预应力箱梁梁端腹板裂缝的成因与防控措施

李志强

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 预应力箱梁梁端腹板裂缝的形成原因

1.1 设计方面

（1）预应力分析计算不合理。一方面，当前的桥梁预应力分析所应用的平面杆系有限元分析程序虽能够准确计算箱梁截面的总体应力，却无法真实准确地反映局部应力，使得预应力箱梁结构的实际受力与计算存在一定差别，以致在应力的作用下易于生成裂缝。另一方面，相应设计规范中仅对竖向预应力予以了充分考虑，而对竖向受力考虑不周，使得箱梁结构实际受力存有偏差，而箱梁顶板与腹板的局部锚固效应、横向效应、自重效应等生成的竖向应力。如若设计时未充分考虑，便会使得两端腹板应力的计算偏差值较大，进而引发腹板开裂。

（2）竖向预应力损失考虑不周。设计规范中对纵向预应力的弹性压缩损失有明确的计算，但却未考虑竖向应力的弹性压缩损失，而与纵向预应力相比，竖向预应力筋短、弹性变形小，且预应力筋布置为轴向排列，因此如若应用纵向预应力的弹性压缩损失进行纵向预应力损失的计算，便会使得偏差值过大。由此，将会因竖向预应力的存在而出现一定的拉应力，进而致使生成腹板裂缝。

（3）腹板厚度设计不合理。部分设计人员为追求更好的桥梁外观与更大的跨径，而不重视箱梁细部结构的设计，更有甚者为追求结构优化而致使腹板过于纤薄，由此使得预应力筋保护层及钢筋布置间距不合理。另外，施工的误差致使梁端两侧腹板厚度存在差异，而计算时是按照两侧腹板厚度一致而进行抗裂性的计算，因此，实际施工中便会导致较薄的腹板先行开裂，且两侧腹板偏载以及混凝土不均等的影响亦会使得两侧腹板受力不一致而出现裂缝。

（4）温度应力控制不当。实践发现，预应力箱梁的裂缝问题中温度应力的影响甚至会超过荷载应力，其中，温度梯度对于混凝土箱梁的影响就像在箱梁上施加一个附加弯矩，该弯矩使腹板剪应力与正应力增加，并影响腹板主拉应力，而如若计算时未准确计算温度应力的影响，便会增加箱梁腹板开裂的可能性。

1.2 施工方面

（1）关键工序施工把控不严。一方面，混凝土浇筑时质量把控不严，如受环境温度影响、配比不合理、外加剂比例不当、混凝土浇筑与振捣作业不规范、后期养护不到位等，都会使腹板处混凝土出现不同程度的开裂现象。另一方面，预应力损失的存在，使得实际预应力与预期值存在偏差，进而导致了腹板裂缝的生成。其中，根据预应力筋应力出现损失的时间不同可将预应力损失分为瞬间损失与长期损失。瞬间损失主要分为孔道摩擦损失、锚固损失以及混凝土弹性压缩损失等，长期损失主要分为预应力筋松弛损失、混凝土收缩及混凝土徐变损失等。导致预应力损失的原因主要是预应力箱梁钢筋繁多复杂，作业难度大，尤其是箱梁齿板、腹板以及底板等交界位置的梗掖截面位置，钢筋分布更为密集，一旦钢筋施工质量把控不严就会导致腹板开裂。另外，箱梁预应力孔道分布多而复杂，如若孔道定位不精准、偏差大，就会为腹板开裂埋下隐患。同时，张拉时未考虑后期混凝土徐变的影响，从而导致后期使用时桥跨下挠过大而引发腹板裂缝。

（2）纵向预应力把控不到位。预应力箱梁的纵向预应力施加值相比预期值偏低，也是造成箱梁腹板裂缝的其中因素之一。主要是由于现阶段箱梁纵向预应力多是采取大吨位群锚整体张拉，而在实际的张拉施工中，因初应力的调整费时、费力且操作困难，所以作业人员未依照《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50－2011）中的相关规定进行预应力筋的初应力调整，而是直接进行正式的张拉作业，从而使得张拉并锚固后，各个钢绞线普遍存在不同程度的锚下应力，进而导致实际预应力与预期值存在一定偏差。

（3）竖向预应力损失过大。箱梁腹板的竖向预应力钢筋多采用具有较高强度且工艺简单的精轧螺纹钢筋，然而实际施工中，其通常会因多种因素的影响而导致预应力出现较大损失或失效，从而使实际永存比预估值低，致使竖向预应力筋无法发挥应有的效用而在腹板处发生主拉应力裂缝。而导致这一裂缝主要是由于竖向预应力施工操作失误，使得混凝土浇筑后预应力筋与锚垫板不垂直，或张拉作业时不规范操作以致千斤顶、拉杆与预应力筋的中心未保持同一水平线，或后期锚固时未将螺帽予以充分拧紧，以及超张拉与二次张拉的间隔时间、张拉时机把控不到位，使得腹板未尽早形成悬臂预应力与竖向预应力双向受压持衡的状态，从而导致腹板因悬臂活载的作用形成开裂的暗伤。上述这些因素均会导致竖向预应力因出现较大损失而不满足设计要求，进而造成箱梁腹板出现裂缝。

