连续箱梁斜向开裂成因及加固措施分析

魏斌建 陕西路桥集团有限公司，西安 710000

桥梁工程项目中，预应力钢筋混凝土连续箱梁结构因为材料来源广、使用性能强、施工工艺简单、养护方便的特点，受到广泛青睐。而大跨径的预应力钢筋混凝土的连续箱梁的桥梁，因为施工控制、后期养护以及材料选择等方面的影响，可能会出现一些结构问题，主要有连续箱梁的腹板斜向、竖向的开裂，还有底板的横向、纵向、斜向的开裂问题，以及跨中变形等，对于桥梁结构的安全性以及后期正常使用产生极大影响，对出现严重病害的必须进行加固处理。具体加固方案的选择，要在对病害成因充分了解的基础上，采取科学合理的加固措施，避免加固施工对结构造成二次损坏。

1 连续箱梁结构桥梁的特点

大跨径的预应力钢筋混凝土的连续箱梁结构桥梁，其桥身的整体性能非常好，当受到活载作用时竖向变形比较小，伸缩缝也比较少、结构的刚度大，桥梁上行车舒适度高，后期养护也非常简单。如果是等高度预应力钢筋混凝土的连续箱梁，其跨度一般能达到80米，如果是变高度的预应力钢筋混凝土的连续箱梁，其跨度一般能够达到200米，并且设计方案和施工技术已经比较成熟，整体上的造价也比较低，适用于高等级公路桥梁项目。

2 工程概况

桥梁工程为50m+90m+50m的大跨径预应力钢筋混凝土连续箱梁结构，以悬臂浇筑施工方式进行，上部结构为单箱单室，底部宽为6.25m，截面顶部宽12m，腹板厚度范围为35cm～60cm。梁高为230cm～520cm，图1是主梁的截面。跨腹板上出现了八字形裂缝，并且分布对称，分布范围见图2。

图1 主梁的截面

图2 裂缝的分布

3 箱梁斜向开裂的成因

运用Midas模式有限元技术构建原桥的模型，分析桥梁的受力情况。依照施工过程和原结构尺寸进行模拟，得到计算结果。从结果去看，原桥的设计荷载作用状态下，结构的承载力能够达到承载能力的极限标准；如果是正常应用的极限情况下，桥梁界面的正应力为压应力，且主拉应力没有超出混凝土的抗拉强度。表明原桥的结构尺寸以及预应力的设计在合理范围内。在此基础上，分析腹板斜向开裂的诱发原因，主要有以下几点：

3.1 混凝土收缩徐变

桥梁施工中出现了混凝土收缩徐变，而这种变化明显作用到了短期分段的悬臂浇筑结构上，收缩徐变处于超静定的结构下，应力受到了混凝土龄期和环境等多个因素影响，单纯使用有限元模型不能更精确地模拟出其作用。

3.2 模型模拟出现偏差

运用Midas的杠件模型对原桥进行模拟，然后进行计算，难以得到截面实际的最大拉应力。为弥补不足，研究人员通常运用Ansys实体模型，对悬臂浇筑过程中的箱梁应力分布进行模拟，结果显示前模型中计算得到截面应力最小的时候，施工中却会顺着纵向钢束，提高腹板主拉应力，尤其是在锚下一个阶段距离内腹板0.5m的时候，腹板主拉应力更大，可能超出混凝土的抗拉强度。

3.3 结构尺寸的影响

假设箱梁的腹板的厚度不足，此时截面内剪应力则会过大，造成腹板的主拉应力高出混凝土抗拉强度，从而出现开裂的问题；还有就是箱梁的纵向预应力、竖向预应力的管理对于截面有着削弱的作用，也可能提升主拉应力；另外，运用悬臂分段的浇筑施工方式时，施工期间节段的接缝处有竖向的裂缝，如果没有第一时间进行处理，就会让截面尺寸变小，进而增大主拉应力，很可能导致该应力超出限额。

3.4 竖向预应力的影响

采用悬臂浇筑的预应力钢筋混凝土连续箱梁，可以分成三个方向的预应力结构，在竖向的预应力产生了竖向预压力，可以缓解截面的主拉应力。但是，竖向的预应力筋一般使用精扎螺纹的粗钢筋为材料，由于受到灌浆质量、张拉锚固、梁高等因素的影响，通常很难达到预期设计效果。实际的预应力为设计预应力的3/4左右，如果竖向的预应力损失到达30%，腹板的主拉应力会超出混凝土抗拉的强度，进而出现斜向裂缝。

3.5 纵向预应力的损失

箱梁桥梁的底板钢束预应力如果损失非常大，其截面的预应力就会减小，增加了主拉应力，还可能超出限额，从而导致桥梁开裂。中跨的底板束应力有损失，计算得出中跨底边的束应力如果减少20%，中跨距离顶墩是20m～26.9m的时候，主拉应力已经高出规定值，增加底板的束预应力损失，进而使得超限范围扩大。

3.6 混凝土施工和养生不当

在钢筋混凝土结构桥梁施工中，对于混凝土强度的要求是必须到达90%之上才能进行预应力的张拉。若张拉过早，此时的混凝土弹性模量比较低，将会出现预应力张拉之后的混凝土压缩的变形过大，进而导致预应力的损失很大，导致难以满足预压要求，截面的主拉应力也会明显增加。另外，混凝土施工后的养生阶段，若没有严格控制湿度和温度，可能会让混凝土的表面和内部出现湿度差和温度差，进而导致其出现不同变形，而这种变形受到混凝土内部约束力的影响，超过主拉应力极限，最终导致混凝土表面出现开裂。因此，施工的过程中，必须严格控制挂篮、混凝土质量、混凝土浇筑、拆模时间、混凝土养护时间、结构配筋、施工环境等因素，确保这些因素都在规定范围内，避免连续箱梁结构出现开裂。

4 加固措施

4.1 加固方案

对本桥梁的实际预应力损失情况进行分析，可知预应力的管道使得截面变小，以及混凝土的收缩徐变影响，从而确定加固维修方案：对中跨箱梁的内侧进行腹板加厚；加厚腹板的内部增加预应力钢束。

4.2 加固的可靠性分析

除了要加厚腹板外，还要在其内部增加预应力钢束，从而增加截面尺寸，使得剪应力减小，从而增大截面的预压应力，使得截面的主拉应力减小。对方案进行细化，腹板的加厚尺寸要经过严密计算，精确确定出预应力钢束的参数。使用有限元分析方法对不同参数的方案做对比，找出最合理的参数，不能因为腹板过厚而增加桥梁的自身重量，也不能出现预应力钢束的增加不足，反而增加了截面应力，也要避免出现预应力钢束的增加过多，超出预应力限制。

4.3 加固施工质量的保证

为提高加固质量，必须严格控制加固施工措施，保证施工质量，如果要进行预应力的张拉，一定要等待混凝土的强度超出90%之后。混凝土施工结束后，养生时期必须严格控制湿度和温度，避免变形导致开裂。