水泥水化热，取300×103J/kg;c为混凝土比热，取0.96×103J/(kg·℃);γ为混凝土比重，kg/m3。

2)计算混凝土养护降温值。假设环境温度15 ℃，混凝土入模温度为30 ℃。则混凝土总温降值:T1=30+39.06-15≈54 ℃。

3)计算混凝土收缩当量温差。采用王铁梦公式进行近似计算7 d拆模时的收缩变形，则收缩当量温差为:T2=ε(7)/α=8.85×10-5/10-5=8.85 ℃。

4)计算总温降值：T=T1+T2=54+8.85=62.85 ℃。

5)约束端中部约束应力近似计算：σ=E(t)αT=3.45×104×(1-e-0.09×t)×10-5×62.85 =5.40 MPa>混凝土极限拉应力，故导致混凝土开裂。

3.3 防治措施

该类型裂缝主要是由混凝土水化热和干缩受约束造成，要解决该问题主要从控制水化热、控制养护温差方面着手解决。

1)优化混凝土配比，减少水泥用量。2)控制混凝土入模温度，在拌合进料时就应控制水泥、骨料、水的温度，如高温季节施工可考虑采取加冰等措施降低混凝土入模温度。3)加强养护，可通过增设冷凝管等措施控制养护时绝对升温值。4)尽量减少节段间施工间隔时间，以减少节段间不同凝期混凝土收缩差。5)在底板配筋时，满足结构受力和构造配筋率要求的前提下，优先选用较小直径的钢筋，部分板较厚节段可考虑配防裂钢筋网。

4 现浇梁顶板横向裂缝

4.1 裂缝形态及特点

一般的现浇预应力混凝土箱梁结构采用分次浇筑施工，第一次浇筑底板及腹板，然后立顶板模板和绑扎顶板钢筋浇筑顶板。该类裂缝一般出现在分次浇筑的混凝土现浇箱梁结构的顶板部位。一般在顶板拆模后即发现顶板横向裂缝，裂缝为横桥向方向分布，从腹板顶部(第二次浇筑的施工缝处)开始向箱梁内侧、翼缘板发展，但很少沿腹板向下发展，平均宽度一般小于0.1 mm，一般纵向间距为1.5 m～2 m左右，分布较均匀，贯穿裂缝，但部分裂缝在纵向预应力张拉后能闭合。

4.2 裂缝形成原因分析与防治措施

该类型裂缝成因与节段施工底板纵向裂缝成因是一致的。因底板和腹板先浇筑，对顶板在纵桥向形成较强的约束，温缩和干缩受约束导致开裂。其防治措施也与前一类型裂缝大体一致，主要从施工方面采取措施进行解决，由于一般顶板一次浇筑长度较长，“长板效应”比底板纵裂缝更为明显，应注重控制凝期差和顶板的养护。预应力混凝土现浇箱梁顶板纵向裂缝示意图见图8。

5 结语

1)腹板斜裂缝产生的根本原因是腹板混凝土主拉应力值超过混凝土抗拉极限强度导致开裂，设计应充分考虑扭转、翘曲、畸变、日照温度等因素的影响，采用波形钢腹板替代混凝土腹板可根本解决腹板斜裂缝问题。但对于混凝土梁，应从竖向预应力方面着手解决，研究表明，采用低回缩二次张拉竖向预应力锚具竖向预应力终期损失可控制在张拉控制力的20%左右，能有效地保证腹板竖向预应力值，从而使腹板抗裂性能得到提高。2)变截面混凝土预应力混凝土梁底板崩裂的原因是底板结构受曲线预应力束产生的径向力作用，发生底板结构受力破坏。设计方面应对径向力予以充分考虑并做好局部验算。底板防崩钢筋、底板上下层勾筋是保证混凝土上下层钢筋协同受力的核心措施，施工中必须按图实施，防止偷工减料。3)对于有先后浇筑次序的混凝土结构，先浇筑部分混凝土会对后浇筑部分的混凝土产生约束，后浇混凝土因温降和收缩的变形受到约束后产生约束应力，导致结构产生裂缝。该类裂缝问题应主要从降低混凝土水化热和降低混凝土养护时的温度着手解决，同时，减少凝期差也可减少裂缝。

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[2] JTG/T F50—2011,公路桥涵施工技术规范[S].

[3] 李 斌.二次张拉钢绞线技术应用于箱梁腹板竖向预应力的研究[D].长沙:湖南大学,2009.

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[5] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社,2009.

Several crack causes and prevention measures of pre-stressed concrete cast-in-place beam

Li Bin

(Guangdong Nanyue Traffic Investment Construction Limited Company, Guangzhou 510101, China)

This paper introduced four kinds of common cracks in pre-stressed concrete cast-in-place beam, according to the characteristics of various kinds of cracks, analyzed the causes of different cracks, and put forward some corresponding prevention measures, conducive to improve the safety and durability of pre-stressed concrete cast-in-place beam structure.

cast-in-place bridge, structural crack, web, roof, quality control

1009-6825(2017)12-0144-03

2017-02-13

李 斌(1983- )，男，硕士，工程师

U445.71

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