1.3 维养方面

箱梁后期使用环节的养护不当，以及运营期间的长期超载超限等，都是导致预应力箱梁产生病害的原因。而汽车超载产生的活载会不断传递，进而使箱梁腹板生成裂缝。

2 预应力箱梁梁端腹板裂缝的防控举措

2.1 科学设计

（1）科学开展预应力计算。预应力箱梁结构计算时，可采取整体与局部相结合的方式进行计算。例如，首先利用平面杆系有限元程序分析箱梁结构的整体受力情况，然后利用三维空间有限元分析箱梁结构的局部受力情况。如此一来，不仅能节省结构受力分析的用时，而且能够有效规避局部预应力分析误差而造成的腹板开裂。

（2）准确分析竖向预应力损失。在进行箱梁腹板受力分析时，对于竖向预应力筋的弹性压缩损失可采用有限元程序进行分析，得出腹板位置竖向预应力筋受分批张拉的影响情况；然后将预应力箱梁腹板简化为弹性力学中的半无限体模型，并与有限元计算所得结果予以结合得出腹板竖向预应力损失的解析公式。

（3）合理设定腹板厚度。两侧腹板厚度的差异直接影响预应力箱梁主拉应力，因此在设计阶段对截面腹板的厚度予以慎重处理，同时要尽量选择较为缓和的变化形式。另外，在箱梁腹板设计时，防止腹板厚度过薄而导致的预应力筋与钢筋布置不合理，对此，须确保腹板厚度不仅要满足纵向预应力筋的布置要求，还要有充足的空间能够进行普通钢筋的布置。

（4）巧妙应对温度应力影响。若腹板与底板厚度不同，则须对两者相交位置处的梗掖截面形式予以优化，并合理布置一定量的构造钢筋，以有效规避温度梯度以及混凝土收缩、徐变等的不良影响而造成的腹板裂缝。同时，准确估算与考虑温度梯度以及混凝土收缩、徐变等对箱梁腹板开裂的影响，并合理运用软件予以准确模拟以防止腹板开裂。

2.2 规范施工

加强箱梁施工质量的管控，对于防止箱梁腹板裂缝十分关键。对此，必须严格按照如下要求进行施工质量的管控：（1）在钢筋加工制作以及安装环节务须严把质量关，并严格依照设计及规范要求实施作业。（2）做好预应力管道的定位工作，并按要求控制管道安装的质量，确保整体线形流畅、无突折。（3）在模板的安装作业时，应尽量选择大块模板，以有效保证模板的强度与刚度。（4）注重混凝土浇筑与振捣环节的质量把控，合理安排浇筑顺序，严格把控浇筑时间差，并加强后期振捣与养护，以有效提升混凝土施工的质量。

与此同时，预应力张拉施工中，还需做好如下几点的把控：

（1）减少施工中的应力损失。首先，严把预应力孔道质量，确保精准定位、孔道流畅，尽量选择较小摩擦系数的管道，且严格依照设计进行线性设计，减少转弯和突折等情况；其次，适当采取超张拉或优先选择变形值较小的锚具，从而有效减少锚具变形而造成的应力损失；再次，对于混凝土弹性压缩损失，可适当延长预应力张拉时间，进行短暂超张拉并返回至规定张拉值，使弹性压缩到位；最后，对于后期混凝土收缩、徐变引起的损失，除需进行合理的混凝土配比外，还可通过超张拉法减少预应力损失，同时预应力筋松弛而导致的损失，也可采用超张拉减少损失。

（2）加强纵向预应力的施工管控。纵向预应力张拉后，对大吨位群锚予以补张拉，并按规范要求进行初应力的调整，以有效提升每根钢绞线受力的均匀性，进而确保张拉锚固后各钢绞线的锚下应力保持均衡。

（3）严抓竖向预应力的损失控制。首先，“两平一直”与“三轴同心”。预应力张拉施工时，应严格把控锚垫板倾角偏差，使锚垫板面与预应力筋相互垂直，并确保千斤顶、拉杆、预应力筋三轴同心，对于未在同一水平线须重新调整或安装。其次，紧固螺帽。竖向预应力张拉并满足锚固要求后，严格依照要求使用标定后的扭矩扳手予以锚固拧紧操作。另外，超张拉。竖向预应力筋张拉时，可先进行超张拉，从而降低锚固与钢筋松弛而导致的应力损失，需要注意的是，超张拉时应对其最大应力予以把控，在满足要求的前提下，防止出现屈服破坏。再次，二次张拉。合理采用二次张拉，能够有效减小钢筋松弛与混凝土徐变而造成的应力损失，在此过程中须对两次张拉的间隔时间予以严格控制。最后，准确把握张拉时间。合理选择张拉时间，能够有效规避箱梁腹板竖向应力分布不均的劣势，规避应力空白区，防止受力不均而导致腹板开裂。

2.3 勤于维养

桥梁运营使用过程中务须加强养护管理，禁止超载运行，并定期检查桥梁结构的使用情况，一旦发现问题应立即处理，从而使桥梁随时保持良好的状态运营。

3 结束语

梁端腹板的不同程度开裂作为众多尚处于运营使用阶段的预应力箱梁所最为常见的质量问题之一，倘若未事先予以妥善预防或在出现之后未及时予以妥当处治，则极易致使箱梁出现下挠度超限、结构性能变差等严重后果。因此，相应的设计、施工、维养人员在箱梁的设计之时、建设之中、后期维养各个阶段，务必要细心专注、谨慎负责，全力将己方“分内之事”处置妥当，且须具备“先见之明”善于事先发觉问题隐患，并能及时采取妥当应对举措将问题隐患“止于萌芽”，进而为预应力箱梁的安全持久使用保驾护航。